DNA come Polimero Funzionale

Dal Professor Juewen Liu

Il Professor Juewen Liu, Assistente Universitario, Dipartimento di Chimica, Università di Waterloo, un Viale di 200 Università, Waterloo, Ontario, Canada
Autore Corrispondente: liujw@uwaterloo.ca

Sessanta anni fa, la struttura famosa di doppia elica del DNA è stata risolta, determinante la nascita di biologia molecolare moderna. Da allora, il DNA è stato studiato estesamente come materiale genetico. Negli anni 70, la sintesi in fase solida del DNA è stata inventata, permettendo che una ottenga le sequenze arbitrarie dell'oligonucleotide. Nel 1986, l'invenzione di reazione a catena della polimerasi (PCR) ha permesso che un numero infinito di copie del DNA fossero ampliate anche da una singola molecola. È queste due tecniche che hanno permesso di esplorare le nuove funzioni di DNA.

Il DNA ha strutture altamente programmabili che possono essere progettate hanno basato su una norma d'accoppiamento bassa semplice. Per esempio, un campo chiamato nanotecnologia strutturale del DNA ha avvertito gli sviluppi rapidi, manifestati dai molti 2D e nanostructures specializzati pubblicati 3D. [1] Sopra queste strutture, le varie nanoparticelle sono state depositate per offrire altre funzioni. Un Altro avanzamento interessante era la scoperta di DNA come catalizzatore (DNA catalitico) e per il riconoscimento molecolare (aptamer), rendendo a DNA un sostituto funzionale per le proteine. Confrontato alle proteine, il DNA è molto più stabile, più facile da realizzare il contrassegno sito-specifico e più facile per coniugazione ai vari materiali, diffondendo il DNA come la molecola della scelta nella costruzione nano funzionale e dei biomateriali.

Nanomaterials

I Nanomaterials sono attraenti perché possiedono la dimensione unica e le proprietà fisiche distanza-dipendenti. Mentre la dimensione delle particelle può essere la sintesi chimica diretta bene controllata, il controllo della distanza della inter particella con precisione sotto-nanometro e l'organizzazione dei tipi differenti di particelle sono rimanere difficili. Il DNA fornisce una soluzione unica a risolvere questi problemi. D'altra parte, i beni molecolari del riconoscimento dei aptamers del DNA e del DNA permettono che questi nanomaterials siano usati per le applicazioni biosensing e biomediche. [2,3] Il Mio laboratorio è interessato nell'esplorazione dell'interfaccia biofisica fra DNA e vari nanomaterials per guidare la progettazione di migliori biosensori, biomateriali e delivery system della droga.

Comprensioni Fondamentali

All'interno di una lunghezza persistente di ~50 nanometro, il DNA a doppia elica può essere considerato come bastoncini rigidi con un diametro di appena 2 nanometro. Ogni coppia di basi supplementare contribuisce ad un aumento di lunghezza di 0,34 nanometri. Di Conseguenza, il controllo sotto-nanometro della distanza può essere raggiunto facendo uso di DNA. Con la disponibilità di una diversa gamma di chimica del collegamento, il DNA può essere collegato a quasi tutti i nanomaterials conosciuti. Siamo interessati nello studio dei beni distanza-dipendenti di vari nanomaterials, compreso le nanoparticelle dell'oro, i liposomi, le nanoparticelle magnetiche, i punti di quantum e il graphene facendo uso di DNA come linker. Per esempio, la Figura 1A mostra il montaggio delle nanoparticelle dell'oro DNA-functionalized facendo uso di un DNA del linker con un cambiamento successivo di colore da rosso alla porpora. [4] La stessa idea può applicarsi al montaggio delle nanoparticelle morbide del liposoma (Figura 1B), [5] come pure all'ibrido del d'oro liposoma (Figura 1C). [6] La distanza della inter particella può essere gestita precisamente cambiando la sequenza del DNA. Lo Studio dei questi sistemi può fornire le comprensioni nell'interazione della DNA-superficie come pure nell'accoppiamento degli eventi fisici fra le particelle.

Figura 1. Disegni Schematici di montaggio DNA-diretto delle nanoparticelle dell'oro (A), liposomi (B) ed i loro ibridi (C).
(D) Un micrografo del rappresentante TEM della struttura indicata dentro (C).

Controllo Ambientale

Oltre una molecola strutturale semplice, il DNA può riconoscere una vasta gamma di ioni, di molecole e perfino di celle con l'alta specificità. Nel caso della rilevazione del mercurio altamente tossico, un DNA ricco delle timine è usato. Secondo le indicazioni di Figura 2, questo DNA può profilatura in una forcella sopra l'associazione del mercurio in cui all'aggiunta dell'associazione del DNA una tintura ha chiesto il Verde I (SG) di SYBR, una fluorescenza verde è ottenuto. Il Vincolo del mercurio che individua il DNA ad un idrogel presenta una serie di vantaggi. Il gel permette l'essiccamento e la rigenerazione del sensore. Più d'importanza, il gel può attivamente adsorbire il mercurio, aumentante la sua concentrazione all'interno del gel. Via immobilizzazione, abbiamo raggiunto una rilevazione altamente selettiva e sensibile di mercurio senza l'uso di tutto lo strumento analitico. [7,8]

Figura 2. Ad un biosensore basato a DNA vincolato su un idrogel per rilevazione del mercurio dove
Lo SG diventa altamente fluorescente sopra l'associazione alla regione a doppia elica nel DNA.

Diagnosi Biomedica

Oltre al riconoscimento degli ioni di metalli pesanti, i aptamers possono essere selezionati per legare altre molecole quali le proteine ed i metaboliti. Questa procedura di selezione del aptamer comincia con una libreria enorme delle molecole casuali del DNA in cui soltanto le sequenze che legano il metabolita sono conservate. Nella Figura 3, la sequenza che può legare al TRIFOSFATO DI ADENOSINA è indicata. [9] Mentre questo aptamer può individuare il TRIFOSFATO DI ADENOSINA efficacemente in buffer puro, la sua prestazione è interferita forte dalla presenza di siero di sangue. Per i campioni di sangue, è importante raggiungere la rilevazione in un volume di campione molto piccolo. Abbiamo trovato che fissando al il sensore basato aptamer su una microparticella magnetica (MMP), è possibile raggiungere la rilevazione in appena 10 ml di siero di sangue umano. A causa del MMP, potremmo separare il punto obbligatorio del TRIFOSFATO DI ADENOSINA dal punto di rilevazione di segnale della fluorescenza, permettendo che noi diluiamo l'effetto del siero di sangue. [10]

Figura 3. Sequenza del aptamer obbligatorio del TRIFOSFATO DI ADENOSINA e della sua immobilizzazione sopra
un MMP permettendo efficace rilevazione del TRIFOSFATO DI ADENOSINA in siero di sangue umano.

Applicazioni di consegna della Droga

Lo stesso metodo di selezione del DNA può anche essere usato per mirare alle cellule tumorali. [11] Molti aptamers del DNA già sono stati isolati per mirare a molte linee cellulari differenti del tumore. Per esempio, una sequenza ricca della guanina ha entrato nei test clinici. Approfittando dei nanomaterials per caricamento e la rappresentazione della droga, i biomateriali DNA-functionalized possono permettere che le funzioni specializzate siano realizzate compreso la consegna e la diagnosi mirate a.

Riassumendo, il DNA è una molecola molto versatile con sia i beni strutturali che funzionali. Il DNA di Collegamento con vario nano ed i biomateriali possono migliorare significativamente la prestazione di queste molecole del DNA in varie applicazioni. Allo stesso tempo, i beni strutturali di DNA permettono il montaggio preciso dei nanomaterials con alta precisione, permettendo le comprensioni biofisiche fondamentali che possono rifornire ulteriore sviluppo di combustibile di varie applicazioni.

Riferimento

  1. Seeman NC. DNA in un mondo materiale. Natura 2003; 421: 427-31.
  2. Storhoff JJ, Sintesi dei Materiali Programmata CA di Mirkin con DNA. Chim. Rev. 1999; 99: 1849-62.
  3. Liu J, Cao Z, Sensori dell'Acido Nucleico di LU Y. Functional. Chim. Rev. 2009; 109: 1948-98.
  4. Smith BD, Liu J. Assembly delle Nanoparticelle DNA-Functionalized in Solventi Alcolici Rivela Di Fronte alle Tendenze Termodinamiche e Cinetiche per l'Ibridazione del DNA. J. Soc 2010 di Chim.; 132: 6300-1.
  5. Dave N, Liu J. Programmable Assembly dei Liposomi DNA-Functionalized da DNA. Acs 2011 Nano; 5: 1304-12.
  6. Dave N, Liu J. Protection e Promozione di Dispersione Indotta Da Radiazioni UV del Liposoma tramite Assemblea DNA-Diretta con le Nanoparticelle dell'Oro. Adv. Mater. 2011; in stampa.
  7. Dave N, Huang P-JJ, Chan MIO, Smith BD, Idrogel di Liu J. Regenerable DNA-Functionalized per Mercurio Ultrasensibile e Senza strumento (II) Rilevazione e Rimozione in Acqua. J. Soc 2010 di Chim.; 132: 12668-73.
  8. KA di Joseph, Dave N, Risposta Visiva di Fluorescenza di Liu J. Electrostatically Directed degli Idrogel Monolitici DNA-Functionalized per Rilevazione Altamente Sensibile di Hg2+. ACS Appl. Mater. Inter. 2011; 3: 733-9.
  9. Huizenga DE, Szostak JW. Un DNA Aptamer Che Lega l'Adenosina ed il TRIFOSFATO DI ADENOSINA. Biochimica 1995; 34: 656-65.
  10. Huang PJJ, Liu JW. Il Flusso Cytometry-Ha assistito la Rilevazione di Adenosina in Siero con un Sensore Vincolato di Aptamer. Anale. Chim. 2010; 82: 4020-6.
  11. Zanna XH, Tan WH. Aptamers Ha Generato dalla Cella-SELEX per Medicina Molecolare: Un Approccio Chimico di Biologia. CRNA. Ricerca di Chim. 2010; 43: 48-57.

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

Last Update: 14. June 2013 06:59

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