Наноматериалы на основе ДНК Зверева Мария Эмильевна кхн

Наноматериалы на основе ДНК Зверева Мария Эмильевна кхн, доцент Химического факультета кафедры химии природных соединений zvereva@genebee. msu. ru

План лекций: 1. Материалы на основе ДНК 2. Реализация направленного движения ( «ДНК-нанороботехника» ) 3. «ДНК-электроника» . Вычисления на основе ДНК. «Сложные диагностикумы» . 4. Наноматериалы в сиквенировании ДНК. РНК нанотехнологии для медицины.

Лекция 1

ДНК нанотехнология –это использование ДНК в качестве конструкционного материала для различных целей.

Какое свойство используется? – Самосборка! l Молекулярная самосборка - это процесс, при котором молекулы принимают определенную пространственную композицию без руководства или управления из внешнего источника. F. H. Beijer, H. Kooijman, A. L. Spek, R. P. Sijbesma & E. W. Meijer Angewandte Chemie International Edition, 1998 год, том 37, страницы 75 -78

Почему «ДНК» ? - возможен динамический и функциональный контроль - развитие технологии может привести к программируемому химическому синтезу - созданы наноразмерные системы, которые отзывчивы к окружающей их среде. -- возможны параллельные процессы ДНК нанотехнология Структурная (только материал) Функциональная (материал, способный к изменению, катализу) http: //www. nature. com/nnano/focus /dna-nanotechnology/index. html

Способность к самосборке. Изменение пространственной структуры при переходе от одноцепочечной к двуцепочечной ДНК «Клубок» «Стержень»

Структурная ДНК нанотехнология - первый путь: комбинирование устойчивых разветвленных ДНК-мотивов, чтобы произвести запрограммированные наномеханические машины и фиксированные или модифицированные шаблонные поверхности. Мотив: Перекрест ДНК – четыре руки. !Структура Холидея – подвижный стык!

ДНК-гидрогели a–c, FE-SEM images of dried X-DNA a, Y-DNA b and T-DNA c hydrogels. d– f, Confocal microscopic images of the swollen X-DNA d, Y-DNA e and T-DNA f hydrogels. g, AFM image of the X-DNA gel. Inset: A zoomed AFM image showing the pore size of the X-DNA gel. The scale bars are 200 m for a, d, and f, 50 m for b, 15 m for e, 10 m for c and 200 nm for g.

Материалы на основе ДНК трехмерные материалы - гидрогели üКонтролируемый размер пор üБиодеградируемость üРазличная скорость биодеградации в зависимости от структуры ØПрименение: Контейнеры для лекарств Nature Materials 5, 797 - 801 (2006), Dan Luo и др.

Материалы на основе ДНК трехмерные материалы - гидрогели üБиосовместимость üвключение клеток животных и их культивирование ØПрименение: трехмерное культивирование клеток для тканевой инженерии и клеточной терапии 100µМ CHO клетки (красный) и интеркалирующий в ДНК краситель (SYBR) (зеленый) Nature Materials 5, 797 - 801 (2006), Dan Luo и др.

Материалы на основе ДНК Блочная сборка Сборка из блоков б ок л ок бл

Материалы на основе ДНК Блочная сборка АСМ Ø молекулярные сетки разной пористости и форм отверстий Periodic Grid Lattices (Yan et al Nature, 2003)

Материалы на основе ДНК Блочная сборка: фиксация образованием ковалентной связи Фермент: ДНК-лигаза И АТР

Материалы на основе ДНК Конъюгация с наночастицами металлов. +ДНК-NH 2 S O NHДНК S Более 1/частицу ü химические методы Разработаны üМожно выделить частицы с определенным количеством коротких последовательностей ДНК (олигонуклеотидов) + Пример Разделения методом Электрофореза в агарозном геле: Наночастицы золота 2 нм - Наночастицы золота 2 нм и + 4 олигонуклеотида + 3 олигонуклеотида контроль+ 2 олигонуклеотида + 1 олигонуклеотид

Материалы на основе ДНК Блочная сборка: создание сеток из наночастиц металлов В Duke University выпускают гриды с порами в 6 микрон для структурных исследований, полученные таким способом. Nano Lett. , Vol. 6, No. 2, 248 -251 (2006)

Материалы на основе ДНК Конъюгация с наночастицами. Создание сеток из наночастиц металлов

Материалы на основе ДНК Блочная сборка: Возможность получить новые одноцепочечные концы: Эндонуклеазы рестрикции Фермент Рестриктаза Рибозимы или дезоксирибозимы (DNAzyme) – НК с особой структурой, которые в присутствии кофакторов вносят разрыв в цепь НК в строго определенном и заданном месте

Материалы на основе ДНК Блочная сборка. Возможность получить новые одноцепочечные концы и изменить структуру. До После Ned Seeman's Laboratory : seemanlab 4. chem. nyu. edu/DNAzyme. html

Двойной перекрест или DX мотив ! Узловые точки ограничены одной ориентацией! Можно создавать блоки с определенными свойствами

Двойной перекрест или DX мотив !Удобные блоки для сборки больших комплексов! !Возможно использование нескольких DX мотивов одновременно - новые свойства!

Материалы на основе ДНК Блочная сборка. Усиление блоков: дополнительные дуплексы АСМ Park et al: Angewandte Chemie , 2006

Материалы на основе ДНК дву- и трехмерные материалы. дву- и Структурно-функциализированные ДНК-наноматериалы. ØВключение ДНК-аптамеров ДНК-аптамеры. Reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology ISSN: 1939 -0041 http: //www 3. interscience. wiley. com/cgi-bin/fulltext/121524305 www. molgen. mpg. de/~nabt/background. html

Простая трансляционная система на основе DX- мотивов Одна последовательность переводится в другую на основе ключа –коротких олигонуклеотидов

Материалы на основе ДНК Применение ДНК-поверхности : подложка для сборки комплексов. ØПрименение: позволяют изучать пространственно-зависимые взаимодействия между различными биомолекулами и лигандами Белок 1 ДНК-адапторы Белок 2

Динамическая форма копирования, компонент захвачен между двумя независимо запрограммированными устройствами ДНК. Nature Nanotechnology 4, 245 - 248 (2009)

Nature Nanotechnology 4, 245 - 248 (2009)

Nature Nanotechnology 4, 245 - 248 (2009)

Nature Nanotechnology 4, 245 - 248 (2009)

Гексагональная основа - состоит из ряда единственным образом переплетенных нуклеиновых кислот с частичной комплиментарностью, чтобы сформировать 'подобные шестиугольнику' скрещивания, которые приводят к формированию полос. Nature Nanotech. 4, 249– 254 (2009)

ДНК нанотехнология: 2. 1. Материалы на основе ДНК 2. 1. 2. Применение ДНК-поверхности : подложка для сборки комплексов. ØПрименение: для самоорганизации каскадов мультиферментов, катализирующих последовательные превращения веществ Nature Nanotechnology 4, 211 - 212 (2009), Hao Yan и др.

Как закрепляли? 30 6 Через лизин

Nature Nanotechnology 3, 418 - 422 (2008)

ДНК нанотехнология: Материалы на основе ДНК-оригами (альтернатива блокам) Nature 440: 297– 302, (2006), Rothemund и др. Природная одноцеп. ДНК + Синтетические короткие ДНК (скрепки) Science 325, 725– 730 (2009), Shih и др.

Основа для литографии. ØПрименение: ДНК-оригами (6 нм) + литография (25 нм) = метод создания чипов Пресс-релиз компании IBM от августа, 2009: http: //www-03. ibm. com/press/us/en/pressrelease/28185. wss

ДНК-оригами использовано совместно с поверхностью для сортировки Гибридизация 50 нм Фильтрация Nature Nanotechnology 5, 121 - 126 (2010), Cha и др. 50 нм 1, 5 µM

http: //cadnano. org/ Folding DNA into Twisted and Curved Nanoscale Shapes Hendrik Dietz, Shawn M. Douglas, & William M. Shih Science, 325: 725– 730, 7 August 2009.

http: //cadnano. org/ - софт для 3 D моделирования ДНК-оригами

Nucleic Acids Research, 2009, Vol. 37, No. 15 5001– 5006

ДНК-трубки

ДНК нанотехнология: 2. 1. Материалы на основе ДНК 2. 1. 1. Конъюгация с наночастицами. Создание любых структур из наночастиц металлов ØДНК-сборка позволяет поместить дискретное число наночастиц в 2 -х и 3 -х мерном пространстве с точностью миллимикрона 5 нм 10 нм 5 нм www. biodesign. asu. edu

Трехмерное пространство - активный контроль четких трехмерных структур Полиэдры: -способности для управляемого трехмерного движение Впервые наблюдали при твердофазном синтезе.

Ионная сила Левая сторона этой схемы указывает молекулу, из которой произведены целевые продукты. Четыре соединяющихся области, X и ее дополнение X', Y и дополнение Y' обозначены выпуклостью от квадрата. 3' конец молекулы обозначен размерной стрелкой. Четыре независимых условия решения, используемые, чтобы произвести целевые продукты, показыны направо от базовой структуры. Соединение и винтовую закрученность, ожидаемую в каждом случае, показывают направо от этих условий

Узлы ДНК, переделанные topoisomerases I. Сверху три узла, которые образуются при определенных условиях : узел трилистника с положительными узлами, число 8 узлов, и узел трилистника с отрицательными узлами. Линии, указывающие пары оснований на нижней панеле, были удалены для ясности. '+' и '-'знаки около узлов указывают на топологические знаки. Равновесие, обозначенное между структурами, катализируется E. coli ДНК Topoisomerases I и III.

[a] Традиционные Кольца Борромео - особые связи. Если удалить одно кольцо, распадается вся структура. Признаки этих трех узлов около центра рисунка отрицательны, и признаки внешних трех узлов положительны. [b] Кольца Борромео с каждым узлом, замененным Тремя Узлами. Каждый узел замененный тремя узлами, полученными из 1. 5 поворотов ДНК, удваивает спираль. Внутренние двойные спирали правильно закрученные, соответствуют B-ДНК, и внешние двойныеспирали, соответствуют Z-ДНК. Представьте, что на этом рисунке как полярное проектирование Земли, где центр в Северном полюсе, и каждая точка на окружности соответствует Южному полюсу. [c] Стереоскопическое Представление [b]. Три внешних двойных спирали были свернуты под внутренним двойным спиралями, так, чтобы B-ДНК, соединение с 3 руками обрамляло 'Северный полюс' объекта и Z-ДНК разветвленное соединение с 3 руками, обрамляло 'Южный полюс' объекта. [d] Две шпильки были добавлены к 'экваториальным' секциям каждой стороны. Каждая шпилька содержит участок для эндонуклеазы, так, чтобы структура Борромео могла быть продемонстрирована в пробирке.

Программирование путей самосборки. Nature 451, 318 -322 (17 January 2008)

Возможность проектировать системы, которые выполняют динамические функции без человеческого вмешательства, которое необходимо закодировать в пределах биополимера! Возможность упорядочивать направления самособрки! Программирование геометрии: каталитическое самосборка разветвленных соединений с четырьмя руками и с тремя руками. Nature 451, 318 -322 (17 January 2008)

Программирование каталитической схемы: автокаталитическое формирование дуплекса за счет поперечным каталитической схемой с экспоненциальной кинетикой.

Программирование автономного передвижения: стохастическое движение двуногого ходока.

Переключаемые самозащищенные ДНК-структуры в коллоидных частицах Nature Materials 8, 590 - 595 (2009)

Nature Materials 8, 590 - 595 (2009)

Простой и чувствительный колориметрический метод измерения p. H, основанный на ДНК конформационном переключателе и агрегации золотых наночастиц

ДНК обеспечивает контроль сборки наночастиц Nature Materials 8, 365 - 366 (2009)

Другое применение ДНК в нанотехнологии Разделение нанотрубок по размеру с помощью ДНК