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ADN comme Polymère Fonctionnel

Par Professeur Juewen Liu

Professeur Juewen Liu, Professeur Adjoint, Département de Chimie, Université de Waterloo, Avenue de 200 Universités, Waterloo, Ontario, Canada
Auteur Correspondant : liujw@uwaterloo.ca

Il y a Soixante ans, la structure célèbre du double hélix d'ADN a été résolue, provoquant la naissance de la biologie moléculaire moderne. Depuis lors, l'ADN a été considérable étudié comme matériel génétique. Pendant les années 1970, la Synthèse d'ADN en phase solide a été inventée, permettant à on d'obtenir des séquences arbitraires d'oligonucléotide. En 1986, l'invention de l'amplification en chaîne par polymérase (PCR) a permis à un numéro infini des copies d'ADN d'être amplifié même d'une molécule unique. C'est ces deux techniques qui ont permis pour explorer des fonctionnements neufs d'ADN.

L'ADN a les structures hautement programmables qui peuvent être basées conçu sur une règle de appareillement de base simple. Par exemple, une nanotechnologie structurelle appelée de la zone ADN a remarqué des développements rapides, manifestés par les nombreux a publié le 2D sophistiqué et les nanostructures 3D. [1] Sur ces structures, des nanoparticles variés ont été déposés pour offrir d'autres fonctionnements. Un Autre avancement intéressant était la découverte de l'ADN comme catalyseur (ADN catalytique) et pour la reconnaissance moléculaire (aptamer), effectuant à ADN un substitut fonctionnel pour des protéines. Comparé aux protéines, ADN est beaucoup plus stable, plus facile d'exécuter l'écriture de labels site-particulière, et plus facile pour la conjugaison aux matériaux variés, popularisant l'ADN comme molécule de choix en construisant nano fonctionnel et des biomatériaux.

Nanomaterials

Les Nanomaterials sont attrayants parce qu'ils possèdent la seule taille et les propriétés physiques distance-dépendantes. Tandis Que la dimension particulaire peut être synthèse chimique traversante de maîtrise des puits, le contrôle de la distance interparticulaire avec la précision sous-nanomètre et l'organisme de différents types de particules sont demeurés difficiles. L'ADN fournit une seule solution à résoudre ces problèmes. D'autre part, la propriété moléculaire de reconnaissance des aptamers d'ADN et d'ADN permet à ces nanomaterials d'être utilisés pour des applications biosensing et biomédicales. [2,3] Mon laboratoire est intéressé à explorer la surface adjacente biophysique entre l'ADN et les nanomaterials variés pour guider le design de meilleurs biocapteurs, biomatériaux, et systèmes de distribution de médicament.

Compréhensions Principales

Dans une longueur persistante de ~50 nanomètre, l'ADN bicaténaire peut être considéré comme tige rigide avec un diamètre juste de 2 nanomètre. Chaque paire de bases supplémentaire contribue à une augmentation de longueur de 0,34 nanomètres. Par Conséquent, le contrôle sous-nanomètre de la distance peut être réalisé utilisant l'ADN. Avec la disponibilité d'un éventail varié de chimie de connexion, l'ADN peut être lié à presque tous les nanomaterials connus. Nous sommes intéressés à étudier les propriétés distance-dépendantes des nanomaterials variés, y compris des nanoparticles d'or, des liposomes, des nanoparticles magnétiques, des points de tranche de temps, et le graphene utilisant l'ADN comme éditeur de liens. Par exemple, la Figure 1A affiche l'assemblage des nanoparticles de l'or ADN-functionalized utilisant un éditeur de liens ADN avec un changement de couleur ultérieur du rouge aux pourpres. [4] La même idée peut être appliquée à l'assemblage des nanoparticles mous de liposome (Figure 1B), [5] ainsi qu'à l'hybride d'or-liposome (Figure 1C). [6] La distance interparticulaire peut être avec précision réglée en changeant la Séquence d'ADN. L'Étude de ces systèmes peut fournir des analyses dans l'interaction d'ADN-surface ainsi que le couplage des événements matériels parmi les particules.

Le Schéma 1. Schémas de l'assemblage ADN-dirigé des nanoparticles d'or (a), des liposomes (b), et de leurs hybrides (c).
(d) Un micrographe du préposé du service TEM de la structure affichée en (c).

Contrôle de l'environnement

Au Delà d'une molécule structurelle simple, l'ADN peut identifier un large éventail d'ions, de molécules, et même de cellules avec la spécificité élevée. Dans le cas de trouver le mercure hautement toxique, une thymine ADN riche est utilisée. Suivant les indications du Schéma 2, cet ADN peut se plier dans une épingle à cheveux sur le grippement de mercure où lors de l'ajout d'un Vert appelé I (SG) de la teinture SYBR d'obligatoire d'ADN, une fluorescence verte est obtenue. L'Immobilisation du mercure trouvant l'ADN à un hydrogel a un certain nombre d'avantages. Le gel permet le séchage et la régénération de senseur. D'une manière primordiale, le gel peut activement adsorber le mercure, augmentant sa concentration dans le gel. Par L'intermédiaire de l'immobilisation, nous avons réalisé un dépistage extrêmement sélecteur et sensible de mercure sans utilisation de n'importe quel instrument analytique. [7,8]

Le Schéma 2. Un biocapteur ADN-basé immobilisé sur un hydrogel pour le dépistage de mercure où
Le SG devient hautement fluorescent lors de gripper à la région bicaténaire dans l'ADN.

Diagnostic Biomédical

Indépendamment de la reconnaissance des ions de métaux lourds, des aptamers peuvent être sélectés pour gripper d'autres molécules telles que des protéines et des métabolites. Ce choix d'aptamer commence par une bibliothèque énorme des Molécules d'ADN irrégulières où seulement les séquences qui grippent la métabolite sont maintenues. Sur le Schéma 3, la séquence qui peut gripper à l'ATP est affichée. [9] Tandis Que cet aptamer peut trouver l'ATP effectivement dans le tampon pur, sa performance est fortement gênée par la présence du sérum sanguin. Pour des prises de sang, il est important de réaliser le dépistage en volume très petit témoin. Nous avons constaté qu'en fixant le senseur aptamer-basé sur une microparticule magnétique (MMP), il est possible de réaliser le dépistage dans juste 10 ml de sérum sanguin humain. À cause du MMP, nous pourrions séparer la phase obligatoire d'ATP de la phase de dépistage de signe de fluorescence, nous permettant de diluer l'effet du sérum sanguin. [10]

Le Schéma 3. Séquence de l'aptamer obligatoire d'ATP et de son immobilisation en circuit
un MMP permettant le dépistage pertinent d'ATP en sérum sanguin humain.

Applications d'accouchement de Médicament

La même méthode de sélection d'ADN peut également être employée pour viser des cellules cancéreuses. [11] Beaucoup d'aptamers d'ADN ont été déjà isolés pour viser beaucoup de différentes lignées cellulaires de tumeur. Par exemple, une séquence riche de guanine a écrit des tests cliniques. Tirant profit des nanomaterials pour la charge et la représentation de médicament, les biomatériaux ADN-functionalized peuvent permettre à des fonctionnements sophistiqués d'être réalisés comprenant l'accouchement et le diagnostic visés.

En résumé, l'ADN est une molécule très versatile avec les propriétés structurelles et fonctionnelles. L'Interfaçage ADN avec nano varié et des biomatériaux peut de manière significative améliorer la performance de ces Molécules d'ADN dans applications variées. En même temps, la propriété structurelle de l'ADN permet l'assemblage précis des nanomaterials avec la haute précision, permettant les compréhensions biophysiques principales qui peuvent alimenter le développement ultérieur des applications variées.

Référence

  1. Seeman OR. ADN dans un monde matériel. Nature 2003 ; 421 : 427-31.
  2. Storhoff JJ, Synthèse Programmée par CA de Matériaux de Mirkin avec l'ADN. Chim. Rév. 1999 ; 99 : 1849-62.
  3. Liu J, Cao Z, Senseurs d'Acide Nucléique de Lu Y. Functional. Chim. Rév. 2009 ; 109 : 1948-98.
  4. Smith BD, Liu J. Assembly d'ADN-Functionalized Nanoparticles dans les Solvants Alcooliques Indique En Face des Tendances Thermo-dynamiques et Cinétiques pour l'Hybridation d'ADN. J. AM. Chim. Soc. 2010 ; 132 : 6300-1.
  5. Dave N, Liu J. Programmable Assembly des Liposomes ADN-Functionalized par ADN. Nano 2011 d'Acs ; 5 : 1304-12.
  6. Dave N, Liu J. Protection et Promotion de la Fuite Induite Par La Radiation UV de Liposome par l'intermédiaire de l'Assemblée ADN-Dirigée avec de l'Or Nanoparticles. Adv. Mère. 2011 ; en cours d'impression.
  7. Dave N, Huang P-JJ, Chan MON, Smith BD, Hydrogels de Liu J. Regenerable ADN-Functionalized pour Mercury Ultra-sensible et Sans instrument (II) Dépistage et Démontage dans l'Eau. J. AM. Chim. Soc. 2010 ; 132 : 12668-73.
  8. KA de Joseph, Dave N, Réaction Visuelle de Fluorescence de Liu J. Electrostatically Directed des Hydrogels ADN-Functionalized Monolithiques pour le Dépistage Extrêmement Sensible de Hg2+. ACS APPL. Mère. Inter. 2011 ; 3 : 733-9.
  9. Huizenga DE, Szostak JW. Un ADN Aptamer Qui Grippe l'Adénosine et l'ATP. Biochimies 1995 ; 34 : 656-65.
  10. Huang PJJ, Liu JW. Le Flux Cytométrie-A aidé le Dépistage de l'Adénosine en Sérum avec un Senseur Immobilisé d'Aptamer. Anal. Chim. 2010 ; 82 : 4020-6.
  11. Crochet XH, TAN WH. Aptamers S'est Produit de la Cellule-SELEX pour le Médicament Moléculaire : Un Élan Chimique de Biologie. CRNA. Recherche de Chim. 2010 ; 43 : 48-57.

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

Last Update: 14. June 2013 06:53

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