Development and experimental validation of computational tools for DNA nanostructure design

Thumbnail Image

Files

master_Heikkilä_Elina_2025.pdf (98.99 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-07-22

Department

Major/Subject

Biomedical Engineering

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Life Science Technologies

Language

en

Pages

99

Series

Abstract

In the past few decades, the design of DNA nanostructures has progressed from a manual task to a largely automated process due to the development of computer-aided design software. Concurrently, simulation software has been developed for the evaluation and iterative refinement of design accuracy in silico. However, some design tasks, such as high-accuracy design of continuously curved structures with large curvatures, remain challenging even with the help of modern software. In this thesis, a literature review of currently available software for DNA nanostructure design is followed by an experimental section, where a helical DNA nanostructure is designed with two different software, namely AutoMod and MagicDNA. Simulation software are used to predict the equilibrium conformation for both designs. The two structures are synthesized and subsequently characterized with transmission electron microscopy (TEM) and cryogenic transmission electron microscopy (cryoTEM). The equilibrium conformation of the structure designed with AutoMod is partially resolved by creating a single particle reconstruction from cryoTEM data. As a result, the lack of established design methods that utilize the mechanical properties of DNA helices is identified as the most significant factor limiting design accuracy. A novel method for high-accuracy design of structures with large curvatures is proposed, implemented, and shown to result in state-of-the-art design accuracy, according to oxDNA simulation results. In addition, the outputs of two simulation software for predicting the equilibrium conformation of a DNA nanostructure, oxDNA and CanDo, are quantitatively compared against experimental results. Consequently, oxDNA simulation outputs are found to be in the best agreement with experimental data from the structure designed with AutoMod.

DNA nanorakenteiden suunnittelu on viime vuosikymmenten aikana muuttunut käsin suoritettavasta tehtävästä pitkälti automatisoiduksi prosessiksi. Tämän ovat mahdollistaneet tietokoneavusteiseen suunnitteluun kehitetyt ohjelmistot. Myös rakenteiden ominaisuuksien arviointi ja iteratiivinen kehittäminen voidaan nykyään suorittaa in silico simulaatio-ohjelmistojen avulla. Ohjelmistoista huolimatta tiettyjen rakenteellisten ominaisuuksien, kuten jatkuvan, voimakkaan kaarevuuden, suunnittelu on säilynyt haasteellisena. Diplomityö koostuu kirjallisuuskatsauksesta, jossa kartoitetaan DNA nanorakenteiden suunnitteluun saatavilla olevien ohjelmistojen nykytilaa, ja kokellisesta osuudesta, jossa kaksi helikaalista DNA nanorakennetta suunnitellaan eri ohjelmistoilla. Nämä ohjelmistot ovat nimeltään AutoMod ja MagicDNA. Molempien rakenteiden tasapainokonformaatiot ennustetaan simulaatio-ohjelmistoilla. Valmistamisen jälkeen rakenteet kuvataan läpivalaisuelektronimikroskoopilla kryogeenista näytteenvalmistusmenetelmää hyödyntäen. AutoMod-ohjelmistolla suunnitellun rakenteen tasapainokonformaatio ratkaistaan osittain luomalla yksittäispartikkelirekonstruktio kryogeenisista näytteistä kerätyn datan avulla. Kokeellisten ja simuloitujen tulosten pohjalta havaitaan, että suunnitteluvaiheessa tehtävien laskelmien puuttellisuus on suurin rakenteiden tasapainokonformaatioiden suunnittelutarkkuutta rajoittava tekijä. Tämän vuoksi ehdotetaan uutta suunnittelumenetelmää, jossa DNA heliksien mekaaniset ominaisuudet huomioidaan entistä täsmällisemmin, erityisesti kaarevien rakenteiden suunnitellussa. Simulaatiotulosten pohjalta esitetään tämän uuden menetelmän johtavan entistä huomattavasti parempaan suunnittelutarkkuuteen. Lisäksi simulaatio-ohjelmistojen tarkkuutta arvioidaan vertaamaalla kokeellisia tuloksia simulaatiotuloksiin. Vertailu oxDNA- ja CanDo-simulaatiomallien välillä näyttää oxDNA-simulaatiomallin tuottavan parhaiten kokeellisten tulosten kanssa yhteensopivan ennusteen AutoMod-ohjelmistolla suunnitellun rakenteen tasapainokonformaatiosta.

Description

Supervisor

Kuzyk, Anton

Keywords

structural DNA nanotechnology, DNA origami, computer-aided design, cryogenic transmission electron microscopy, transmission electron microscopy, single particle analysis

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202508186269

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI