PERDIX：自动设计不同几何形状的DNA折纸的算法

谁不喜欢在童年时代收集建造者？ 我仍然记得这个红色的盒子，上面放着一堆金属零件，工具，还有很多可能的结果，即使只有幻想，时间和渴望。 乐高玩具也不应被遗忘，尽管这里的一切都变得简单多了。 但是，更复杂的是基于DNA折纸的纳米结构的设计者。 到目前为止，此类结构的所有“细节”都是手动建模的，这花费了大量的时间和精力。 想象一下，您需要自己创建所有乐高零件，然后再将它们组装成一个带有激光，喷气发动机和机枪的巨型机器人，并放在肩膀上。 但是童年的某些回忆使我们误入了草原。

开个玩笑。 今天，我们将了解使您能够自动创建多种形式的DNA折纸的算法。 以前，手动将DNA链的形状更改为必需的形状，这极大地限制了这种操作的可能性。 相同的算法允许您自动创建设计器DNA部件，从而可以将其用于二维和三维纳米结构的形成。 另外，该算法适用于所有人。 研究小组的报告将帮助我们弄清楚什么是有效的，以及如何起作用。 走吧

学习基础

近年来，在许多应用的纳米结构中将DNA用作建筑材料已成为许多研究和实验的目标。 他们中的许多人都取得了优异的成绩，但众所周知，完美无极限。 例如，研究人员引用了具有高凝结系数的百万分度规模的单分散DNA结构，这是通过使用长框架ssDNA（单链DNA）-单链/单链DNA来实现的。 但是，在这种情况下，DNA链的长度是单个折纸DNA大小的主要限制。 可以通过一次形成由几个折纸组成的结构来避免这种限制。

我们也已经知道（ 井字游戏：重新配置DNA结构的受控过程的演示 ），可以使用DNA切片创建一些DNA结构，这使您可以形成这种结构的复杂几何形状。

但同样，这全都归结为以下事实：该过程是手动执行的，而且过程冗长而乏味。 科学家喜欢什么？ 是的，自动化，或者至少是部分自动化。 类似的工具已经可用（科学家的例子-caDNAno或Tiamat），但是这些程序有其缺点。 首先，手动创建框架。 其次，上述算法在结构几何设计的系统化问题上的局限性。

简而言之，在本文中，研究人员为自己设定了创建一种算法的目标，该算法将自己完成几乎所有事情。 因此，任何人都只能设置所需结构的外壳的参数，程序将用所有必需的DNA线，钉书钉，序列等来独立填充内部部分。 您也可以按照相反的顺序执行该过程-设置所有“内幕”，可以说是结构网格，并且算法将围绕它构建正确和最佳的框架。

这项开放源代码程序（PERDIX）绝对适用于所有人，这要感谢研究人员。 因此，任何人都不仅可以“玩弄”程序本身，还可以对程序代码进行一些改进。 在何处下载它以及如何启动它，我们将在本文结尾处考虑。

现在，让我们看看研究团队提供给我们的该程序的应用示例。

PERDIX验证结果


图片编号1

作为输入数据，可以使用所需结构的边界的图像（上方1A ）或具有更精确的几何细节的图片（下方1A ）。 此外，程序本身会填充内部空间。

当仅指定“轮廓”时，使用DistMesh开源程序通过三角形形成结构网格的内部几何形状，这仅需要引入网格密度作为必要参数。

当指定了形状和几何线（ 1A ，底部）时，使用Shapely-用于处理和分析平面几何对象的Python包。 Shapely生成一个多边形网格，其中其线和它们的交点形成框架的必要几何形状。

此外，在确定所需的形状之后，有必要设置肋骨的标称长度，该长度应≥38 bp（成对碱基）或12.58 nm。 因此，在所需的结构中，每个边缘至少会有两个配对交叉。

然后，将未来结构的所有目标线转换为DX边，其中所有顶点均为多网格连接点（ 1B ）。 遵循图论原理，将自动形成最佳骨架结构，然后完成分配其他DNA钉书钉序列的过程。 手动编辑输出数据（结果）的过程是通过生成的caDNAno文件执行的。

科学家称其肋骨不必等于整数的双B-DNA螺旋（10.5 bp），这是其系统的一个非常重要的特征。 这样，您可以在结构几何设计中获得更大的自由度。


图片编号2

为了快速而准确地执行形成结构几何形状的过程的自动部分，必须首先通过使用两条反平行框线（ 2A ）渲染目标几何形状的每个边缘，将所有边缘转换为DX图案。 然后将它们合并在单个顶点上，从而使每个边缘成为循环的一部分。 进而导致形成一个由小环路组成的单个大外部环路。 下一步是找到相邻回路之间所有可能的交叉选择，即形成回路相交结构。

此过程的第三步是将所有生成的结构表示为一组节点，并将所有交叉表示为将来结构的边缘。

接下来，计算双图的生成树，然后将其转换为ssDNA框架。 此过程是全自动的。 最后，在原子级别生成三维结构模型。

图2B显示了用于形成结构所需几何形状的两个选项：具有离散的边缘长度或具有连续的边缘长度。 第二个选项使您可以创建具有任意边缘长度的结构，从而可以实现最大程度的凝结。 使用扫描原子力显微镜（图2B中右侧的图像）验证了几何结构的这些变化。


图片编号3

研究人员还设定了自己的目标，即更详细地检查目标几何形状的各个方面，例如机械刚度，形状精度，结构的大小，内部网格的大小及其元素的类型。 还需要了解N分支的重要性，即边缘之间的连接数，以及结构的整体复杂性。 对AFM数据的分析表明，具有良好分支的二维结构具有大量分支和更长的边缘长度（由于核苷酸不成对），并且其结构中的异质性最小。

结构的内部网格具有三个选项：方向相同的三角形，正方形和方向不同的三角形（ 3C ）。 与具有正方形的模型相比，具有三角形的模型在形成必要的几何图形时显示出最高的准确性。 可以说，三角形模型中存在混合方向，这使得可以获得更对称的N分支和更精确的形状（失真较小）成为可能。

科学家注意到，对模拟结构的内部网格进行分析对于理解该结构的机械刚度极为重要。 正是上述模型非常适合创建足够坚固，准确（就满足指定参数而言）和灵活的结构。


图片编号4

当然，可以说，科学家并非没有美感。 因此，他们决定通过设计15种不同形状的结构（更确切地说是使用不同的内部网格和框架）来展示其开发的可能性。 我们可以在上图中看到这些选项：这是“常规”正方形，四分之一圆，甚至是莲花。

开源软件

如前所述，链接（）对所有人开放研究人员的工作，您可以在其中找到必要的程序元素（MATLAB，Python 2.7和Shapely 1.6.4）。

至于用于形成DNA折纸结构几何的算法，下面以视频格式介绍了下载和运行它的说明。 我将所有视频隐藏在扰流器下，以免拉长文章。















为了更详细地了解这项研究及其结果，我强烈建议您研究研究小组的报告及其补充材料 。

结语

这项研究旨在简化一个相当耗时且耗时的过程。 结果成功了。 PERDIX算法允许您在设置最小必要参数的同时创建具有非常不同几何形状的结构。 长期以来，DNA一直是科学家的研究对象，不仅是所有生命和信息载体的一部分，而且还是未来技术基础的可能选择。 这样的工作使得有可能更详细（清楚地）理解基于DNA折纸产生的纳米结构的可能性。

至少对我来说，这项研究中第二个令人高兴的时刻是该算法可供所有人使用。 任何人都可以使用它，任何人都可以改进它。 通过完全访问他们的报告和软件本身，科学家不仅为他们的科学领域的普及做出了贡献，而且为科学本身做出了贡献。

我见过一些文章，其中科学家对付费获取报告的制度非常批评，认为这给知识和普通人之间增加了障碍。 由于每个人都应该赚钱（科学出版物，研究小组和科学地点），因此这件事的情况非常模棱两可，也颇具争议，但是获得某些研究的高昂费用使普通科学爱好者，学生甚至某些教授和学者无法获得这些研究的机会。科学数字。 就像我说的那样，这个问题是模棱两可的，因此我们不会多谈。 无论如何，我感到高兴的是，我们今天的英雄们使我们能够充分利用他们的作品，这不仅值得关注，而且也应得到坦率的钦佩。

谢谢大家的关注，保持好奇心，祝您工作愉快。

感谢您与我们在一起。 你喜欢我们的文章吗？ 想看更多有趣的资料吗？ 通过下订单或将其推荐给您的朋友来支持我们， 为我们为您发明的入门级服务器的独特模拟，为Habr用户提供30％的折扣： 关于VPS（KVM）E5-2650 v4（6核）的全部真相10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps从$ 20还是如何划分服务器？ （RAID1和RAID10提供选件，最多24个内核和最大40GB DDR4）。

VPS（KVM）E5-2650 v4（6核）10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps，直到春季免费，直到半年付款，您都可以在此处订购。

戴尔R730xd便宜2倍？ 仅在荷兰和美国，我们有2台Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100电视（249美元起） ！ 阅读有关如何构建基础架构大厦的信息。 使用价格为9000欧元的Dell R730xd E5-2650 v4服务器的上等课程？