DNA som en Funktionell Polymer

Vid Professorn Juewen Liu

Professor Juewen Liu, AssistentProfessor, Avdelning av Kemi, Universitetar av Waterloo, Aveny för 200 Universitetar, Waterloo, Ontario, Kanada
Motsvarande författare: liujw@uwaterloo.ca

Sextio år sedan, strukturerar det berömdt av DNA-dubblettspiralen löstes som kommer med om födelsen av modern molekylär biologi. Sedan dess har DNA varit omfattande utstuderad som ett genetiskt materiellt. Fast-arrangera gradvis DNA-syntes uppfanns och att låta en erhålla den godtyckliga oligonucleotiden ordnar I 70-tal. I 1986 kedjar uppfinningen av polymerasen tillåten (PCR) reaktion ett oändligt numrerar av DNA kopierar för att förstärkas från även en singelmolekyl. Det är dessa två tekniker som har gjort det möjlighet för att undersöka nytt fungerar av DNA.

DNA har högt programmerbart strukturerar som kan vara planlagt baserat på ett enkelt baserar att para härskar. Till exempel har en sätta in som kallas strukturell DNA-nanotechnology, erfarit forutvecklingar som visas av många, publicerade sofistikerad 2D och nanostructures 3D. [1] På dessa strukturerar, olika nanoparticles har satts in för att erbjuda annan fungerar. En Annan intressant befordran var upptäckten av DNA som en katalysator (katalytisk DNA) och för molekylär erkännande (aptamer), danandeDNA en funktionell ersättning för proteiner. Jämfört till proteiner, är DNA mycket mer stabil, lättare att utföra plats-närmare detalj som märker och som är lättare för konjugation till olika material och att popularisera DNA som molekylen av primat, i konstruering funktionellt nano och av biomaterials.

Nanomaterials

Nanomaterials är attraktiva, därför att de äger unikt storleksanpassar och distansera-anhörig läkarundersökningrekvisita. Stundpartikeln storleksanpassar kan väl kontrolleras till och med kemisk syntes, distanserar kontrollera av inter-partikeln med precision under-nm, och organisationen av olika typer av partiklar återstod svår. DNA ger en unik lösning till lösning av dessa problem. Å andra sidan låter den molekylära erkännandeegenskapen av DNA- och DNA-aptamers dessa nanomaterials användas för biosensing- och biomedicalapplikationer. [2,3] Mitt labb intresseras, i undersökning det biophysical, har kontakt mellan DNA och olika nanomaterials för att vägleda designen av bättre biosensors, biomaterials och drogleveranssystem.

Grundöverenskommelser

Inom en ihärdig längd av ~50 nm, kan dubblett-strandad DNA vara ansedd som en styv stång med en diameter av precis 2 nm. Varje som är extra, baserar parar bidrar till en längdförhöjning av 0,34 nm. Därför kontrollerar under-nm av distanserar kan uppnås genom att använda DNA. Med tillgängligheten av ett olikt spänna av tillbehörkemi, DNA kan anknytas till nästan alla bekant nanomaterials. Vi intresseras, i att studera distansera-anhörigen rekvisitan av olika nanomaterials, inklusive guld- nanoparticles, liposomes, magnetiska nanoparticles, pricker quantumen, och graphene genom att använda DNA som en linker. Figurera shows 1A enheten av DNA-functionalized som guld- nanoparticles som använder en linkerDNA med ett följande, färgar ändring från rött till lilor, Till exempel. [4] Den samma idén kan appliceras till enheten av mjuka liposomenanoparticles (Figurera 1B), [5] såväl som den hybrid- guld--liposomen (Figurera 1C). [6] Inter-partikeln distanserar kan exakt kontrolleras, genom att ändra DNAEN, ordnar. När Du Studerar dessa system kan ge inblickar in i DNA-ytbehandla växelverkan såväl som koppla ihop av läkarundersökninghändelser bland partiklarna.

Figurera 1. Scheman av denriktade enheten av guld- nanoparticles (A), liposomes (B) och deras bland (C).
(D) En representativ TEM-micrograph av strukturera som in visas (C).

Miljö- övervakning

Det okända en enkel strukturell molekyl, DNA kan känna igen en lång räcka av joner, molekylar och även celler med kicknoggrannhet. I fallet av att avkänna det högt giftliga kvicksilvret, används en rik DNA för thymine. Som visat in Figurera 2, denna DNA kan vika in i en hårnål på kvicksilverbandet, var på tillägg av DNA bindande en färg kallade SYBR-Gräsplan Mig (SG), en grön fluorescence erhålls. Immobilizing av kvicksilvret som avkänner DNA till en hydrogel, har ett nummer av fördelar. Gelen låter avkännareuttorkning och regeneration. Huvudsakligen, kan gelen aktivt adsorbera kvicksilver som är ökande dess koncentration inom gelen. Via immobilization har vi uppnått ett högt selektivt, och känslig upptäckt av kvicksilver utan bruket av any analytiskt instrumenterar. [7,8]

Figurera 2. Enbaserad biosensor immobilized på en hydrogel för kvicksilverupptäckt var
SG blir högt fluorescerande på bandet till denstrandade regionen i DNAEN.

Biomedicaldiagnos

Frånsett kan erkännanden av heavy metaljoner, aptamers vara utvald till röran andra molekylar liksom proteiner och metabolites. Processaa starter för Detta aptamerval med ett enormt arkiv av slumpmässiga DNA-molekylar var endast ordnar att röran metaboliten behålls. I Figurera 3, ordna som kan röran till ATP visas. [9] Fördriva denna aptamer kan avkänna ATP effektivt i rent för att fungera som buffert, dess kapacitet störs starkt av närvaroen av blodserumen. För blod tar prov, det är viktigt att uppnå upptäckt i ett mycket litet tar prov volym. Vi grundar det, genom att fästa denbaserade avkännaren på en magnetisk microparticle (MMP), det, är möjligheten som uppnår upptäckt i precis 10 mL av människoblodserumen. På grund av MMPEN kunde vi avskilja ATP-bandet kliver från fluorescencen signalerar upptäckt kliver och att låta oss förtunna verkställa av blodserumen. [10]

Figurera 3. Ordna av den bindande aptameren för ATP och dess immobilization på
en MMP låta effektiv ATP-upptäckt i människoblodserum.

Drogleveransapplikationer

Den samma DNA-valmetoden kan också vara van vid uppsätta som mål cancerceller. [11] Många DNA-aptamers har redan isolerats för att uppsätta som mål många den olika tumorcellen fodrar. Till exempel ordnar har rich för en guanine skrivit in kliniska försök. Ta fördel av nanomaterials för drogen som laddar och avbildar, kan biomaterials DNA-functionalized, låta sofistikerat fungerar för att vara den realiserade däribland riktade leveransen och diagnosen.

I summariskt är DNA en mycket mångsidig molekyl med både strukturell och funktionell rekvisita. När du Har Kontakt DNA med olikt nano och biomaterials kan markant förbättra kapaciteten av dessa DNA-molekylar i olika applikationer. Samtidigt låter den strukturella egenskapen av DNA preciserar enheten av nanomaterials med kickprecision och att låta grunden biophysical överenskommelser som kan tanka den mer ytterligare utvecklingen av olika applikationer.

Hänvisa till

  1. Seeman NC. DNA i en sinnevärld. Natur 2003; 421: 427-31.
  2. Storhoff JJ, Mirkin CA. Programmerad MaterialSyntes med DNA. Chem. Rev. 1999; 99: 1849-62.
  3. Liu J, Cao Z, SyraAvkännare för Lu Y. Funktionell Nucleic. Chem. Rev. 2009; 109: 1948-98.
  4. Smeden BD, Liu J. Enhet av DNA-Functionalized Nanoparticles i Alkoholiserada Vätskor Avslöjer Thermodynamic och Kinetic Trender för Motsats för DNA-Hybridization. J. Förmiddag. Chem. Soc. 2010; 132: 6300-1.
  5. Dave N, Liu J. Programmerbar Enhet av Liposomes DNA-Functionalized vid DNA. Acs Nano 2011; 5: 1304-12.
  6. Dave N, Liu J. Skydd och Befordran av UV Utstrålning-Framkallat LiposomeLäckage via denRiktade Enheten med Guld- Nanoparticles. Adv. Mater. 2011; i press.
  7. Dave N, Huang P-JJ, MIN Chan, Smeden BD, Liu J. Regenerable DNA-Functionalized Hydrogels för Ultrasensitive Instrumentera-Fri Upptäckt och Borttagning för Mercury (II) Bevattnar in. J. Förmiddag. Chem. Soc. 2010; 132: 12668-73.
  8. Joseph KA, Dave N, Svar för Liu J. Elektrostatisk Rikta Visuellt hjälpmedelFluorescence av Monolitiska Hydrogels DNA-Functionalized för Högt Känslig Hg2+-Upptäckt. ACS Appl. Mater. Inter. 2011; 3: 733-9.
  9. Huizenga DE, Szostak JW. En DNA Aptamer Som Röror Adenosine och ATP. Biochemistry 1995; 34: 656-65.
  10. Huang PJJ, Liu JW. Flöde Cytometry-Hjälpte Upptäckt av Adenosine i Serum med en Immobilized Aptamer Avkännare. Analt. Chem. 2010; 82: 4020-6.
  11. Huggtand XH, Solbränd WH. Aptamers Frambragte från Cellen-SELEX för Molekylär Medicin: En Kemisk Biologi Att närma sig. Acc. Chem. Res. 2010; 43: 48-57.

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

Last Update: 14. June 2013 07:23

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