Polyvalentní DNA zlaté nanočástice - Polyvalent DNA gold nanoparticles

Polyvalentní DNA zlaté nanočástice, nyní běžněji označované jako sférické nukleové kyseliny,[1] (Obr. 1) jsou koloidní zlato částice hustě modifikované krátkými (typicky ~ 30 mer nebo méně), vysoce orientovanými, syntetickými DNA prameny. Byly vynalezeny Chad Mirkin et al. na Northwestern University v roce 1996.[2] Paul Alivisatos et al. na University of California, Berkeley téhož roku zavedla související monovalentní strukturu.[3] Vzhledem k silné interakci mezi zlatem a thioly (-SH), první polyvalentní zlaté nanočástice DNA byly získány uzavřením zlatých nanočástic hustou monovrstvou thiol-modifikované DNA. Hustý obal a negativní náboj fosfátových koster DNA ji orientuje do roztoku (jako „koosh míč ”) Se stopou, která závisí na faktorech, včetně velikosti částic a poloměru zakřivení.[4]

Obrázek 1. Schéma polyvalentní nanočástice zlata DNA.

Vlastnosti a aplikace

Trojrozměrná struktura pláště DNA dodává těmto konjugátům nové chemické, fyzikální a biologické vlastnosti, které nejsou spojeny se stejnými sekvencemi lineární DNA volné v roztoku. Například nanočástice ze zlata SNA konjugáty[nutná disambiguation ] Bylo prokázáno, že vykazují zvýšenou absorpci do buněk ve srovnání s jejich lineárními protějšky.[5] Navíc, když hybridizuje s a nukleová kyselina „Reportér“ vlákno obsahující a fluorofor sonda, tyto polyvalentní nanočástice mohou být použity jako intracelulární sondy k detekci specifických mRNA sekvence v jednotlivých živých buňkách.[6]

Polyvalentní nanočástice DNA zlata také podnítily významný pokrok v oblasti věda o materiálech a strojírenství. Když je jedna sada polyvalentních nanočástic DNA zlata kombinována s jinou, která je funkcionalizována komplementárními sekvencemi DNA, částice se shromažďují prostřednictvím hybridizačních interakcí DNA. Tyto nanočástice lze použít k přípravě široké škály koloidní krystaly s dílčínanometr přesnost úrovně (obr. 2).[7] Polyvalentní nanočástice DNA zlata také tvoří základ pro nové pole chemie, kde lze na částici pohlížet jako na „atom“ a DNA jako na „vazby“ za účelem výroby materiálů vyššího řádu.[8]

Obrázek 2. Příklady superlattic nanočástic, které lze syntetizovat na základě konjugátů SNA-nanočástice. K různým strukturám lze přistupovat částečně změnou vlastností obalu DNA. Struktury (vlevo) se ověřují pomocí malého úhlového rentgenového rozptylu (uprostřed) a elektronové mikroskopie (vpravo).

Kvůli účinkům spolupráce vyplývajícím z polyvalence (chemie), polyvalentní konjugát SNA-nanočástice se váže těsněji na komplementární volné lineární vlákno než stejná sekvence bez DNA v roztoku.[9] Toto zjištění připravilo cestu k vývoji různých metod detekce založených na této třídě nanočástic.[10][11]

Syntéza a funkcionalizace

Nanočástice zlata lze zakoupit nebo syntetizovat různými způsoby.[12] Existuje několik strategií pro funkcionalizaci nanočástic zlata s jednořetězcovou DNA; jedna z nejčastěji používaných strategií zahrnuje zavedení DNA zakončené thiolem do roztoku nanočástic zlata a postupné zvyšování koncentrace soli, jako je NaCl. Přidání NaCl snižuje odpudivé síly mezi podobně nabitými řetězci DNA (negativními), takže se hustě hromadí na povrchu nanočástic. Typický postup přípravy polyvalentních nanočástic zlata DNA je stručně popsán níže:[13]

  1. Snižte dithiolové skupiny přidáním 0,1 M dithiothreitol (DTT) v 0,18 M fosfátovém pufru (PB) (pH = 8) k lyofilizované thiolované DNA a roztok se nechá stát alespoň 1 hodinu.
  2. Purifikujte DNA pomocí kolony NAP-5.
  3. Přidejte vyčištěnou DNA k nanočásticím zlata v koncentraci 1 OD / ml.
  4. Přineste koncentraci dodecylsulfát sodný (SDS) a PB na konečné koncentrace 0,01%, respektive 0,01 M.
  5. Po 20 minutách upravte koncentraci NaCI na 0,05 M za použití 2 M NaCl / 0,01 M PB zásobního roztoku při zachování 0,01% SDS. Inkubujte 20 minut.
  6. Opakováním kroku 5 zvyšte koncentraci NaCl o 0,05 M.
  7. Zvyšujte koncentraci NaCl v krocích po 0,1 M, dokud není dosaženo konečné koncentrace 1 M pomocí 20minutových inkubačních dob.
  8. Inkubujte přes noc.
  9. Odstřeďte roztok nanočástic zlata (funkcionalizované částice se shromažďují na dně reakční nádoby), odstraňte supernatant a resuspendujte částice v 0,1% roztoku SDS.
  10. Opakujte krok 9 čtyřikrát, abyste dokončili čištění funkcionalizovaných částic od přebytku volné DNA v roztoku.

Reference

  1. ^ Cutler, J. I .; Auyeung, E .; Mirkin, C. A. „Spherical Nucleic Acids,“ Journal of the American Chemical Society, 2012, 134, 1376–1391, doi: 10.1021 / ja209351u.
  2. ^ Mirkin, C. A .; Letsinger, R. L .; Mucic, R. C; Storhoff, J. J. „Metoda racionálního sestavování nanočástic do makroskopických materiálů založená na DNA,“ Nature, 1996, 382, ​​607-609, doi: 10.1038 / 382607a0.
  3. ^ Alivisatos, A. P .; Johnsson, K. P .; Peng, X .; Wilson, T. E.; Loweth, C. J .; Bruchez, M. P., Jr.; Schultz, P. G. „Organizace„ nanokrystalických molekul “využívajících DNA,„ Nature, 1996, 382, ​​609–611. doi: 10.1038 / 382609a0
  4. ^ Hill, H. D .; Millstone, J. E .; Banholzer, M. J .; Mirkin, C. A. „Poloměr role zakřivení hraje v thiolovaných oligonukleotidech naložených na zlaté nanočástice,“ ACS Nano, 2009, 3, 418-424. doi: 10,1021 / nn800726e.
  5. ^ Rosi, N.L .; Giljohann, D. A .; Thaxton, C. S .; Lytton-Jean, A. K. R .; Han, M. S .; Mirkin, C. A. „Oligonukleotidem modifikované zlaté nanočástice pro regulaci intracelulárních genů,“ Science, 2006, 312, 1027-1030. doi: 10,1126 / science.1125559.
  6. ^ 305. Seferos, D. S .; Giljohann, D. A .; Hill, H. D .; Prigodich, A.E .; Mirkin, C. A. „Nano-flares: Probes for Transfection and mRNA Detection in Living Cells“, Journal of the American Chemical Society, 2007, 129, 15477-15479. doi: 10,1021 / ja0776529.
  7. ^ Macfarlane, R. J .; Lee, B .; Jones, M. R.; Harris, N .; Schatz, G. C .; Mirkin, C. A. „Nanoparticle Superlattice Engineering with DNA,“ Science, 2011, 334, 204-208. doi: 10,1126 / science.1210493.
  8. ^ Jones, M. R.; Seeman, N. C .; Mirkin, C. A. „Programmable Materials and the Nature of the DNA Bond,“ Science, 2015, 347, 1260901, doi: 10,1126 / science.1260901.
  9. ^ Lytton-Jean, A. K. R .; Mirkin, C. A. „Termodynamický výzkum vazebných vlastností DNA funkcionalizovaných sond nanočástic zlata a sond molekulárních fluoroforů“, Journal of the American Chemical Society, 2005, 127, 12754-12755. doi: 10,1021 / ja052255o.
  10. ^ Taton, T. A .; Mirkin, C. A .; Letsinger, R. L. „Scanometric DNA Array Detection with Nanoparticle Probes,“ Science, 2000, 289, 1757-1760. doi: 10,1126 / science.289.5485.1757.
  11. ^ Nam, J.-M .; Thaxton, C. S .; Mirkin, C. A. „Nanočásticové biočárové kódy pro ultracitlivou detekci proteinů“, Science, 2003, 301, 1884-1886. doi: 10,1126 / science.1088755.
  12. ^ Liu, B .; Liu, J. „Metody pro přípravu nanočástic zlata s funkcionalitou DNA, klíčového činidla bioanalytické chemie,“ Analytical Methods, 2017, 9, 2633-2643. doi: 10,1039 / c7ay00368d.
  13. ^ Hurst, S. J .; Lytton-Jean, A. K. R .; Mirkin, C. A. „Maximalizace zatížení DNA u řady velikostí nanočástic zlata“, Analytical Chemistry, 2006, 78, 8313–8318. doi: 10,1021 / ac0613582.