Inspired by recent successes using single-stranded DNA tiles to produce complex structures, we develop a two-step coarse-graining approach that uses detailed thermodynamic calculations with oxDNA, a nucleotide-based model of DNA, to parametrize a coarser kinetic model that can reach the time and length scales needed to study the assembly mechanisms of these structures. We test the model by performing a detailed study of the assembly pathways for a two-dimensional target structure made up of 334 unique strands each of which are 42 nucleotides long. Without adjustable parameters, the model reproduces a critical temperature for the formation of the assembly that is close to the temperature at which assembly first occurs in experiments. Furthermore, the model allows us to investigate in detail the nucleation barriers and the distribution of critical nucleus shapes for the assembly of a single target structure. The assembly intermediates are compact and highly connected (although not maximally so), and classical nucleation theory provides a good fit to the height and shape of the nucleation barrier at temperatures close to where assembly first occurs.

1.
L.
Cademartiri
and
K. J. M.
Bishop
,
Nat. Mater.
14
,
2
(
2014
).
2.
D.
Frenkel
,
Nat. Mater.
14
,
9
(
2014
).
3.
W. M.
Jacobs
and
D.
Frenkel
,
J. Am. Chem. Soc.
138
,
2457
(
2016
).
4.
W.
Wang
,
T.
Lin
,
S.
Zhang
,
T.
Bai
,
Y.
Mi
, and
B.
Wei
,
Nucleic Acids Res.
44
,
7989
(
2016
).
5.
P. W. K.
Rothemund
,
Nature
440
,
297
(
2006
).
6.
B.
Wei
,
M.
Dai
, and
P.
Yin
,
Nature
485
,
623
(
2012
).
7.
P.
Wang
,
T. A.
Meyer
,
V.
Pan
,
P. K.
Dutta
, and
Y.
Ke
,
Chem
2
,
359
(
2017
).
8.
Y.
Ke
,
L. L.
Ong
,
W. M.
Shih
, and
P.
Yin
,
Science
338
,
1177
(
2012
).
9.
Y.
Ke
,
L. L.
Ong
,
W.
Sun
,
J.
Song
,
M.
Dong
,
W. M.
Shih
, and
P.
Yin
,
Nat. Chem.
6
,
994
(
2014
).
10.
M. B.
Scheible
,
L. L.
Ong
,
J. B.
Woehrstein
,
R.
Jungmann
,
P.
Yin
, and
F. C.
Simmel
,
Small
11
,
5200
(
2015
).
11.
P.
Yin
,
R. F.
Hariadi
,
S.
Sahu
,
H. M. T.
Choi
,
S. H.
Park
,
T. H.
LaBean
, and
J. H.
Reif
,
Science
321
,
824
(
2008
).
12.
C.
Myhrvold
,
M.
Dai
,
P. A.
Silver
, and
P.
Yin
,
Nano Lett.
13
,
4242
(
2013
).
13.
B.
Wei
,
M.
Dai
,
C.
Myhrvold
,
Y.
Ke
,
R.
Jungmann
, and
P.
Yin
,
J. Am. Chem. Soc.
135
,
18080
(
2013
).
14.
B.
Wei
,
L. L.
Ong
,
J.
Chen
,
A. S.
Jaffe
, and
P.
Yin
,
Angew. Chem., Int. Ed.
126
,
7605
(
2014
).
15.
L. L.
Ong
,
N.
Hanikel
,
O. K.
Yaghi
,
C.
Grun
,
M. T.
Strauss
,
P.
Bron
,
J.
Lai-Kee-Him
,
F.
Schueder
,
B.
Wang
,
P.
Wang
,
J. Y.
Kishi
,
C.
Myhrvold
,
A.
Zhu
,
R.
Jungmann
,
G.
Bellot
,
Y.
Ke
, and
P.
Yin
,
Nature
552
,
72
(
2017
).
16.
K. N.
Parent
,
S. M.
Doyle
,
E.
Anderson
, and
C. M.
Teschke
,
Virology
340
,
33
(
2005
).
17.
A. W.
Wilber
,
J. P. K.
Doye
,
A. A.
Louis
, and
A. C. F.
Lewis
,
J. Chem. Phys.
131
,
175102
(
2009
).
18.
19.
J. D.
Perlmutter
and
M. F.
Hagan
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
66
,
217
(
2015
).
20.
A.
Reinhardt
and
D.
Frenkel
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
238103
(
2014
).
21.
A.
Reinhardt
,
C. P.
Ho
, and
D.
Frenkel
,
Faraday Discuss.
186
,
215
(
2016
).
22.
A.
Reinhardt
and
D.
Frenkel
,
Soft Matter
12
,
6253
(
2016
).
23.
W. M.
Jacobs
,
A.
Reinhardt
, and
D.
Frenkel
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
112
,
6313
(
2015
).
24.
W. M.
Jacobs
,
A.
Reinhardt
, and
D.
Frenkel
,
J. Chem. Phys.
142
,
021101
(
2015
).
25.
W. M.
Jacobs
and
D.
Frenkel
,
Soft Matter
11
,
8930
(
2015
).
26.
A.
Murugan
,
J.
Zou
, and
M. P.
Brenner
,
Nat. Commun.
6
,
6203
(
2015
).
27.
B. E. K.
Snodin
,
F.
Randisi
,
M.
Mosayebi
,
P.
Šulc
,
J. S.
Schreck
,
F.
Romano
,
T. E.
Ouldridge
,
R.
Tsukanov
,
E.
Nir
,
A. A.
Louis
, and
J. P. K.
Doye
,
J. Chem. Phys.
142
,
234901
(
2015
).
28.
T. E.
Ouldridge
,
A. A.
Louis
, and
J. P. K.
Doye
,
J. Chem. Phys.
134
,
085101
(
2011
).
29.
J. P. K.
Doye
,
T. E.
Ouldridge
,
A. A.
Louis
,
F.
Romano
,
P.
Sulc
,
C.
Matek
,
B. E. K.
Snodin
,
L.
Rovigatti
,
J. S.
Schreck
,
R. M.
Harrison
, and
W. P. J.
Smith
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
20395
(
2013
).
30.
T. E.
Ouldridge
,
A. A.
Louis
, and
J. P. K.
Doye
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
178101
(
2010
).
31.
T. E.
Ouldridge
,
R. L.
Hoare
,
A. A.
Louis
,
J. P. K.
Doye
,
J.
Bath
, and
A. J.
Turberfield
,
ACS Nano
7
,
2479
(
2013
).
32.
P.
Šulc
,
T. E.
Ouldridge
,
F.
Romano
,
J. P. K.
Doye
, and
A. A.
Louis
,
Nat. Comput.
13
,
535
(
2014
).
33.
N.
Srinivas
,
T. E.
Ouldridge
,
P.
Šulc
,
J. M.
Schaeffer
,
B.
Yurke
,
A. A.
Louis
,
J. P. K.
Doye
, and
E.
Winfree
,
Nucleic Acids Res.
41
,
10641
(
2013
).
34.
R. R. F.
Machinek
,
T. E.
Ouldridge
,
N. E. C.
Haley
,
J.
Bath
, and
A. J.
Turberfield
,
Nat. Commun.
5
,
5324
(
2014
).
35.
F.
Romano
,
D.
Chakraborty
,
J. P. K.
Doye
,
T. E.
Ouldridge
, and
A. A.
Louis
,
J. Chem. Phys.
138
,
085101
(
2013
).
36.
T. E.
Ouldridge
,
P.
Šulc
,
F.
Romano
,
J. P. K.
Doye
, and
A. A.
Louis
,
Nucleic Acids Res.
41
,
8886
(
2013
).
37.
J. S.
Schreck
,
T. E.
Ouldridge
,
F.
Romano
,
P.
Šulc
,
L. P.
Shaw
,
A. A.
Louis
, and
J. P. K.
Doye
,
Nucleic Acids Res.
43
,
6181
(
2015
).
38.
B. E. K.
Snodin
,
F.
Romano
,
L.
Rovigatti
,
T. E.
Ouldridge
,
A. A.
Louis
, and
J. P. K.
Doye
,
ACS Nano
10
,
1724
(
2016
).
39.
J.-P. J.
Sobczak
,
T. G.
Martin
,
T.
Gerling
, and
H.
Dietz
,
Science
338
,
1458
(
2012
).
40.
J.
SantaLucia
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
95
,
1460
(
1998
).
41.
K. E.
Dunn
,
F.
Dannenberg
,
T. E.
Ouldridge
,
M.
Kwiatkowska
,
A. J.
Turberfield
, and
J.
Bath
,
Nature
525
,
82
(
2015
).
42.
F.
Dannenberg
,
K. E.
Dunn
,
J.
Bath
,
M.
Kwiatkowska
,
A. J.
Turberfield
, and
T. E.
Ouldridge
,
J. Chem. Phys.
143
,
165102
(
2015
).
43.
D. Y.
Zhang
and
E.
Winfree
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
17303
(
2009
).
44.
J. X.
Zhang
,
J. Z.
Fang
,
W.
Duan
,
L.
Wu
,
A.
Zhang
,
N.
Dalchau
,
B.
Yordanov
,
R.
Petersen
,
A.
Phillips
, and
D.
Zhang
,
Nat. Chem.
10
,
91
(
2017
).
45.
L. E.
Morrison
and
L. M.
Stols
,
Biochemistry
32
,
3095
(
1993
).
46.
C.
Chen
,
W.
Wang
,
Z.
Wang
,
F.
Wei
, and
X. S.
Zhao
,
Nucleic Acids Res.
35
,
2875
(
2007
).
47.
M.
Mosayebi
,
F.
Romano
,
T. E.
Ouldridge
,
A. A.
Louis
, and
J. P. K.
Doye
,
J. Phys. Chem. B
118
,
14326
(
2014
).
48.
V.
Kočar
,
J. S.
Schreck
,
S.
Čeru
,
H.
Gradišar
,
N.
Bašić
,
T.
Pisanski
,
J. P. K.
Doye
, and
R.
Jerala
,
Nat. Commun.
7
,
10803
(
2016
).
49.
P.
Šulc
,
F.
Romano
,
T. E.
Ouldridge
,
L.
Rovigatti
,
J. P. K.
Doye
, and
A. A.
Louis
,
J. Chem. Phys.
137
,
135101
(
2012
).
50.
S.
Hormoz
and
M. P.
Brenner
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
108
,
5193
(
2011
).
51.
S.
Whitelam
,
E. H.
Feng
,
M. F.
Hagan
, and
P. L.
Geissler
,
Soft Matter
5
,
1251
(
2009
).
52.
G. M.
Torrie
and
J. P.
Valleau
,
J. Comput. Phys.
23
,
187
(
1977
).
53.
S.
Kumar
,
D.
Bouzida
,
R. H.
Swendsen
,
P. A.
Kollman
, and
J. M.
Rosenberg
,
J. Comput. Chem.
13
,
1011
(
1992
).
54.
T. E.
Ouldridge
,
A. A.
Louis
, and
J. P. K.
Doye
,
J. Phys.: Condens. Matter
22
,
104102
(
2010
).
55.
D. T.
Gillespie
,
J. Phys. Chem.
81
,
2340
(
1977
).
56.
A. A.
Louis
,
Stud. Hist. Philos. Biol. Biomed. Sci.
58
,
107
(
2016
).
57.
D. P.
Kharakoz
and
E. A.
Shlyapnikova
,
J. Phys. Chem. B
104
,
10368
(
2000
).
58.
C. D.
Blanchette
,
W.-C.
Lin
,
C. A.
Orme
,
T. V.
Ratto
, and
M. L.
Longo
,
Biophys. J.
94
,
2691
(
2008
).
59.
S. J.
Marrink
,
J.
Risselada
, and
A. E.
Mark
,
Chem. Phys. Lipids
135
,
223
(
2005
).
60.
E.
Winfree
,
F.
Liu
,
L. A.
Wenzler
, and
N. C.
Seeman
,
Nature
394
,
539
(
1998
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.