Biophysical investigations of different DNA origami nanostructures in various molecular and ionic environments
Creators: name: Hanke, Marcel
Publisher: name: Universität Paderborn
Year: 2023

description: DNA-Origami bietet als Bottom-up Konzept zur Assemblierung von wohldefinierten Nanostrukturen über eine einfache Ein-Topf-Reaktion ein breites Anwendungspotenzial in verschiedenen Bereichen wie z.B. Biomedizin, -sensorik, -physik, Nanoelektronik und -strukturierung. Dabei sind die strukturelle Stabilität, Integrität und Funktionalität der DNA-Origami unter verschiedenen molekularen und ionischen Bedingungen essenzielle Voraussetzung. Diese Arbeit befasst sich zunächst mit der Rolle von chaotropen Salzen in der DNA-Origami Stabilität. Die Ergebnisse verdeutlichten die Komplexität der DNA-Origami Interaktion unter verschiedenen chaotropen Bedingungen, in denen Faktoren wie Inkubationstemperatur und -zeit, das chaotrope Salz, sein Gegenion, als auch das DNA-Origami Design selbst einen voneinander abhängigen Einfluss auf die Stabilität der DNA-Origami haben. Als nächstes befasst sich die Arbeit mit dem Einfluss der Ionenstärke auf die thermische Stabilität der DNA-Origami. Dafür wurden Schmelztemperaturen von DNA-Origami bei verschiedenen Mg2+-Konzentrationen mittels Fluorimetrie gemessen, aus denen hervorging, dass die thermische Stabilität bei hoher Ionenkonzentration vermutlich durch mechanische Spannungen limitiert ist. Abschließend wurde in dieser Arbeit die Wirkstoffbeladung von einzelnen DNA-Origami mit Methylenblau erstmals mittels AFM-IR visualisiert, womit das Potential dieser Methode zur qualitativen und quantitativen Detektion von Wirkstoffbeladung aufgezeigt wurde.
description: DNA origami as a bottom-up concept for assembly of well-defined arbitrary nanostructures through a one pot reaction with high simplicity, short reaction times, and high yields provides a high application potential in various fields, e.g., biomedicine, -sensing, -physics, nanoelectronics, and -patterning. However, structural stability, integrity, and functionality of DNA origami under various molecular and ionic conditions are required. First, this work addresses the role of chaotropic agents in DNA origami stability. The results illustrated the complexity of DNA origami interaction under different chaotropic conditions in those various factors, i.e., incubation temperature, and time, the type of chaotropic agent, its counterions, and the DNA origami design itself have an interdependent effect on the DNA origami stability. Next, this work addresses the effect of the ionic strength on the thermal stability of DNA origami. The melting temperature of different DNA origami were measured at different Mg2+ concentrations by fluorimetry revealing that at high concentrations the thermal stability of DNA origami is presumably limited by mechanical strain other than by inter-helix repulsion. Finally, in this work, the drug loading of single DNA origami with the minor groove-binder methylene blue was visualized by AFM-IR for the first time, demonstrating that AFM-IR might become a new versatile tool for qualitative and quantitative drug loading detection in DNA origami applications.