ADN como um Polímero Funcional

Pelo Professor Juewen Liu

Professor Juewen Liu, Professor Adjunto, Departamento de Química, Universidade de Waterloo, Avenida de 200 Universidades, Waterloo, Ontário, Canadá
Autor Correspondente: liujw@uwaterloo.ca

Sessenta anos há, a estrutura famosa da hélice dobro do ADN foi resolvida, trazendo sobre o nascimento da biologia molecular moderna. Desde então, o ADN foi estudado extensivamente como um material genético. Nos anos 70, a síntese do ADN da contínuo-fase foi inventada, permitindo que uma obtenha seqüências arbitrárias do oligonucleotide. Em 1986, a invenção da reacção em cadeia da polimerase (PCR) permitiu que um número infinito de cópias do ADN fosse amplificado mesmo de uma única molécula. É estas duas técnicas que tornaram possível explorar funções novas do ADN.

O ADN tem as estruturas altamente programáveis que podem ser projectadas basearam em uma regra de emparelhamento baixa simples. Por exemplo, um campo chamado nanotecnologia estrutural do ADN experimentou as revelações rápidas, manifestadas por muitos 2D e nanostructures 3D sofisticados publicados. [1] Em Cima destas estruturas, os vários nanoparticles foram depositados para oferecer outras funções. Um Outro avanço interessante era a descoberta do ADN como um catalizador (ADN catalítico) e para o reconhecimento molecular (aptamer), fazendo a ADN um substituto funcional para proteínas. Comparado às proteínas, o ADN é muito mais estável, mais fácil executar a rotulagem local-específica, e mais fácil para a conjugação aos vários materiais, popularizando o ADN como a molécula da escolha em construir nano funcional e matérias biológicos.

Nanomaterials

Os Nanomaterials são atractivos porque possuem o tamanho original e propriedades físicas distância-dependentes. Quando o tamanho de partícula puder ser síntese química directa bem controlada, o controle da distância da inter-partícula com precisão secundário-nanômetro e a organização de tipos diferentes de partículas permaneceram difíceis. O ADN fornece uma solução original a resolver estes problemas. Por outro lado, a propriedade molecular do reconhecimento de aptamers do ADN e do ADN permite que estes nanomaterials sejam usados para aplicações biosensing e biomedicáveis. [2,3] Meu laboratório está interessado em explorar a relação biofísica entre o ADN e vários nanomaterials para guiar o projecto de melhores biosensors, matérias biológicos, e sistemas de entrega da droga.

Compreensões Fundamentais

Dentro de um comprimento persistente de ~50 nanômetro, o ADN dobro-encalhado pode ser considerado como uma haste rígida com um diâmetro de apenas 2 nanômetro. Cada par baixo adicional contribui a um aumento do comprimento de 0,34 nanômetros. Conseqüentemente, o controle secundário-nanômetro da distância pode ser conseguido usando o ADN. Com a disponibilidade de uma escala diversa da química do acessório, o ADN pode ser ligado a quase todos os nanomaterials conhecidos. Nós estamos interessados em estudar as propriedades distância-dependentes de vários nanomaterials, incluindo nanoparticles do ouro, lipossoma, nanoparticles magnéticos, pontos do quantum, e graphene usando o ADN como um linker. Por exemplo, a Figura 1A mostra o conjunto de nanoparticles do ouro ADN-functionalized usando um ADN do linker com uma mudança subseqüente da cor de vermelho ao roxo. [4] A mesma ideia pode ser aplicada ao conjunto de nanoparticles macios do lipossoma (Figura 1B), [5] assim como ao híbrido do ouro-lipossoma (Figura 1C). [6] A distância da inter-partícula pode precisamente ser controlada mudando a seqüência do ADN. Estudar estes sistemas pode fornecer introspecções na interacção da ADN-superfície assim como no acoplamento de eventos físicos entre as partículas.

Figura 1. Diagramas Esquemáticos do conjunto ADN-dirigido dos nanoparticles do ouro (a), dos lipossoma (b), e dos seus híbrido (c).
(d) Uma micrografia do representante TEM da estrutura mostrada em (c).

Monitorização ambiental

Além de uma molécula estrutural simples, o ADN pode reconhecer uma vasta gama de íons, de moléculas, e mesmo de pilhas com especificidade alta. No caso de detectar o mercúrio altamente tóxico, um ADN rico do thymine é usado. Segundo as indicações de Figura 2, este ADN pode dobrar-se em um gancho de cabelo em cima do emperramento do mercúrio onde em cima da adição de emperramento do ADN uma tintura me chamou o Verde de SYBR (SG), uma fluorescência verde é obtido. Imobilizar o mercúrio que detecta o ADN a um hydrogel tem um número de vantagens. O gel permite a secagem e a regeneração do sensor. Mais importante, o gel pode activamente fixar o mercúrio, aumentando sua concentração dentro do gel. Através da imobilização, nós conseguimos uma detecção altamente selectiva e sensível de mercúrio sem o uso de todo o instrumento analítico. [7,8]

Figura 2. Um biosensor ADN-baseado imobilizado em um hydrogel para a detecção do mercúrio onde
O SG torna-se altamente fluorescente em cima da ligação à região dobro-encalhada no ADN.

Diagnóstico Biomedicável

Independentemente do reconhecimento de íons do metal pesado, os aptamers podem ser seleccionados para ligar outras moléculas tais como proteínas e metabolitos. Este processo de selecção do aptamer começa com uma biblioteca enorme de moléculas aleatórias do ADN onde somente as seqüências que ligam o metabolito sejam retidas. Em Figura 3, a seqüência que pode ligar ao ATP é mostrada. [9] Quando este aptamer puder detectar o ATP eficazmente no amortecedor puro, seu desempenho está interferido fortemente pela presença de soro de sangue. Para amostras de sangue, é importante conseguir a detecção em um volume de amostra muito pequeno. Nós encontramos aquele anexando o sensor aptamer-baseado em uma micropartícula magnética (MMP), ele somos possíveis para conseguir a detecção em apenas 10 mL do soro de sangue humano. Devido ao MMP, nós poderíamos separar a etapa obrigatória do ATP da etapa da detecção de sinal da fluorescência, permitindo que nós diluam o efeito do soro de sangue. [10]

Figura 3. Seqüência do aptamer obrigatório do ATP e de sua imobilização sobre
um MMP permitindo a detecção eficaz do ATP no soro de sangue humano.

Aplicações da entrega da Droga

O mesmo método da selecção do ADN pode igualmente ser usado para visar células cancerosas. [11] Muitos aptamers do ADN têm sido isolados já para visar muitas linha celular diferentes do tumor. Por exemplo, uma seqüência rica da guanina incorporou ensaios clínicos. Aproveitando-se de nanomaterials para a carga e a imagem lactente da droga, os matérias biológicos ADN-functionalized podem permitir que as funções sofisticadas sejam realizadas incluindo a entrega e o diagnóstico visados.

Em resumo, o ADN é uma molécula muito versátil com propriedades estruturais e funcionais. O ADN de Conexão com vário nano e os matérias biológicos pode significativamente melhorar o desempenho destas moléculas do ADN em várias aplicações. Ao mesmo tempo, a propriedade estrutural do ADN permite o conjunto preciso dos nanomaterials com elevada precisão, permitindo as compreensões biofísicas fundamentais que podem abastecer a revelação mais adicional de várias aplicações.

Referência

  1. Seeman NC. ADN em um mundo material. Natureza 2003; 421: 427-31.
  2. Storhoff JJ, Síntese Programada CA dos Materiais de Mirkin com ADN. Chem. Rev. 1999; 99: 1849-62.
  3. Liu J, Cao Z, Sensores do Ácido Nucleico do Lu Y. Funcional. Chem. Rev. 2009; 109: 1948-98.
  4. Smith BD, Liu J. Conjunto de ADN-Functionalized Nanoparticles em Solventes Alcoólicos Revela Oposto às Tendências Termodinâmicas e Cinéticas para a Hibridação do ADN. J. Am. Chem. Soc. 2010; 132: 6300-1.
  5. Dave N, Liu J. Programável Conjunto dos Lipossoma ADN-Functionalized pelo ADN. Acs 2011 Nano; 5: 1304-12.
  6. Dave N, Liu J. Protecção e Promoção do Escapamento Radiação-Induzido UV do Lipossoma através do Conjunto ADN-Dirigido com Ouro Nanoparticles. Adv. Mater. 2011; na imprensa.
  7. Dave N, Huang P-JJ, Chan MEU, Smith BD, Hydrogels de Liu J. Regenerable ADN-Functionalized para a Detecção e a Remoção Ultrasensitive, Instrumento-Livres de Mercury (II) na Água. J. Am. Chem. Soc. 2010; 132: 12668-73.
  8. KA de Joseph, Dave N, Resposta Visual da Fluorescência de Liu J. Electrostático Directed dos Hydrogels ADN-Functionalized Monolíticos para a Detecção Altamente Sensível de Hg2+. ACS Appl. Mater. Inter. 2011; 3: 733-9.
  9. Huizenga DE, Szostak JW. Um ADN Aptamer Que Ligue a Adenosina e o ATP. Bioquímica 1995; 34: 656-65.
  10. Huang PJJ, Liu JW. O Fluxo Cytometry-Ajudou à Detecção de Adenosina no Soro com um Sensor Imobilizado de Aptamer. Anal. Chem. 2010; 82: 4020-6.
  11. Colmilho XH, WH Bronzeado. Aptamers Gerou da Pilha-SELEX para a Medicina Molecular: Uma Aproximação Química da Biologia. CRNA. Chem. Res. 2010; 43: 48-57.

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

Last Update: 14. June 2013 07:14

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