DNA als Functioneel Polymeer

Door Professor Juewen Liu

Professor Juewen Liu, HulpProfessor, Afdeling van Chemie, Universiteit van Waterloo, 200 Universitaire Weg, Waterloo, Ontario, Canada
Overeenkomstige auteur: liujw@uwaterloo.ca

Zestig jaar geleden, werd de beroemde structuur van de dubbele schroef van DNA opgelost, bewerkstelligend de geboorte van moderne moleculaire biologie. Sedertdien is DNA uitgebreid bestudeerd als genetisch materiaal. In de jaren '70, werd solid-phase synthese van DNA uitgevonden, toestaand men om willekeurige oligonucleotide opeenvolgingen te verkrijgen. In 1986, liet de uitvinding van polymerase (PCR)kettingreactie een oneindig aantal DNA- exemplaren toe om van zelfs één enkele molecule worden vergroot. Het is deze twee technieken die het mogelijk hebben gemaakt om nieuwe functies van DNA te onderzoeken.

DNA heeft hoogst programmeerbare structuren die kunnen worden ontworpen gebaseerd op een eenvoudige basis het in paren rangschikken regel. Bijvoorbeeld, heeft een gebied genoemd de structurele nanotechnologie van DNA snelle die ontwikkelingen ervaren, door vele gepubliceerde verfijnde 2D en 3D nanostructures worden vertoond. [1] Op deze structuren, zijn diverse nanoparticles gedeponeerd om andere functies aan te bieden. Een Andere interessante vordering was de ontdekking van DNA als katalysator (katalytische DNA) en voor moleculaire erkenning (aptamer), makend tot DNA een functioneel substituut voor proteïnen. Vergeleken bij proteïnen, is DNA stabieler, gemakkelijker om plaats-specifieke etikettering uit te voeren, en gemakkelijker voor vervoeging aan diverse materialen, populariserend DNA als molecule van keus in het construeren van functionele nano- en biologisch materialen.

Nanomaterials

Nanomaterials is aantrekkelijk omdat zij unieke grootte en afstand-afhankelijke fysische eigenschappen bezitten. Terwijl de deeltjesgrootte goed door chemische synthese kan worden gecontroleerd, bleven de controle van inter-particle afstand met precisie sub-NM en de organisatie van verschillende types van deeltjes moeilijk. DNA verstrekt een unieke oplossing aan het oplossen van deze problemen. Anderzijds, laat het moleculaire erkenningsbezit van DNA en aptamers van DNA deze nanomaterials toe om voor biosensing en biomedische toepassingen worden gebruikt. [2.3] Mijn laboratorium is geinteresseerd in het onderzoeken van de biofysische interface tussen DNA en diverse nanomaterials om het ontwerp van de betere biosensors, biologisch materialen, en systemen van de druglevering te leiden.

Fundamentele overeenkomst

Binnen een blijvende lengte van ~50 NM, kan double-stranded DNA als stijve staaf met een diameter van enkel 2 NM worden beschouwd. Elk extra basispaar draagt tot een lengteverhoging bij van 0.34 NM. Daarom kan sub-NM- controle van afstand worden bereikt gebruikend DNA. Met de beschikbaarheid van een diverse waaier van gehechtheidschemie, kan DNA met bijna alle bekende nanomaterials worden verbonden. Wij zijn geinteresseerd in het bestuderen van de afstand-afhankelijke eigenschappen van diverse nanomaterials, met inbegrip van goud nanoparticles, liposomes, magnetische nanoparticles, quantumpunten, en graphene het gebruiken van DNA als linker. Bijvoorbeeld, toont het Cijfer 1A de assemblage van gouden nanoparticles gebruikend een linker DNA met een verdere kleurenverandering van rood in purple DNA-Functionalized. [4] het zelfde idee kan op de assemblage van zachte liposome worden toegepast nanoparticles (Figuur 1B), [5] evenals gouden-liposomehybride (Figuur 1C). [6] de inter-particle afstand kan precies worden gecontroleerd door de opeenvolging van DNA te veranderen. Het Bestuderen van deze systemen kan inzicht in de DNA-Oppervlakte interactie evenals de koppeling van fysieke gebeurtenissen onder de deeltjes verstrekken.

Figuur 1. Schema's van DNA-Geleide assemblage van gouden nanoparticles (a), liposomes (b), en hun hybriden (c).
(d) een representatieve die micrograaf TEM van de structuur in (c) wordt getoond.

Milieu controle

Voorbij een eenvoudige structurele molecule, kan DNA een brede waaier van ionen, molecules, en zelfs cellen met hoge specificiteit erkennen. In het geval van het ontdekken van het hoogst giftige kwik, wordt een thymine rijke DNA gebruikt. Zoals aangetoond in Figuur 2, kan deze DNA in een haarspeld op kwikband vouwen waar op toevoeging van het binden kleurstof geroepen SYBR van DNA Groene I (SG), een groene fluorescentie wordt verkregen. Het Immobiliseren van het kwik die DNA ontdekken aan een hydrogel heeft een aantal voordelen. Het gel staat sensor het drogen en regeneratie toe. Wat nog belangrijker is, kan het gel actief kwik adsorberen, die zijn concentratie verhogen binnen het gel. Via immobilisatie, hebben wij een hoogst selectieve en gevoelige opsporing van kwik zonder het gebruik van enig analytisch instrument bereikt. [7.8]

Figuur 2. Op dna-Gebaseerde die biosensor op een hydrogel voor kwikopsporing wordt geïmmobiliseerd waar
SG wordt hoogst fluorescent op het binden aan het double-stranded gebied in DNA.

Biomedische diagnose

Behalve de erkenning van zwaar metaalionen, kunnen aptamers worden geselecteerd om andere molecules zoals proteïnen en metabolites te binden. Dit proces van de aptamerselectie begint met een reusachtige bibliotheek van de willekeurige molecules van DNA waar slechts de opeenvolgingen die metabolite binden worden behouden. In Figuur 3, wordt de opeenvolging die aan ATP kan binden getoond. [9] Terwijl dit aptamer ATP in zuivere buffer kan effectief ontdekken, worden zijn prestaties sterk gemengd door de aanwezigheid van bloedserum. Voor bloedsteekproeven, is het belangrijk om opsporing in een zeer klein steekproefvolume te bereiken. Wij vonden dat door de aptamer-gebaseerde sensor op magnetische microparticle vast te maken (MMP), het mogelijk is om opsporing in enkel 10 ml van menselijk bloedserum te bereiken. Wegens MMP, konden wij de ATP bindende stap van de de opsporingsstap scheiden van het fluorescentiesignaal, die ons toestaan om het effect van bloedserum te verdunnen. [10]

Figuur 3. Opeenvolging van ATP aptamer en zijn immobilisatie die binden
een MMP die efficiënte ATP opsporing in menselijk bloedserum toestaan.

De leveringstoepassingen van de Drug

De zelfde de selectiemethode van DNA kan ook aan de cellen van doelkanker worden gebruikt. [11] Vele aptamers van DNA zijn reeds geïsoleerd om vele verschillende tumorcellenvariëteiten te richten. Bijvoorbeeld, is een guanine rijke opeenvolging klinische proeven ingegaan. Voordeel halend uit nanomaterials voor druglading en weergave, DNA-Functionalized biologisch materialen kan verfijnde functies toelaten om met inbegrip van gerichte levering en diagnose worden gerealiseerd.

Samengevat, is DNA een zeer veelzijdige molecule met zowel structurele als functionele eigenschappen. De Omzetting van DNA met diverse nano- en biologisch materialen kan de prestaties van deze molecules van DNA in diverse toepassingen beduidend verbeteren. Tezelfdertijd staat het structurele bezit van DNA nauwkeurige assemblage van nanomaterials met hoge precisie toe, die fundamentele biofysische overeenkomst toestaan die de verdere ontwikkeling van diverse toepassingen kan van brandstof voorzien.

Verwijzing

  1. Seeman NC. DNA in een materiële wereld. Aard 2003; 421: 427-31.
  2. Storhoff JJ, Mirkin Programmeerde CA. de Synthese van Materialen met DNA. Toer 1999 van Chem.; 99: 1849-62.
  3. Liu J, Cao Z, Lu Y. de Functional Sensoren van Nucleic Zuur. Toer 2009 van Chem.; 109: 1948-98.
  4. Smith BD, Liu J. Assembly van DNA-Functionalized Nanoparticles in Alcoholische Oplosmiddelen Openbaart Tegenover Thermodynamische en Kinetische Tendensen voor de Kruising van DNA. J. Am. Soc. 2010 van Chem.; 132: 6300-1.
  5. Dave N, Liu J. Programmable Assembly van Liposomes DNA-Functionalized door DNA. Acs Nano 2011; 5: 1304-12.
  6. Dave N, Liu J. Protection en Bevordering van UV Radiation-Induced Liposome Lekkage via DNA-Geleide Assemblage met Gouden Nanoparticles. Adv. Mater. 2011; in pers.
  7. Dave N, Huang p-JJ, MIJN Chan, Smith BD, Liu J. Regenerable DNA-Functionalized Hydrogels voor Ultrasensitive, II) Opsporing en de Verwijdering instrument-Vrije van Mercury (in Water. J. Am. Soc. 2010 van Chem.; 132: 12668-73.
  8. Joseph KA, Dave N, Liu J. Electrostatically Directed de Visuele Reactie van de Fluorescentie van Monolithische Hydrogels DNA-Functionalized voor Hoogst Gevoelige Hg2+ Opsporing. ACS Appl. Mater. Inter. 2011; 3: 733-9.
  9. Huizenga DE, Szostak JW. Een DNA Aptamer Die Adenosine en ATP Bindt. Biochemie 1995; 34: 656-65.
  10. Huang PJJ, Liu JW. Stroom cytometry-Bijgewoonde Opsporing van Adenosine in Serum met een Geïmmobiliseerde Sensor Aptamer. Anaal. Chem. 2010; 82: 4020-6.
  11. Hoektand XH, Tan WH. Aptamers van cel-SELEX voor Moleculaire Geneeskunde wordt Geproduceerd die: Een Chemische Benadering van de Biologie. Acc. Chem. Onderzoek. 2010; 43: 48-57.

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

Last Update: 14. June 2013 06:50

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