Mechanical stress engineering for the shape design of DNA origami structures

Abstract

In this thesis, we describe two design strategies that engineer mechanical stress to program static or dynamic conformations of the DNA origami structure. DNA origami nanotechnology facilitated the self-assembly of DNA strands into any conceivable shape encoded by their rationally designed sequences. Mechanics-based design approaches have played an important role in improving the structural diversity of the DNA origami structures. Due to low twist controllability and limited reconfiguration mode, however, they have still limitations in achievable diversity or complexity in structural shapes and their reconfigurations and their applications. To this end, first, we developed a design strategy for fine control of twisted DNA origami structures by considering not only amount of geometrical perturbations but also their arrangements within the structures. With the configurational design of geometrical perturbations, we can program various distributions of the mechanical stress enabling a fine control over twist rate of DNA origami structures. Second, we developed a design strategy that transforms a two-dimensional structure into three-dimensional supercoiled one on demand. We employed the topological invariant property to convert a simple twist deformation into complex bending one leading to supercoiling of the DNA origami structure. We expect that our mechanical stress programming strategies can be utilized to design DNA origami structures with desired shapes or reconfiguration motions and enhance the performance of functional structures.

본 학위논문은 목표하는 정적 및 동적 형상을 지닌 DNA 오리가미 구조 제작을 위한 기계적 응력 조절 기술에 기반한 설계방법을 제시한다. DNA 오리가미 나노기술은 DNA 가닥들의 자가조립 과정을 통해 기존에 제작이 어려웠던 다양한 형상의 나노구조물을 손쉽게 만들 수 만들 수 있다. 이를 활용해 목표 형상의 나노구조물을 만들기 위해 다양한 설계 방법들이 제시되어 왔다. 이중 역학적 원리에 기반한 설계 방법은 구조 내부에 의도적으로 기계적 스트레스를 발생시켜 구조의 비틀림, 굽힘 등을 정량적으로 조절할 수 있게 만들어, 제작 가능한 형상의 범주를 넓히는데 크게 기여하였다. 하지만 기존 방법들은 세밀한 비틀림 형상 제어가 어렵다는 점 그리고 제한된 종류의 형상변화만이 가능하다는 문제점으로 인해 목표 형상을 지닌 정적 혹은 동적 구조의 제작 및 이러한 구조들의 활용에 어려움이 존재한다. 이에 해결책으로써 본 연구는 다음과 같은 기계적 응력 조절 기술들을 제시한다. 첫째, 구조 내 기하학적 섭동의 분포 설계 통해 DNA 오리가미 구조물의 세밀한 비틀림 형상 조절을 위한 설계 방법을 제시한다. 이를 이용한 구조 내 변형 에너지의 조절을 통해, 미세한 비틀림 형상 조절이 가능해진다. 둘째, 단순한 2차원 구조물을 복잡한 3차원 형상의 구조물로 변환시키는 형상 변환 메커니즘을 제안한다. 양끝이 이어진 닫힌 구조가 지닌 위상학적 불변성을 이용해, 국부적 비틀림을 전역적 굽힘 변형으로 변환시킴으로써, DNA 오리가미 구조의 슈퍼코일링 현상을 제시한다. 이러한 기계적 응력 조절 기술들은 원하는 형상 및 변화 움직임을 지닌 DNA 나노구조물의 설계에 활용되어 기능성 나노구조물들의 성능을 향상시키는데 기여할 것이라고 기대된다.