Computational procedure for structural analysis of DNA nanostructures using connectivity information between DNA bases

Abstract

DNA 나노기술 분야에서, DNA는 유전물질로 사용되기 보다는, 특정한 형상과 기능을 가지는 DNA 나노구조물을 제작하기 위한 공학적인 소재로 활용되고 있다. 구조화된 DNA 조립체는, DNA의 주요 특성인 염기상보성을 고려한 자기조립의 활용 및 DNA 가닥을 정렬하고 연결하는 편의성 때문에, 기본적으로 잘 정의된 3차원 격자 위에서 설계된다. 하지만, 이러한 설계 전략은 3차원의 DNA 나노구조물을 하나 또는 여러 개의 하위 구조로 임의로 분할한 다음, 이미 위치가 정해진 격자 위에 배열 및 연결하는 과정이 요구된다. 이 과정에서, 설계된 구조물 내부에는 염기 사이를 서로 연결하는 결합이 자연스럽지 않게 인장되거나, DNA 가닥의 잘못된 배열로 인해 DNA 구조모티프가 잘못 분류되기도 한다. 결과적으로, 격자 기반의 형상에서 시작하는 전산구조해석은 비수렴 또는 부적절한 최종 평형 형상을 예측하는 등 전산상의 어려움에 직면할 수 있다. 본 연구에서는, 염기 사이의 연결성을 이용하여 DNA 나노구조물을 설계하고, 최종 평형 형상을 정확하게 예측하기 위한 전산해석과정을 제시한다. 우선, 전원자 분자동역학 시뮬레이션을 이용한 염기서열에 따른 기하학적 및 역학적 특성 분석 및 이를 통해 DNA 나노구조물을 구성하는 DNA 구조모티프를 이해한다. 다음으로, 우리는 연결성 기반의 설계로부터, 해당 구조물을 구성하는 DNA 구조모티프의 대략적인 분류 및 구성요소를 3차원 공간에 잘 분배시킨 초기 형상을 설립한다. 설립된 초기 형상에 대해서 축소화된 브라우니안 동역학 모델링 및 시뮬레이션을 수행함으로써, DNA 구조모티프를 더욱 상세하게 분류한다. 마지막으로, 이렇게 잘 정의된 형상에 대해서, 각 구조모티프의 고유한 구조적 특성을 묘사하는 구조 요소와 음전하를 띤 DNA 가닥 사이의 정전기적 반발력을 묘사하는 정전기 요소를 통합하는 유한요소모델을 개발한다. 유한요소해석을 통해 다양한 형상의 DNA 나노구조물의 최종 평형 형상을 성공적으로 예측한다. 또한, 정상 모드 분석을 통해 DNA 나노구조물의 역학적 및 동적 특성을 분석한다. 우리는 본 연구에서 제안한 포괄적인 전산 과정이 구조화된 핵산 조립체의 설계-해석-검증 프로세스를 상당히 가속화 및 크게 향상시킬 것으로 기대한다.

DNA has been employed as an engineered material to construct DNA nanostructures with specific shapes and functions in the field of DNA nanotechnology, rather than solely serving as genetic material. Structured DNA assemblies have primarily been designed on a well defined three-dimensional lattice, utilizing self-assembly which relies on base complementarity, a major characteristic of DNA, for the convenience of aligning and connecting DNA helices. However, this design strategy involves the arbitrary division of a three-dimensional DNA nanostructure into one or several substructures, followed by arranging and connecting them on a prepositioned lattice. This design procedure can result in artificially stretched bonds connecting bases in the designed initial configuration or incorrect classification of DNA structural motifs due to misalignment of DNA strands. As a consequence, computational structural analysis starting from the lattice-based configuration may face computational difficulties such as nonconvergence or predicting an inappropriate final equilibrium shape. In this study, we present a computational procedure for designing a DNA nanostructure based on the connectivity between DNA bases and accurately predicting its final equilibrium shape. We begin by understanding DNA structural motifs through the examination of their sequence-dependent geometric and mechanical properties using all-atom molecular dynamics simulations. Next, we roughly classify the structural motifs and generate a distributed configuration (DSTBCONF) based on the connectivity between bases. We then perform coarse-grained Brownian dynamics modeling and simulation on the DSTBCONF to generate a defined configuration (DEFCONF) with a more detailed classification of structural motifs. Finally, we develop a finite element model that incorporates intrinsic structural properties corresponding to the base sequences of the detailedly classified structural motifs, as well as considers the electrostatic repulsion between negatively charged DNA helices. Through finite element analysis with the numerical procedure, we successfully predict the final equilibrium shapes of various-shaped DNA nanostructures. Additionally, we analyze the mechanical and dynamic properties through normal mode analysis. It is expected that this proposed comprehensive computational procedure will significantly expedite the design-analysis-validation process of structured nucleic acid assemblies.