Design, characterization and functionalization of DNA materials

DNA wird seit einigen Jahren zur Herstellung von Strukturen mit
Nanometer Präzision genutzt. Mittels der am häufigsten verwendeten
Techniken, “Tile” und “ DNA Origami”, wurden verschiedenste DNA
Objekte wie unter anderem DNA Kristalle, DNA Nanotubes, gebogene
und verdrehte Zylinder und selbst komplexe 3D Strukturen
hergestellt. Aufgrund der einzigartigen Kontrolle über die
räumliche Anordnung von DNA Molekülen wird DNA Nanotechnologie
heute in verschiedensten Forschungsgebieten wie struktureller
Biologie, Nanomedizin, Einzel-Molekül Detektion oder
Plasmon-Forschung verwendet. In dieser Arbeit wird systematisch die
Biege-Steifigkeit (Persistenz Länge) von DNA Nanotubes (HX-Tubes)
als Funktion des Umfangs untersucht. Dazu wurden mikrometer- weite
thermische Nanotube Fluktuationen mittels Fluoreszenz Mikroskopie
analysiert (A,B). Zusätzlich wurden intrinsische und thermische
Nanotube Verdrehungen durch Anbindung von Gold-Nanopartikeln (AuNP)
und Transmissions Elektronen Mikroskopie (TEM) sicht- bar gemacht
(C). Aus diesen Messungen ergibt sich, dass die Peristenz Länge
sich pro- portional zum Flächenträgheitsmoment des Nanotube
Querschnitts verhält, intrinsische Verdrehungen nur auftreten, wenn
sie durch die DNA Sequenzen vorgegeben sind und dass thermische
Verdrehungen u ̈ber sehr viel kürzere Distanzen als die Persistenz
Länge auftreten. Des weiteren wurde ein DNA Nanotube
Elastizitäts-Modell hergeleitet, das Ver- formungen von
doppelstängiger DNA sowie von Cross-Overn berücksichtigt und
gezeigt, dass alle Messungen in guter Übereinstimmung mit dem
Modell sind. Um ein besseres Verständnis für den Zusammenhang
zwischen Persistenz Länge und dem Aufbau von DNA Nanotubes auf der
Ebene einzelner DNA Moleküle zu gewinnen wurden die thermischen
Verbiegungen von verschiedenen sechs-Helix-Tubes mit
unterschiedlichen DNA Architekturen untersucht. Die Ergebnisse
zeigen, dass das Anordnen von mehreren Cross-Overn innerhalb einer
Tube Querschnittsfläche sowie die Verringerung der Dichte von DNA
Cross-Overn die Persistenz Länge verringert. Die Ergebnisse werden
im Rahmen des zuvor hergeleiteten Elastizitäts Modell diskutiert.
Es wurden verschiedene Strategien zur Herstellung von gebogenen und
verdrehten DNA Nanotubes entwickelt. Biegung und Drehung wurden
durch gezielte Einfügung oder Auslassung von Basenpaaren, speziell
programmierten Faltungswegen, oder spezielle Anordnung von
komplementären DNA Sequenzen innerhalb der Nanotubes kontrolliert.
Nanotube Konturen wurden mittels TEM, Rasterkraftmikroskopie (AFM),
UV-Absorption, sowie stochastischer optischer
Rekonstruktionsmikroskopie (STORM) charakterisiert. Die Mes- sungen
zeigen, dass gebogene Nanotubes meist geschlossene Ringe bilden und
Nanotubes mit Biegung und Drehung helix-förmig sind (D). Es wird
gezeigt, dass Anbindung des organischen Farbstoffs Cy3 an einen
oder mehrere DNA Stränge der HX-Tubes ebenfalls zur Ausbildung von
Helix-förmigen Nanotubes führt (E). Ganghöhe und Radius der
Nanotubes mit Cy3 Anbindung wurden systematisch in Abhängigkeit der
Cy3-Bindungsposition gemessen und das Ergebnis mit einem einfachen
Cy3-DNA Bindungsmodell verglichen. Des weiteren wurden die
optischen Eigenschaften von Cy3 Moleku ̈len, gebunden an HX-Tubes
mittels Fluoreszens-Polaristations-Mikroskopie (FPM) und
Fluoreszenslebensdauer Messungen untersucht. Es wurde ein
Zusammenhang zwischen Anisotropie (gemessen mittels FPM) und der
Orientierung der Cy3 Dipol Achse hergeleitet. Die beobachtete
Anisotropie entspricht in diesem Modell einem Winkel von ca. 60°
zwischen Cy3-Dipol und DNA Achse. Es wird gezeigt, dass die
Ausbildung von fluoreszenten Silber Clustern, bestehend aus wenigen
Atomen (Ag-DNA) innerhalb von einzelsträngigen “DNA hairpins” an
der Oberfläche von DNA Nanotubes stattfinden kann (F). DNA
Nanotubes mit Ag-DNA Clustern sind fluoreszent und konnten mittels
Fluoreszenz Mikroskopie sichtbar gemacht werden. Als Nebenprodukt
der Ag-DNA Synthese wurde Aggregation von DNA Nanotubes beobachtet.
Es wurden zwei neue Methoden zur Weiterentwicklung der DNA Origami
Methode untersucht: 1) Kristallisierung von rechteckigen DNA
Origami Strukturen zu 1D Ketten und 2D Gittern (G) und 2) Anbindung
von “Tiles” an einer DNA origami “Schablone”. Die Faltungs-Ausbeute
beider Strategien wurde mittels Gel Elektrophorese, TEM und AFM
charakterisiert. Schließlich wird im letzten Kapitel eine Sammlung
von Matlab Programmen vorgestellt, die benutzt wurden um DNA
Nanotube Kontouren automatisch aus Bild Daten auszulesen,
Persistenz Länge zu bestimmen, polarisierte Fluoreszenz Bilder
auszuwerten und DNA Sequenzen zu generieren.