Algorithmic design of RNA polyhedra

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2018-10-08
Department
Major/Subject
Machine Learning, Data Science and Artificial Intelligence
Mcode
SCI3044
Degree programme
Master’s Programme in Computer, Communication and Information Sciences
Language
en
Pages
56
Series
Abstract
The field of bottom-up nanotechnology has been the subject of much research in the recent years. Most of that research has focused on creating nano-scale shapes and structures using multiple strands. DNA origamis and various tile-based schemes are perhaps the most famous examples. No such robust design schemes exist for the design of single stranded RNA structures, however, despite their potential to offer a cheap and sound approach to nanomanufacturing. In this thesis, we study the problem of designing single-stranded RNA polyhedral wireframes, i.e., such RNA strands that fold into the wireframe of a given polyhedron. We introduce a kissing-loop based design scheme, which routes an RNA strand around a spanning tree of a polyhedron, and we show how to do the routing on arbitrary polyhedra while avoiding knots. We also introduce a design tool, Sterna, which is based on these principles. It allows the user to convert a 3D model of a polyhedron into an RNA secondary and tertiary structures, which can be further developed into a primary structure with the additional scripts we have provided. Finally, we design three RNA polyhedra, which are synthesized and imaged in a project related to this master's thesis. The resulting images lend credence to the soundness of Sterna and the underlying design process.

Yksi koostavan (engl. bottom-up) nanoteknologian keskeisiä tutkimusalueita viime vuosina on ollut DNA-nanoteknologia, so. nanokokoisten kappaleiden ja rakennelmien tuottaminen biopolymeereistä. Niinsanotut DNA-origamit ja -laatoitukset ovat tämän lähestymistavan tunnetuimpia esimerkkejä. Vastaavaa yleistä menetelmää ei toistaiseksi ole ollut nanorakenteiden tuottamiseen yksisäikeisistä RNA-polymeereistä, vaikka nämä periaatteessa tarjoaisivat edullisen ja skaalautuvan lähtökohdan nanovalmistukselle. Tässä diplomityössä tarkastelemme 3D-monitahokkaiden rautalankamallien laskostamista yksisäikeisistä RNA-polymeereistä. Kehitämme automatisoidun suunnitteluprosessin, joka tuottaa syötteenä annettua monitahokasta vastaavaan muotoon laskostuvan RNA-emästen jonon. Käyttämämme menetelmä perustuu RNA-säikeen reitittämiseen monitahokkaan virittävän puun ympäri ja rakenteen sulkemiseen ns. silmukkapareilla (engl. kissing loop motif). Esitämme myös, miten mielivaltaisen monitahokkaan virittävä puu on mahdollista reitittää tuottamatta topologisia solmuja, jotka estäisivät vastaavan RNA-polymeerin laskostumisen. Toteuttamamme Sterna-suunnitteluohjelman avulla käyttäjä voi tuottaa mistä tahansa 3D-monitahokasmallista sen muotoon laskostuvan RNA-jonon sekundääri- ja tertiäärirakennekuvaukset. Tarjoamme myös ohjelman, jonka avulla nämä voidaan edelleen täydentää emästiedoilla biosynteesiä varten tarvittavaksi RNA-primäärirakenteeksi. Käyttöesimerkkeinä suunnittelemme kolme RNA-monitahokasta, jotka on syntetisoitu ja kuvannettu tämän diplomityön kumppanihankkeissa. Saadut tulokset todentavat suunnittelumenetelmämme ja siihen pohjautuvan Sterna-työkalun oikeellisuutta.
Description
Supervisor
Orponen, Pekka
Thesis advisor
Mohammed, Abdulmelik
Keywords
RNA, nanotechnology, design, polyhedra, wireframe, sterna
Other note
Citation