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DNA como Polímero Funcional

Por Profesor Juewen Liu

Profesor Juewen Liu, Profesor Adjunto, Departamento de la Química, Universidad de Waterloo, Avenida de 200 Universidades, Waterloo, Ontario, Canadá
Autor Correspondiente: liujw@uwaterloo.ca

Hace Sesenta años, la estructura famosa del doble hélice de la DNA fue resuelta, causando el nacimiento de la biología molecular moderna. Desde entonces, la DNA se ha estudiado extensivamente como material genético. En los años 70, la síntesis de la DNA de la sólido-fase fue inventada, permitiendo que una obtenga series arbitrarias del oligonucleótido. En 1986, la invención de la reacción en cadena de polimerasa (PCR) permitió que un número infinito de copias de la DNA fuera amplificado incluso de una única molécula. Es estas dos técnicas que han permitido explorar nuevas funciones de la DNA.

La DNA tiene estructuras altamente programables que se puedan diseñar basaron en una regla que empareja baja simple. Por ejemplo, un campo llamado nanotecnología estructural de la DNA ha experimentado los progresos rápidos, manifestados por los mucho 2.os y nanostructures sofisticados publicados 3D. [1] Sobre estas estructuras, los diversos nanoparticles se han depositado para ofrecer otras funciones. Otro adelanto interesante era el descubrimiento de la DNA como catalizador (DNA catalítica) y para el reconocimiento molecular (aptamer), haciendo DNA un reemplazo funcional para las proteínas. Comparado a las proteínas, la DNA es mucho más estable, más fácil realizar la etiqueta sitio-específica, y más fácil para la conjugación a los diversos materiales, popularizando la DNA como la molécula de la opción en construir nano funcional y biomateriales.

Nanomaterials

Los Nanomaterials son atractivos porque poseen talla única y propiedades físicas distancia-relacionadas. Mientras Que la talla de partícula puede ser síntesis química directa bien controlada, el mando de la distancia interpartículas con la precisión sub-nanómetro y la organización de diversos tipos de partículas seguían siendo difíciles. La DNA proporciona a una solución única a resolver estos problemas. Por otra parte, la propiedad molecular del reconocimiento de los aptamers de la DNA y de la DNA permite que estos nanomaterials sean utilizados para las aplicaciones biosensing y biomédicas. [2,3] Mi laboratorio está interesado en la exploración del interfaz biofísico entre la DNA y los diversos nanomaterials para conducir el diseño de mejores biosensores, biomateriales, y sistemas de envío de la droga.

Entendimiento Fundamental

Dentro de una longitud persistente de ~50 nanómetro, la DNA doble-trenzada se puede considerar como varilla rígida con un diámetro de apenas 2 nanómetro. Cada par bajo adicional contribuye a un aumento de la longitud de 0,34 nanómetros. Por Lo Tanto, el mando sub-nanómetro de la distancia se puede lograr usando la DNA. Con la disponibilidad de un rango diverso de la química del accesorio, la DNA se puede conectar a casi todos los nanomaterials sabidos. Estamos interesados en estudiar las propiedades distancia-relacionadas de diversos nanomaterials, incluyendo nanoparticles del oro, liposomas, nanoparticles magnéticos, puntos del quantum, y graphene usando la DNA como máquina para hacer chorizos. Por ejemplo, la Figura 1A muestra el ensamblaje de los nanoparticles del oro DNA-functionalized usando una DNA de la máquina para hacer chorizos con un cambio subsiguiente del color de rojo a la púrpura. [4] La misma idea se puede aplicar al ensamblaje de los nanoparticles suaves del liposoma (Figura 1B), [5] así como al híbrido del oro-liposoma (Figura 1C). [6] La distancia interpartículas puede ser controlada exacto cambiando la serie de la DNA. Estudiar estos sistemas puede proporcionar a discernimientos en la acción recíproca de la DNA-superficie así como el acoplamiento de acciones físicas entre las partículas.

Cuadro 1. Diagramas Esquemáticos del ensamblaje DNA-dirigido de los nanoparticles del oro (a), de los liposomas (b), y de sus híbridos (c).
(d) Un micrográfo del representante TEM de la estructura mostrada en (c).

Control del medio ambiente

Más Allá de una molécula estructural simple, la DNA puede reconocer una amplia gama de iones, de moléculas, e incluso de células con alta especificidad. En el caso de detectar el mercurio altamente tóxico, se utiliza una DNA rica del thymine. Tal y como se muestra en del Cuadro 2, se obtiene esta DNA puede plegable en una horquilla sobre el atascamiento del mercurio donde sobre la adición del atascamiento de la DNA un tinte llamó el Verde I (SG) de SYBR, una fluorescencia verde. La Inmovilización del mercurio que detecta la DNA a un hidrogel tiene varias ventajas. El gel permite la sequedad y la regeneración del sensor. Más importantemente, el gel puede adsorber activamente el mercurio, aumentando su concentración dentro del gel. Vía la inmovilización, hemos logrado una detección altamente selectiva y sensible del mercurio sin el uso de cualquier instrumento analítico. [7,8]

Cuadro 2. Un biosensor DNA-basado inmovilizado en un hidrogel para la detección del mercurio donde
El SG hace altamente fluorescente sobre atar a la región doble-trenzada en la DNA.

Diagnosis Biomédica

Aparte del reconocimiento de iones de metales pesados, los aptamers se pueden seleccionar para atar otras moléculas tales como proteínas y metabilitos. Este proceso de selección del aptamer comienza con una biblioteca enorme de las moléculas al azar de la DNA en donde solamente se conservan las series que atan el metabilito. En el Cuadro 3, se muestra la serie que puede atar al ATP. [9] Mientras Que este aptamer puede detectar el ATP efectivo en almacenador intermediaro puro, su funcionamiento es interferido fuertemente por la presencia de suero de sangre. Para las muestras de sangre, es importante lograr la detección en un volumen de muestra muy pequeño. Encontramos eso asociando el sensor aptamer-basado sobre una micropartícula magnética (MMP), él somos posibles lograr la detección en apenas 10 ml de suero de sangre humana. Debido al MMP, podríamos separar el paso de progresión obligatorio del ATP del paso de progresión de la detección de señal de la fluorescencia, permitiendo que diluyamos el efecto del suero de sangre. [10]

Cuadro 3. Serie del aptamer obligatorio del ATP y de su inmovilización conectado
un MMP permitiendo la detección efectiva del ATP en suero de sangre humana.

Aplicaciones de la salida de la Droga

El mismo método de la selección de la DNA se puede también utilizar para apuntar a las células cancerosas. [11] Muchos aptamers de la DNA se han aislado ya para apuntar muchas diversas variedades de células del tumor. Por ejemplo, una serie rica de la guanina ha incorporado juicios clínicas. Aprovechándose de los nanomaterials para el cargamento y la proyección de imagen de la droga, los biomateriales DNA-functionalized pueden permitir que las funciones sofisticadas sean observadas incluyendo salida y diagnosis apuntadas.

En resumen, la DNA es una molécula muy versátil con las propiedades estructurales y funcionales. La DNA de Interconexión con diverso nano y los biomateriales puede mejorar importante el funcionamiento de estas moléculas de la DNA en diversas aplicaciones. Al mismo tiempo, la propiedad estructural de la DNA permite el ensamblaje exacto de nanomaterials con la alta precisión, permitiendo el entendimiento biofísico fundamental que puede aprovisionar de combustible el revelado posterior de diversas aplicaciones.

Referencia

  1. Seeman NC. DNA en un mundo material. Naturaleza 2003; 421: 427-31.
  2. Storhoff JJ, Síntesis Programada CA de los Materiales de Mirkin con la DNA. Quím. Rev. 1999; 99: 1849-62.
  3. Liu J, Cao Z, Sensores del Ácido Nucléico del Lu Y. Functional. Quím. Rev. 2009; 109: 1948-98.
  4. Smith BD, Liu J. Assembly de DNA-Functionalized Nanoparticles en Disolventes Alcohólicos Revela Enfrente de las Tendencias Termodinámicas y Cinéticas para el Hibridación de la DNA. J. Quím. Soc. 2010; 132: 6300-1.
  5. Dave N, Liu J. Programmable Assembly de los Liposomas DNA-Functionalized por la DNA. Acs 2011 Nano; 5: 1304-12.
  6. Dave N, Liu J. Protection y Promoción del Fuga Inducido Por Radiación ULTRAVIOLETA del Liposoma vía la Asamblea DNA-Dirigida con el Oro Nanoparticles. Adv. Mater. 2011; en prensa.
  7. Dave N, Huang P-JJ, Chan MI, Smith BD, Hidrogeles de Liu J. Regenerable DNA-Functionalized para el Mercury Ultrasensible, Instrumento-Libre (II) Detección y Retiro en Agua. J. Quím. Soc. 2010; 132: 12668-73.
  8. KA de José, Dave N, Reacción Visual de la Fluorescencia de Liu J. Electrostatically Directed de los Hidrogeles Monolíticos DNA-Functionalized para la Detección Altamente Sensible de Hg2+. ACS Appl. Mater. Inter. 2011; 3: 733-9.
  9. Huizenga DE, Szostak JW. Una DNA Aptamer Que Ata la Adenosina y el ATP. Bioquímica 1995; 34: 656-65.
  10. Huang PJJ, Liu JW. El Flujo Cytometry-Ayudó a la Detección de la Adenosina en Suero con un Sensor Inmovilizado de Aptamer. Anal. Quím. 2010; 82: 4020-6.
  11. Colmillo XH, Tan WH. Aptamers Generó de la Célula-SELEX para el Remedio Molecular: Una Aproximación Química de la Biología. CRNA. Quím. Res. 2010; 43: 48-57.

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

Last Update: 14. June 2013 07:20

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