DNAベースのタンパク質結合キャビティの多重最適化および濃縮のためのバーコード化されたDNA折り紙構造

Barcoded DNA origami structures for multiplexed optimization and enrichment of DNA-based protein-binding cavities.

• Ali Aghebat Rafat
• Sandra Sagredo
• Melissa Thalhammer
• Friedrich C Simmel

抄録

複数の結合パートナーによる分子の同時結合は、対応する分子複合体の見かけ上の解離定数を強力に減少させることが知られており、強力な非共有結合分子相互作用を実現するために使用することができる。この原理に基づき、これまでに、複数のアプタマーを近接して配置することで、タンパク質とDNAナノ構造体の効率的な結合が達成されている。ここでは、幾何学的配置や結合部位のナノ力学的特性などの設計パラメータを探索するためのアプローチを開発しました。この折り紙構造はバーコードでラベル付けされているため、多数の結合空洞を同一条件で並行して調査することができ、それらの結合収率の直接かつ信頼性の高い定量的な比較を容易にすることができます。結合形状と機械的特性が折り紙ベースの多価結合部位に劇的な影響を与え、リンカーの間隔と柔軟性を最適化することで、結合部位の有効な結合強度を大幅に向上させることができることを実証しました。

Simultaneous binding of molecules by multiple binding partners is known to strongly reduce the apparent dissociation constant of the corresponding molecular complexes, and can be used to achieve strong, non-covalent molecular interactions. Based on this principle, efficient binding of proteins to DNA nanostructures has been achieved previously by placing several aptamers in close proximity to each other onto DNA scaffolds. Here, we develop an approach for exploring design parameters, such as the geometric arrangement or the nanomechanical properties of the binding sites, that use two-dimensional DNA origami-based nanocavities that bear aptamers with known mechanical properties at defined distances and orientations. The origami structures are labelled with barcodes, which enables large numbers of binding cavities to be investigated in parallel and under identical conditions, and facilitates a direct and reliable quantitative comparison of their binding yields. We demonstrate that binding geometry and mechanical properties have a dramatic effect on origami-based multivalent binding sites, and that optimization of linker spacings and flexibilities can improve the effective binding strength of the sites substantially.