機能ポリマーとして DNA

教授によって Juewen 劉

助教授、化学、ウォータールーの 200 の大学道、ウォータールー、オンタリオ、カナダの大学の部門、 Juewen 劉教授
対応する著者: liujw@uwaterloo.ca

60 年前に、現代分子生物学の生れについて持って来る DNA の二重螺旋の有名な構造は解決しました。 それ以来、 DNA は遺伝物質として広く調査されました。 70 年代では、固体段階 DNA の統合は発明され、任意のオリゴヌクレオチドシーケンスを得るように 1 つがします。 1986 年に、ポリメラーゼ連鎖反応の発明は (PCR) DNA のコピーの無限番号が単一の分子から増幅されるようにしました。 DNA の新しい機能を探索することを可能にしたのはこれら二つの技術です。

DNA に簡単な基礎組み合わせる規則に基づいていた設計することができる非常にプログラム可能な構造があります。 例えば、構造 DNA のナノテクノロジーと呼出されるフィールドは多くの出版された洗練された第 2 および 3D nanostructures によって明示される急速な開発を経験しました。[1] これらの構造に他の機能を提供するために、さまざまな nanoparticles は沈殿しました。 もう一つの興味深い進歩は触媒 (触媒作用 DNA) としてそして分子認識 (aptamer) のため DNA の発見で、 DNA に蛋白質の機能代理をします。 蛋白質と比較されて、 DNA ははるかに安定し、機能 nano および生体材料の構築でサイト特定の分類を、そしてさまざまな材料に活用のためにより容易で、 DNA を選択の分子として大衆化します行って容易。

Nanomaterials

Nanomaterials は一義的なサイズおよび間隔依存した物理的性質を所有しているので魅力的です。 粒度がよく制御された直通の化学統合である場合もある間、副 nm 精密の相互粒子の間隔の制御および異なったタイプの粒子の構成は困難に残りました。 DNA はこれらの問題の解決に一義的な解決を提供します。 一方では、 DNA および DNA の aptamers の分子認識の特性はこれらの nanomaterials が biosensing 生物医学アプリケーションに使用するようにします。[2,3] 私の実験室はよりよいバイオセンサー、生体材料および薬剤の投射手段のデザインを導くために DNA とさまざまな nanomaterials 間の生物物理学インターフェイスの探索に興味があります。

基本的な理解

~50 nm の耐久性がある長さの中では、二重残された DNA はちょうど 2 nm の直径が付いている堅い棒として考慮することができます。 各々の追加基礎ペアは 0.34 nm の長さの増加に貢献します。 従って、間隔の副 nm 制御を DNA を使用して達成することができます。 接続機構化学の多様な範囲のアベイラビリティを使うと、 DNA はほとんどすべての知られていた nanomaterials にリンクすることができます。 私達は金の nanoparticles、 liposomes、磁気 nanoparticles、量の点および DNA を使用してリンカとして graphene を含むさまざまな nanomaterials の間隔依存した特性の、調査に興味があります。 例えば、図 1A は赤いからの紫色にそれに続くカラー変更が付いているリンカ DNA を使用して DNAfunctionalized 金の nanoparticles のアセンブリを示します。[4] 同じ考えは柔らかい liposome の nanoparticles (図 1B) のアセンブリ、 [5]、また金 liposome のハイブリッド (図 1C) に適用することができます。[6] 相互粒子の間隔は DNA シーケンスの変更によって正確に制御することができます。 これらのシステムを調査することは粒子間の物理的なイベントの DNA 表面の相互作用、またカップリングに洞察力を提供できます。

金の nanoparticles (a)、 liposomes (b)、およびハイブリッド (c) の DNA 指示されたアセンブリの図 1. 設計図。
(d) (c) で示されている構造の代表 TEM の顕微鏡写真。

環境モニタリング

簡単な構造分子を越えて、 DNA は高い特定性のイオン、分子およびセルの広い範囲を認識できます。 非常に有毒な水銀の検出の場合には、チミン豊富な DNA は使用されます。 図 2 に示すように、この DNA は DNA の結合の付加に染料が SYBR の緑 I (SG) を呼出した水銀の結合にヘアピンに、緑の蛍光性得られます折ることができます。 ヒドロゲルに DNA を検出する水銀を固定することにいくつかの利点があります。 ゲルはセンサーの乾燥および再生を可能にします。 もっと重大に、ゲルは実行中にゲル内の集中を高める水銀を吸着できます。 固定によって、私達は分析的な器械の使用なしで水銀の非常に選択的で、敏感な検出を達成しました。[7,8]

図 2。 水銀の検出のためのヒドロゲルで固定する DNA ベースのバイオセンサー
SG は DNA の二重残された領域に不良部分上で非常に蛍光になります。

生物医学的な診断

重金属イオンの認識から離れて蛋白質および代謝物質のような他の分子を結合するために、 aptamers は選ぶことができます。 この aptamer の選択過程は代謝物質を結合するシーケンスだけ保たれる任意 DNA の分子の巨大なライブラリから開始します。 図 3 では、 ATP に結合できるシーケンスは示されています。[9] この aptamer が純粋なバッファで ATP を効果的に検出できる間、パフォーマンスは血血清の存在によって強く干渉されます。 血液サンプルのために、非常に小さいサンプルボリュームの検出を達成することは重要です。 私達は磁気 microparticle に aptamer ベースのセンサーの接続によって、 (MMP)人の血液の血清ことをのちょうど 10 の mL の検出を達成することは可能であることが分りました。 MMP のために、私達は蛍光性の信号検出のステップから ATP の結合のステップを分けることができま血血清の効果を薄くすることを私達を許可します。[10]

ATP の結合の aptamer および固定の図 3. シーケンス
MMP 人の血液の血清の有効な ATP の検出を許可します。

薬剤配達アプリケーション

また同じ DNA の選択方法が癌細胞を目標とするのに使用することができます。[11] 多くの DNA の aptamers は既に多くの異なった腫瘍のセルラインを目標とするために隔離されてしまいました。 例えば、グアニン豊富なシーケンスは臨床試験を入力しました。 薬剤ローディングおよびイメージ投射のための nanomaterials を利用して、 DNAfunctionalized 生体材料は洗練された機能が目標とされた配達および診断を含んで実現されるように許すできます。

要約すると、 DNA は構造および機能特性が付いている非常に多目的な分子です。 さまざまな nano および生体材料が付いているインターフェイス DNA はかなりさまざまなアプリケーションのこれらの DNA の分子のパフォーマンスを改善できます。 同時に、 DNA の構造特性は高精度の nanomaterials の精密なアセンブリを可能にしま、さまざまなアプリケーションのそれ以上の開発に燃料を供給することができる基本的な生物物理学の理解を許可します。

参照

  1. Seeman NC。 物質的な世界の DNA。 性質 2003 年; 421: 427-31。
  2. Storhoff JJ の Mirkin の DNA との CA. によってプログラムされる文書の統合。 Chem。 Rev. 1999 年; 99: 1849-62。
  3. 劉 J、 Cao Z の Lu Y. Functional の核酸センサー。 Chem。 Rev. 2009 年; 109: 1948-98 年。
  4. スミス BD、アルコール性の溶媒の DNAFunctionalized Nanoparticles の劉 J. Assembly は DNA の交配のための熱力学および運動傾向の反対に明らかにします。 J. AM. Chem。 Soc. 2010 年; 132: 6300-1。
  5. デーブ N、 DNA による DNAFunctionalized Liposomes の劉 J. Programmable Assembly。 Acs Nano 2011 年; 5: 1304-12。
  6. デーブ N、劉 J. Protection および金 Nanoparticles を持つ DNA 指示されたアセンブリでの紫外線放射線誘発の Liposome の漏出の昇進。 ADV。 Mater。 2011 年; 出版物。
  7. デーブ N、黄 P-JJ、スミス BD 私のの Chan 超高感度の、器械なしの水星のための劉 J. Regenerable DNAFunctionalized のヒドロゲル (II) 水の検出そして取り外し。 J. AM. Chem。 Soc. 2010 年; 132: 12668-73。
  8. ヨセフの KA、デーブ N の機密性が高い Hg2+ の検出のための DNAFunctionalized 単一ヒドロゲルの劉 J. Electrostatically Directed の視覚蛍光性の応答。 ACS Appl。 Mater。 内側。 2011 年; 3: 733-9。
  9. Huizenga DE、 Szostak JW。 アデノシンおよび ATP を結合する DNA Aptamer。 生物化学 1995 年; 34: 656-65。
  10. 黄 PJJ、劉 JW。 流れは Aptamer 固定されたセンサーが付いている血清のアデノシンの検出を Cytometry 助けました。 肛門。 Chem。 2010 年; 82: 4020-6。
  11. 牙 XH、タン WH。 Aptamers は分子薬のためのセルSELEX から生成しました: 化学生物学のアプローチ。 Acc. Chem。 Res. 2010 年; 43: 48-57。

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

Last Update: 14. June 2013 07:02

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit