DNS als FunktionsPolymer

Durch Professor Juewen Liu

Professor Juewen Liu, Assistenzprofessor, Abteilung von Chemie, Universität von Waterloo, 200 HochschulAllee, Waterloo, Ontario, Kanada
Entsprechender Autor: liujw@uwaterloo.ca

Vor Sechzig Jahren, wurde die berühmte Zelle des DNS-Doppelhelixes gelöst und holte über die Geburt der modernen Molekularbiologie. Seit damals ist DNS weitgehend als Genmaterial studiert worden. In den siebziger Jahren wurde festphasige DNS-Synthese erfunden und ließ ein willkürliche Oligonucleotidereihenfolgen erhalten. Im Jahre 1986 erlaubte die Erfindung (PCR) der Polymerase-Kettenreaktion, dass eine unbegrenzte Anzahl von DNS-Exemplaren von sogar einem einzelnen Molekül verstärkt wird. Es ist diese zwei Techniken, die es möglich, neue Funktionen von DNS zu erforschen gemacht haben.

DNS hat in hohem Grade programmierbare Zellen, die konstruiert werden können basierten auf einer einfachen falschen Paarungsregel. Zum Beispiel hat ein Bereich, der strukturelle DNS-Nanotechnologie genannt wird, die schnellen Entwicklungen erfahren, gezeigt in vielen erschienenen hoch entwickelten 2D und den nanostructures 3D. [1] Nach diesen Zellen sind verschiedene nanoparticles abgegeben worden, um andere Funktionen anzubieten. Eine Andere interessante Förderung war die Entdeckung von DNS als Katalysator (katalytische DNS) und für molekulare Anerkennung (aptamer) und machte DNS einen Funktionsersatz für Proteine. Verglichen mit Proteinen, ist DNS viel stabiler, einfacher, die Site-spezifische Kennzeichnung durchzuführen, und einfacher für Konjugation zu den verschiedenen Materialien und popularisiert DNS als das Molekül der Wahl, wenn man Funktionsnano-- und Biosubstanzen konstruiert.

Nanomaterials

Nanomaterials sind attraktiv, weil sie eindeutige Größe und Abstand-abhängige physikalische Eigenschaften besitzen. Während Teilchengröße gut esteuerte durchgehende chemische Synthese sein kann, blieben die Regelung von Interpartikel Abstand mit Präzision Unternm und die Einteilung von verschiedenen Baumustern von Partikeln schwierig. DNS stellt eine eindeutige Lösung zum Lösen dieser Probleme zur Verfügung. Andererseits erlaubt das molekulare Anerkennungseigentum von DNS- und DNS-aptamers, dass diese Nanomaterials für die biosensing und biomedizinischen Anwendungen verwendet werden. [2,3] Mein Labor ist interessiert, an, die biophysikalische Schnittstelle zwischen DNS und verschiedenen Nanomaterials zu erforschen, um die Auslegung von besseren Biosensors, von Biosubstanzen und von Medikamentenverabreichungsanlagen zu führen.

Grundlegende Bedingung

Innerhalb einer hartnäckigen Länge von ~50 nm, kann doppelsträngige DNS als ein steifes Gestänge mit einem Durchmesser von gerade 2 nm angesehen werden. Jedes zusätzliche falsche Paar trägt zu einer Längenzunahme von 0,34 nm bei. Deshalb kann Regelung Unternm des Abstandes unter Verwendung DNS erzielt werden. Mit der Verfügbarkeit einer verschiedenen Reichweite der Anhangchemie, kann DNS mit fast allen bekannten Nanomaterials verbunden werden. Wir sind interessiert, an, die Abstand-abhängigen Eigenschaften von verschiedenen Nanomaterials, einschließlich Gold-nanoparticles, Liposome, magnetische nanoparticles, Quantumspunkte und graphene unter Verwendung DNS zu studieren als Verknüpfungsprogramm. Zum Beispiel zeigt Abbildung 1A die Montage von Gold-DNS-functionalized nanoparticles unter Verwendung eines Verknüpfungsprogramms DNS mit einer nachfolgenden Farbänderung von Rotem zum Purpur. [4] Die gleiche Idee kann an der Montage von weichen Liposom nanoparticles (Abbildung 1B), [5] sowie an Goldliposom Kreuzung angewendet werden (Abbildung 1C). [6] Der Interpartikel Abstand kann genau gesteuert werden, indem man die DNA-Sequenz ändert. Das Studieren dieser Anlagen kann Einblicke in die DNS-Oberfläche Interaktion sowie in die Kupplung von körperlichen Ereignissen unter den Partikeln zur Verfügung stellen.

Abbildung 1. Diagramme der DNS-verwiesenen Montage von Gold-nanoparticles (a), von Liposomen (b) und von ihren Kreuzungen (c).
(d) Ein Mikrograph des Vertreters TEM der Zelle gezeigt in (c).

Umweltüberwachung

Über einem einfachen strukturellen Molekül hinaus kann DNS eine große Auswahl von Ionen, von Molekülen und von sogar Zellen mit hoher Besonderheit erkennen. Im Falle des Entdeckens des in hohem Grade giftigen Quecksilbers, wird ein Thymine reiche DNS verwendet. Wie in Abbildung 2 gezeigt, kann sich diese DNS in eine Haarnadel nach Quecksilberschwergängigkeit falten, in der Zusatz DNS-Schwergängigkeit eine Farbe SYBR-Grün I (SG) aufrief, eine grüne Fluoreszenz wird erreicht. Das Stillstellen des Quecksilbers, das DNS zu einem Hydrogel entdeckt, hat einige Vorteile. Das Gel erlaubt Fühlerabdampfen und -regeneration. Wichtiger, kann das Gel das Quecksilber aktiv adsorbieren und seine Konzentration innerhalb des Gels erhöhen. Über Immobilisierung haben wir einen sehr selektiven und empfindlichen Befund des Quecksilbers ohne den Gebrauch jedes analytischen Instrumentes erzielt. [7,8]

Abbildung 2. Ein DNS-basierter Biosensor stillgestellt auf einem Hydrogel für Quecksilberbefund wo
SG wird nach dem Binden zur doppelsträngigen Region in der DNS in hohem Grade Leuchtstoff.

Biomedizinische Diagnose

Abgesehen von der Anerkennung von Schwermetallionen, können aptamers ausgewählt werden, um andere Moleküle wie Proteine und Stoffwechselprodukte zu binden. Dieses aptamer Auswahlverfahren beginnt mit einer riesigen Bibliothek von gelegentlichen DNS-Molekülen, in der nur die Reihenfolgen, die das Stoffwechselprodukt binden, beibehalten werden. In Abbildung 3, wird die Reihenfolge, die an ATP binden kann, gezeigt. [9] Während dieses aptamer ATP im reinen Buffer effektiv entdecken kann, wird seine Leistung stark durch das Vorhandensein des Blutserums behindert. Für Blutproben ist es wichtig, Befund in einer sehr kleinen Probenmenge zu erzielen. Wir fanden, dass, indem man den aptamer-basierten Fühler auf ein magnetisches Mikroteilchen befestigt (MMP), es möglich ist, Befund in gerade 10 ml des Serums des menschlichen Bluts zu erzielen. Wegen des MMP könnten uns wir den verbindlichen Schritt ATPS vom Fluoreszenzsignalbefundschritt trennen und uns erlauben, den Effekt des Blutserums zu verdünnen. [10]

Abbildung 3. Reihenfolge des verbindlichen aptamer ATPS und seiner Immobilisierung ein
ein MMP, effektiven ATP-Befund im Serum des menschlichen Bluts erlaubend.

Medikamentenverabreichungsanwendungen

Die gleiche DNS-Auswahlmethode kann auch angewendet werden, um Krebszellen anzuvisieren. [11] Viele DNS-aptamers sind bereits getrennt worden, um viele verschiedenen Tumorzellformen anzuvisieren. Zum Beispiel hat eine reiche Reihenfolge des Guanins klinische Studien eingetragen. Nanomaterials für Drogenladen und -darstellung Nutzend, können Biosubstanzen DNS-functionalized, erlauben, dass hoch entwickelte Funktionen einschließlich gerichtete Lieferung und Diagnose verwirklicht werden.

Zusammenfassend ist DNS ein sehr vielseitiges Molekül mit den strukturellen und Funktionseigenschaften. ZusammenschaltungsDNS mit verschiedenem Nano-- und Biosubstanzen kann die Leistung dieser DNS-Moleküle in den verschiedenen Anwendungen beträchtlich verbessern. Gleichzeitig erlaubt das strukturelle Eigentum von DNS genaue Montage von Nanomaterials mit hoher Präzision und erlaubt grundlegende biophysikalische Bedingung, die die weitere Entwicklung von verschiedenen Anwendungen tanken kann.

Bezug

  1. Seeman NC. DNS in einer materiellen Welt. Natur 2003; 421: 427-31.
  2. Storhoff JJ, Programmierte Material-Synthese Mirkin CA mit DNS. Chem. Rev. 1999; 99: 1849-62.
  3. Liu J, Cao Z, Nukleinsäure-Fühler Lu Y. Functional. Chem. Rev. 2009; 109: 1948-98.
  4. Smith BD, Liu J. Assembly von DNS-Functionalized Nanoparticles in den Alkoholischen Lösungsmitteln Deckt Gegenüber Von den Thermodynamischen und Kinetischen Tendenzen für DNS-Hybridation auf. J. Morgens. Chem. Soc. 2010; 132: 6300-1.
  5. Dave N, Liu J. Programmable Assembly von Liposomen DNS-Functionalized durch DNS. Acs Nano--2011; 5: 1304-12.
  6. Dave N, Liu J. Protection und Förderung der Strahlungsinduzierten Liposom-UVleckage über DNS-Verwiesene Einheit mit Gold Nanoparticles. Adv. Mater. 2011; in der Druckerei.
  7. Dave N, Huang P-JJ, MEIN Chan, Smith BD, Hydrogele Lius J. Regenerable DNS-Functionalized für Ultrasensitive, Instrument-Freies Mercury (II) Befund und Ausbau in Wasser. J. Morgens. Chem. Soc. 2010; 132: 12668-73.
  8. Joseph-KA, Dave N, SichtFluoreszenz-Antwort Lius J. Electrostatically Directed von Monolithischen Hydrogelen DNS-Functionalized für Sehr Empfindlichen Hg2+-Befund. ACS Appl. Mater. Inter-. 2011; 3: 733-9.
  9. Huizenga DE, Szostak JW. Eine DNS Aptamer, Die Adenosin und ATP Bindet. Biochemie 1995; 34: 656-65.
  10. Huang PJJ, Liu JW. Fluss Cytometry-Unterstützte Befund des Adenosins im Serum mit einem Stillgestellten Aptamer-Fühler. Anal. Chem. 2010; 82: 4020-6.
  11. Reißzahn XH, Tan WH. Aptamers Erzeugte von der Zelle-SELEX für Molekulare Medizin: Ein Chemischer Biologie-Anflug. ACC. Chem. Res. 2010; 43: 48-57.

Date Added: May 12, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 06:56

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