Understanding the Elementary Steps in DNA Tile-Based Self-Assembly

瓦片 DNA 材料科学 生物系统 动能 计算机科学 物理 生物 遗传学 量子力学 复合材料
作者
Shuoxing Jiang,Hong Fan,Huiyu Hu,Hao Yan,Yan Liu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:11 (9): 9370-9381 被引量:21
标识
DOI:10.1021/acsnano.7b04845
摘要

Although many models have been developed to guide the design and implementation of DNA tile-based self-assembly systems with increasing complexity, the fundamental assumptions of the models have not been thoroughly tested. To expand the quantitative understanding of DNA tile-based self-assembly and to test the fundamental assumptions of self-assembly models, we investigated DNA tile attachment to preformed "multi-tile" arrays in real time and obtained the thermodynamic and kinetic parameters of single tile attachment in various sticky end association scenarios. With more sticky ends, tile attachment becomes more thermostable with an approximately linear decrease in the free energy change (more negative). The total binding free energy of sticky ends is partially compromised by a sequence-independent energy penalty when tile attachment forms a constrained configuration: "loop". The minimal loop is a 2 × 2 tetramer (Loop4). The energy penalty of loops of 4, 6, and 8 tiles was analyzed with the independent loop model assuming no interloop tension, which is generalizable to arbitrary tile configurations. More sticky ends also contribute to a faster on-rate under isothermal conditions when nucleation is the rate-limiting step. Incorrect sticky end contributes to neither the thermostability nor the kinetics. The thermodynamic and kinetic parameters of DNA tile attachment elucidated here will contribute to the future improvement and optimization of tile assembly modeling, precise control of experimental conditions, and structural design for error-free self-assembly.
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