Nukleinsäure -Design

Nukleinsäure -Design kann verwendet werden, um Nukleinsäurekomplexe mit kompliziertem Bereich zu erzeugen Sekundärstrukturen wie diese vierarmige Kreuzung. Diese vier Stränge assoziieren in diese Struktur Basispaare, mit A's entspricht zu Tund C's entspricht zu G's. Bild von Mao, 2004.[1]

Nukleinsäure -Design ist der Prozess der Generierung eines Satzes von Nukleinsäure Basissequenzen, die zu einer gewünschten Konformation assoziieren. Das Design der Nukleinsäure ist von zentraler Bedeutung für die Felder von DNA -Nanotechnologie und DNA Computing.[2] Es ist notwendig, weil es viele möglich gibt Sequenzen von Nukleinsäuresträngen, die sich zu einem gegebenen Falten falten SekundärstrukturAber viele dieser Sequenzen haben unerwünschte zusätzliche Interaktionen, die vermieden werden müssen. Außerdem gibt es viele Tertiärstruktur Überlegungen, die die Wahl einer Sekundärstruktur für ein bestimmtes Design beeinflussen.[3][4]

Das Nukleinsäuredesign hat ähnliche Ziele wie Proteindesign: In beiden Fällen ist die Abfolge von Monomeren rational gestaltet um die gewünschte gefaltete oder zugehörige Struktur zu bevorzugen und alternative Strukturen zu ungünstigen. Das Nukleinsäuredesign hat jedoch den Vorteil, dass ein viel rechnerisch einfacheres Problem ist, da die Einfachheit von Watson-Crick Basispaarung Regeln führen zu einfach Heuristik Methoden, die experimentell robuste Designs ergeben. Computermodelle für Proteinfaltung benötigen Tertiärstruktur Informationen, während Nukleinsäuredesign weitgehend auf dem Niveau von funktionieren kann Sekundärstruktur. Nukleinsäurestrukturen sind jedoch in ihrer Funktionalität weniger vielseitig als Proteine.[2][5]

Nukleinsäuredesign kann als umgekehrt von betrachtet werden Vorhersage der Nukleinsäurstruktur. In der Strukturvorhersage wird die Struktur aus einer bekannten Sequenz bestimmt, während im Nukleinsäurendesign eine Sequenz erzeugt wird, die eine gewünschte Struktur bildet.[2]

Grundsätzliche Konzepte

Chemische Struktur der DNA. Nukleinsäure -Doppelhelices bilden sich nur zwischen zwei Strängen von Strängen von komplementär Sequenzen, wo die Basen werden nur in A-T- oder G-C-Paare angepasst.

Das Struktur von Nukleinsäuren besteht aus einer Sequenz von Nukleotide. Es gibt vier Arten von Nukleotiden, von denen die vier unterschieden werden Nucleobasen Sie enthalten: in DNA sind diese Adenin (EIN), Zytosin (C), Guanine (G) und Thymin (T). Nukleinsäuren haben die Eigenschaft, dass zwei Moleküle aneinander binden, um a zu bilden Doppelhelix Nur wenn die beiden Sequenzen sind komplementärdas heißt, sie können passende Sequenzen von bilden Basispaare. Somit bestimmt die Sequenz in Nukleinsäuren das Bindungsmuster und damit die Gesamtstruktur.[5]

Das Nukleinsäuredesign ist der Prozess, durch den Sequenzen bei einer gewünschten Zielstruktur oder -funktionalität für Nukleinsäurestränge erzeugt werden, die sich in diese Zielstruktur selbst organisieren. Das Nukleinsäure -Design umfasst alle Stufen von Nukleinsäurestruktur:

  • Primärstruktur- Die rohe Sequenz von Nucleobasen von jedem der Komponenten -Nukleinsäuresträge;
  • Sekundärstruktur- Die Menge der Wechselwirkungen zwischen Basen, d. H. Die Teile, deren Stränge aneinander gebunden sind; und
  • Tertiärstruktur-Die Orte der Atome im dreidimensionalen Raum, unter Berücksichtigung geometrischer und Steric Einschränkungen.

Eines der größten Anliegen bei der Nukleinsäuredesign ist die Sicherstellung, dass die Zielstruktur die niedrigste freie Energie aufweist (d. H. Die meiste ist thermodynamisch günstig) während fehlformierte Strukturen höhere Werte der freien Energie aufweisen und somit ungünstig sind.[2] Diese Ziele können durch die Verwendung einer Reihe von Ansätzen erreicht werden, einschließlich Heuristikthermodynamische und geometrische. Fast alle Aufgaben des Nukleinsäure -Designs werden von Computern unterstützt, und für viele dieser Aufgaben stehen eine Reihe von Softwarepaketen zur Verfügung.

Zwei Überlegungen beim Nukleinsäuredesign sind, dass die gewünschten Hybridisierungen Schmelztemperaturen in einem engen Bereich aufweisen sollten und alle falschen Wechselwirkungen sehr niedrige Schmelztemperaturen haben sollten (d. H. Sie sollten sehr schwach sein).[5] Es gibt auch einen Kontrast zwischen affinitätsoptimierender "positives Design" und versucht, die Energie der gewünschten Struktur in einem absoluten Sinne zu minimieren, und die Spezifitätsoptimierung von "negativem Design", die die Energie der Zielstruktur im Vergleich zu denen von unerwünschtem Betrag berücksichtigt Strukturen. Algorithmen, die beide Arten von Design implementieren, funktionieren in der Regel besser als solche, die nur einen Typ berücksichtigen.[2]

Ansätze

Heuristische Methoden

Heuristik Methoden verwenden einfache Kriterien, die schnell bewertet werden können, um die Eignung verschiedener Sequenzen für eine bestimmte Sekundärstruktur zu beurteilen. Sie haben den Vorteil, viel weniger rechnerisch teuer zu sein als die Energieminimierung Algorithmen, die für die thermodynamische oder geometrische Modellierung benötigt werden und leichter zu implementieren sind, aber auf Kosten, weniger streng als diese Modelle.

Die Minimierung der Sequenzsymmetrie ist der älteste Ansatz zum Nukleinsäuredesign und wurde zunächst verwendet, um unbewegliche Versionen von verzweigten DNA -Strukturen zu entwerfen. Die Minimierung der Sequenzsymmetrie unterteilt die Nukleinsäuresequenz in überlappende Subsequenzen einer festen Länge, die als Kriterienlänge bezeichnet wird. Jede der 4N Mögliche Untersequenzen der Länge N darf nur einmal in der Sequenz erscheinen. Dies stellt sicher, dass keine unerwünschten Hybridisierungen auftreten können, die eine Länge mehr als oder gleich der Kriterienlänge haben.[2][3]

Ein verwandter heuristischer Ansatz besteht darin, die "Nichtübereinstimmung Distanz" zu berücksichtigen, was bedeutet, dass die Anzahl der Positionen in einem bestimmten Rahmen, in dem die Basen nicht sind komplementär. Eine größere Fehlanpassungsentfernung verringert die Wahrscheinlichkeit, dass eine starke falsche Wechselwirkung auftreten kann.[5] Dies bezieht sich auf das Konzept von Hamming -Entfernung in Informationstheorie. Ein weiterer verwandter, aber besserer Ansatz besteht darin, Methoden aus zu verwenden Codierungstheorie zu Konstruktnukleinsäuresequenzen konstruieren mit gewünschten Eigenschaften.

Thermodynamische Modelle

Weitere Informationen: Nukleinsäurethermodynamik

Informationen über die Sekundärstruktur eines Nukleinsäurekomplexes zusammen mit seiner Sequenz kann verwendet werden, um die vorherzusagen thermodynamisch Eigenschaften des Komplexes.

Wenn thermodynamische Modelle im Nukleinsäuredesign verwendet werden, gibt es normalerweise zwei Überlegungen: Die gewünschten Hybridisierungen sollten Schmelztemperaturen in einem engen Bereich aufweisen, und alle falschen Wechselwirkungen sollten sehr niedrige Schmelztemperaturen aufweisen (d. H. Sie sollten sehr schwach sein). Das Gibbs freie Energie Von einem perfekt übereinstimmenden Nukleinsäure -Duplex kann mit a vorhergesagt werden Modell für das nächste Nachbarn. Dieses Modell berücksichtigt nur die Wechselwirkungen zwischen einem Nukleotid und seinen nächsten Nachbarn am Nukleinsäurestrang, indem die freie Energie jedes der überlappenden Zwei-Nukleotid-Subwörter des Duplex summiert. Dies wird dann für Selbstkompetenzmonomere und für für korrigiert GC-Inhalt. Sobald die freie Energie bekannt ist, die Schmelztemperatur des Duplex können bestimmt werden. Allein mit GC-Inhalt kann auch verwendet werden, um die freie Energie und die Schmelztemperatur eines Nukleinsäuretuplex abzuschätzen. Dies ist weniger genau, aber auch viel weniger rechnerisch kostspielig.[5]

Software für die thermodynamische Modellierung von Nukleinsäuren umfasst enthalten Nupack,[6][7] mfold/unafry,[8] und Wien.[9]

Ein verwandter Ansatz, inverse Sekundärstrukturvorhersage, verwendet, verwendet stochastisch Lokale Suche, die eine Nukleinsäuresequenz durch Laufen a verbessert Strukturvorhersage Algorithmus und das Ändern der Sequenz, um unerwünschte Merkmale zu beseitigen.[5]

Geometrische Modelle

Ein geometrisches Modell von a DNA Tetraeder beschrieben in Goodman, 2005.[10] Modelle dieses Typs sind nützlich, um dies sicherzustellen Tertiärstruktur Einschränkungen verursachen nicht übermäßig Beanspruchung zum Molekül.

Geometrische Modelle von Nukleinsäuren werden verwendet, um vorherzusagen Tertiärstruktur. Dies ist wichtig, da entworfene Nukleinsäure -Komplexe normalerweise mehrere Übergangspunkte enthalten, was geometrische Einschränkungen für das System einführt. Diese Einschränkungen stammen aus der Grundlage Struktur von Nukleinsäurenhauptsächlich das die Doppelhelix gebildet durch Nukleinsäure -Duplexe hat eine feste Helizität von ca. 10,4 Basispaare pro Runde und ist relativ steif. Aufgrund dieser Einschränkungen reagieren die Nukleinsäurekomplexe empfindlich gegenüber der relativen Ausrichtung der Haupt- und Kleinrillen an Kreuzungspunkten. Geometrische Modellierung kann erkennen Beanspruchung Aus Fehlausrichtungen in der Struktur, die dann vom Designer korrigiert werden können.[4][11]

Geometrische Modelle von Nukleinsäuren für DNA -Nanotechnologie Verwenden Sie im Allgemeinen reduzierte Darstellungen der Nukleinsäure, da die Simulation jedes Atoms für so große Systeme sehr rechnerisch teuer wäre. Es wurde berichtet, dass Modelle mit drei Pseudo-Atomen pro Basispaar, die die beiden Rückgratzucker und die Helix-Achse darstellen, ein ausreichendes Detailniveau aufweisen, um experimentelle Ergebnisse vorherzusagen.[11] Es werden jedoch auch Modelle mit fünf Pseudo-Atomen pro Basenpaar, die explizit die Rückgratphosphate einschließlich der Rückgrat-Phosphate enthalten, verwendet.[12]

Software für die geometrische Modellierung von Nukleinsäuren umfasst umfassen Gideon,[11] Tiamat,[13] Nanoengineer-1, und Uniquimer 3d.[14] Geometrische Bedenken sind besonders von Interesse an der Gestaltung von DNA Origami, weil die Sequenz durch die Wahl des Gerüststrangs vorgegeben wird. Software speziell für DNA -Origami -Design wurde gemacht, einschließlich Cadnano[15] und Sarse.[16]

Anwendungen

Nukleinsäurendesign wird in verwendet DNA -Nanotechnologie Stränge zu entwerfen, die sich zu einer gewünschten Zielstruktur umgehen. Dazu gehören Beispiele wie z. DNA -Maschinen, periodische zwei- und dreidimensionale Gitter, Polyeder und DNA Origami.[2] Es kann auch verwendet werden, um Sätze von Nukleinsäuresträngen zu erzeugen, die "orthogonal" oder nicht miteinander übereinstimmen, um falsche Wechselwirkungen zu minimieren oder zu beseitigen. Dies ist nützlich in DNA Computingsowie für molekulare Barcodierungsanwendungen in Chemische Biologie und Biotechnologie.[5]

Siehe auch

Verweise

  1. ^ Mao, Chengde (Dezember 2004). "Die Entstehung der Komplexität: Lehren aus DNA". PLOS Biologie. 2 (12): 2036–2038. doi:10.1371/journal.pbio.0020431. ISSN 1544-9173. PMC 535573. PMID 15597116.
  2. ^ a b c d e f g Dirks, Robert M.; Lin, Milo; Winfree, Erik; Pierce, Niles A. (2004). "Paradigmen für Computernukleinsäuredesign". Nukleinsäurenforschung. 32 (4): 1392–1403. doi:10.1093/nar/gkh291. PMC 390280. PMID 14990744.
  3. ^ a b Seeman, N (1982). "Nukleinsäure -Übergänge und Gitter". Journal of Theoretical Biology. 99 (2): 237–47. Bibcode:1982jthbi..99..237s. doi:10.1016/0022-5193 (82) 90002-9. PMID 6188926.
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  6. ^ Dirks, Robert M.; Bois, Justin S.; Schaeffer, Joseph M.; Winfree, Erik; Pierce, Niles A. (2007). "Thermodynamische Analyse interagierender Nukleinsäurestränge". Siam Review. 49 (1): 65–88. Bibcode:2007Siamr..49 ... 65d. Citeseerx 10.1.1.523.4764. doi:10.1137/060651100.
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  11. ^ a b c Birac, Jeffrey J.; Sherman, William B.; Kopatsch, Jens; Konstantinou, Pamela E.; Seeman, Nadrian C. (2006). "Architektur mit Gideon, ein Programm für Design in der strukturellen DNA -Nanotechnologie". Journal of Molecular Graphics and Modeling. 25 (4): 470–80. doi:10.1016/j.jmgm.2006.03.005. PMC 3465968. PMID 16630733.
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  15. ^ Douglas, S. M.; Marblestone, A. H.; Teerapittayanon, S.; Vazquez, a.; Church, G. M.; Shih, W. M. (2009). "Schnelles Prototyping von 3D-DNA-Origami-Formen mit Cadnano". Nukleinsäurenforschung. 37 (15): 5001–6. doi:10.1093/nar/gkp436. PMC 2731887. PMID 19531737.
  16. ^ Andersen, Ebbe S.; Dong, Mingdong; Nielsen, Morten M.; Jahn, Kasper; Lind-Thomsen, Allan; Mamdouh, Wael; Gothelf, Kurt V.; Besenbacher, Flemming; Kjems, Jørgen (2008). "DNA-Origami-Design von delphinförmigen Strukturen mit flexiblen Schwänzen". ACS Nano. 2 (6): 1213–8. doi:10.1021/nn800215j. PMID 19206339.

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