Enzyme-Free Exponential Amplification via Growth and Scission of Crisscross Ribbons from Single-Stranded DNA Components

化学 丝带 DNA 聚合 自组装 成核 生物系统 DNA折纸 拓扑(电路) 纳米技术 化学物理 聚合物 材料科学 生物化学 数学 有机化学 组合数学 复合材料 生物
作者
Anastasia Ershova,Dionis Minev,F. Eduardo Corea-Dilbert,Devon Yu,Jie Deng,Walter Fontana,William M. Shih
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (1): 218-227 被引量:3
标识
DOI:10.1021/jacs.3c08205
摘要

The self-assembly of DNA-based monomers into higher-order structures has significant potential for realizing various biomimetic behaviors including algorithmic assembly, ultrasensitive detection, and self-replication. For these behaviors, it is desirable to implement high energetic barriers to undesired spurious nucleation, where such barriers can be bypassed via seed-initiated assembly. Joint-neighbor capture is a mechanism enabling the construction of such barriers while allowing for algorithmic behaviors, such as bit-copying. Cycles of polymerization with division could accordingly be used for implementing exponential growth in self-replicating materials. Previously, we demonstrated crisscross polymerization, a strategy that attains robust seed-dependent self-assembly of single-stranded DNA and DNA-origami monomers via joint-neighbor capture. Here, we expand the crisscross assembly to achieve autonomous, isothermal exponential amplification of ribbons through their concurrent growth and scission via toehold-mediated strand displacement. We demonstrate how this crisscross chain reaction, or 3CR, can be used as a detection strategy through coupling to single- and double-stranded nucleic acid targets and introduce a rule-based stochastic modeling approach for simulating molecular self-assembly behaviors such as crisscross-ribbon scission.
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