Self-assembly of Artificial DNA Nano and Microscale Motifs [Elektronische Ressource] / Thomas L. Sobey. Betreuer: Friedrich Simmel

Thomas Sobey

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• Physik

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 10
• Langue: English
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Extrait

Self-assembly of Artificial DNA
Nano and Microscale Motifs
Thomas L. Sobey
Munich 2010Self-assembly of Artificial DNA
Nano and Microscale Motifs
Thomas L. Sobey
Dissertation
at the Faculty of Physics
Ludwig–Maximilians–Universität
Munich, Germany
authored by
Thomas L. Sobey
from Albury, Australia
15.07.2010Supervisor: Professor Friedrich C. Simmel
Co–supervisor: Professor Philip Tinnefeld
Date of Examination: 19.08.2010Abstract
Nanotechnology attempts to control matter at the nanometer scale so that new types
of materials, components and devices for a wide variety of applications can be developed.
Therearetwoapproachespossible. Thefirststemsfromsemiconductortechnologyinwhich
improvements in processing small structures have led to a drastic reduction in the size of
electronic components. The inverse approach – which is used in this work – orientates
itself around structures based on biological systems, in which highly dynamic nanometer
size components assemble themselves.
In this thesis it is shown how defined structures with sizes ranging from nanometers
to micrometres and made up of DNA molecules can self assemble. Self-assembly has four
defining features: structured particles, a suitable environment, a driving force and revers-
ible binding. DNA molecules are relatively stable and can be synthesised with arbitrary
sequences of four units, diffuse freely in an aqueous buffer under Brownian motion, and can
bind and unbind (using hydrogen bonding) with one another in the practical temperature
range between 0 and 100°C. They are thus useful building blocks for self-assembly.
A review is provided of some physical properties of DNA, and ofbled DNA
‘motifs’ and devices developed to date, along with examples that have been demonstrated
here in the laboratory. Such examples include DNA nanotubes, lattices, and ‘origami’
structures.
The idea of assembling structures – not by creating and breaking hydrogen bonds using
temperature changes – but rather by changing the concentration of small molecules known
as denaturants is introduced. The denaturants also form hydrogen bonds and can occupy
the binding sites of the DNA molecules. Decreasing the concentration of denaturants frees
the sites and allows the self-assembly of structures. This is demonstrated with
successful motifs, and provides an isothermal assembly technique that allows the use of
many temperature-sensitive components in DNA self-assembly.
It is shown that self-assembled motifs are useful as templates for nanoscale objects
such as fluorescent molecules, which can be set out in defined geometries. Moreover,
using newly developed optical super-resolution techniques, such geometries are resolved
belowtheopticaldiffractionlimit, providingthepossibilityfornanoscaleopticalcalibration
standards.
And finally the intrinsic stability of three-dimensional structures as compared to two-
dimensional structures is investigated, in that the assembly and ‘melting’ of DNA nan-
otubes is shown to be fundamentally different to that of DNA lattices, with the closed
form of the tubes providing a natural and significantly higher stability. This will be useful
for designing and building stronger structures in DNA nanotechnology.Zusammenfassung
Nanotechnologie strebt die Kontrolle von Materie auf der Nanometerskala an, wovon
man sich die Erzeugung von neuartigen Materialien und Werkstoffen für verschiedenste
technologische Anwendungen erhofft. Grundsätzlich gibt es hierfür zwei unterschiedliche
Ansätze. Der eine leitet sich von der Halbleitertechnologie ab, in der die Verfeinerung von
StrukturierungsprozessenindenletztenJahrzehntenzueinerdrastischenVerkleinerungvon
elektronischen Bauelementen geführt hat. Der umgekehrte Ansatz - der in der vorliegenden
Arbeit verfolgt wird - orientiert sich an der Strukturbildung in biologischen Systemen, in
denen nanometerskalige Strukturen durch hochdynamische, molekulare Selbstanordnungs-
und Selbstorganisationsprozesse erzeugt werden.
Im Folgenden wird gezeigt, wie mit Hilfe von Selbstanordnungsprozessen aus DNA-
Molekülen definierte Strukturen im Nanometer- bis Mikrometer- Bereich erzeugt werden
können. Selbstanordnungsphänomene treten auf, wenn folgende vier Voraussetzungen er-
füllt sind: die sich organisierenden Einheiten haben eine spezielle Struktur; sie befinden
sich in einer geeigneten Umgebung; es existiert eine Triebkraft für die Organisation und
die Bindungen zwischen den Einheiten sind reversibel. DNA Moleküle erfüllen diese Be-
dingungen. Sie sind chemisch relativ stabil und können mit beliebigen Sequenzen aus vier
„DNA-Basen“ synthetisiert werden, sie diffundieren in wässriger Umgebung unter dem
Einfluss Brown’scher Bewegung und sie können bei moderaten Temperaturen Bindungen
(Wasserstoffbrücken) eingehen und wieder lösen.
In der vorliegenden Arbeit wird zunächst ein Überblick über die physikalischen Ei-
genschaften von DNA-Moleküle gegeben und danach Beispiele von bisher entwickelten
selbstanordnenden „DNA-Motiven“ und DNA-Maschinen vorgestellt. Daraufhin werden
mehrere strukturellee vorgestellt, die im Rahmen dieser Arbeit erzeugt wur-
den, z.B. DNA-basierte Nanoröhren, zweidimensionale DNA-Gitter und DNA-„Origami-
Strukturen“. Insbesondere wird dabei gezeigt, dass man solche DNA-Strukturen auch her-
stellen kann, indem man die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen nicht nur durch
Temperaturänderungen beeinflusst, sondern durch Konzentrationänderungen von soge-
nannten „Denaturierungsmitteln“. Die Denaturierungsmittel formen ebenfalls Wasserstoff-
brücken und können die Bindungen der DNA besetzen. Fortwährende Verdünnung der
Denaturanten setzt die Bindungen wieder frei, und führt daher zur kontrollierten Selbst-
anordnung der DNA-Strukturen.
Selbstanordnende DNA-Motive haben sich als geeigneten Vorlagen für die Erzeugung
nanoskaliger Strukturen erwiesen. Zum Beispiel können fluoreszierende Moleküle in defi-
nierten Geometrien an DNA-Origami-Vorlagen angebunden werden. In dieser Arbeit wird
mit den neuartigen optischen Methoden der Superresolutionsmikroskopie gezeigt, wie man
solche Molekülmuster auch unterhalb der Beugungsgrenze auflösen kann. Aufgrund ihrer
Nanometerpräzision könnten solche Strukturen auch als „Eichstandards“ für die Superre-
solutionsmikroskopie verwendet werden.
Im abschließenden Teil der Arbeit wird die intrinsische Stabilität dreidimensionaler
Strukturen im Vergleich zu zweidimensionalen Strukturen untersucht. Dabei wird demons-
triert, dass die thermisch getriebene Dissoziation (der „Schmelzübergang“) von dreidimen-
sionalen DNA-Nanoröhren wesentlich anders ist, als die von zwei dimensionaler DNA-
Gittern. Dies liegt an kooperativen Wechselwirkungen aufgrund der geschlossenen Form
der Röhren, wodurch diese eine erhebliche höhere Stabilität erhalten.Contents
1 Introduction v
1.1 Motivation for this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
1.2 Outline of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
I Self-assembly and DNA 1
2bly itself 3
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 Structured particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 Reversible binding forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.3 Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.4 Driving forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.5 Boundaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.6 Types of self-assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.7 Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.7.1 Static . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.7.2 Dynamic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.8 Information content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.8.1 Templated . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.8.2 Algorithmic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.9 Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.9.1 Single level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.9.2 Multi-level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Other aspects of self-assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 Energy minimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.2 Nucleation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Engineered self-assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.1 Forward and backward problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.2 Yield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.3 Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
iii CONTENTS
3 DNA as a structured particle for self-assembly 11
3.1 Some physical properties of DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.1 DNA as a molecule and polymer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.2 Secondary structure . . . . . . . . . .