Supramolecular structures of dendronized polymers and DNA on solid substrates
Creators: name: Gössl, Illdiko Maria
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Year: 2003
Subjects: subject: DNA Komplex
subject: Polyelektrolytkomplex
subject: Einfluss des Salzgehaltes
subject: Rasterkraftmikroskopie
subject: DNA complex
subject: polyelectrolyte complex
subject: influence of salt concentration
subject: scanning force microscopy
subject: 530 Physik
subject: 29 Physik, Astronomie
subject: UV 9500

description: Komplexe aus entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten haben sowohl in der Biologie als auch in den Materialwissenschaften eine große Bedeutung. Im Mittelpunkt des Interesses stehen besonders die Kondensation der DNA in vitro, die Struktur des Nukleosoms im Zellkern, nicht-virale Systeme zur Transfektion von DNA in Zellen oder der Vorgang der layer-by-layer Adsorption. Verschiedene Theorien befassen sich mit den treibenden Kräften solcher Komplexbildungen. Allerdings standen experimentelle Untersuchungen auf diesem Gebiet bisher noch aus. Dieser Arbeit liegt die Fragestellung zu Grunde, ob es mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie möglich ist, die Struktur einzelner Polyelektrolytkomplexe, bestehend aus den beiden Polyelektrolyten DNA und dendronisierten Polymer, aufzuklären und ihre Komplexbildung zu untersuchen. Die Komplexe bildeten sich in Lösung und wurden anschließend auf einer unbeschichteten oder mit positiven Polymeren beschichteten Glimmeroberfläche adsorbiert. Auf der positiv beschichteten Glimmeroberfläche hafteten DNA-dendronisierte Polymer Komplexe mit einem Ladungsverhältnis von 1:1 bis 1:0.7 (DNA:dendronisiertes Polymer). Anhand der hochaufgelösten rasterkraftmikroskopischen Aufnahmen wurde ein Modell entwickelt, das die Umwicklung der DNA um das dendronisierte Polymer beschreibt. Der DNA-DNA Abstand ergab sich zu (2.30 ± 0.27) nm für den Komplex mit DNA und zweiter Generation dendronisierter Polymere und zu (2.16 ± 0.27) nm mit vierter Generation. Die theoretische Vorhersage der Überladung der Komplexe konnte experimentell bestätigt werden. Mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie konnte überdies der Einfluss des Salzgehaltes der Lösung auf die Bildung der Komplexe mit DNA und zweiter Generation dendronisierter Polymere untersucht werden. Wie man anhand des Zusammenwirkens von elektrostatischen Kräften und entropischen Wechselwirkungen bei der Adsorption von Polyelektrolyten vorhersagen kann, durchlief der DNA-DNA Abstand ein Minimum bei ansteigendem Salzgehalt. Bei sehr hohem Salzgehalt (2.4 M NaCl) konnte das Ablösen der DNA von dem Komplex beobachtet werden. Die untersuchten DNA/dendroniserten Polymer Komplexe bilden ein neues Modellsystem, mit dem einzelne Polyelektrolyt-Wechselwirkungen direkt untersucht werden können. Ein Vergleich der experimentellen Daten mit den vorhandenen Theorien zeigte, dass der Prozess des Überladens weitgehend durch elektrostatische Wechselwirkung zwischen den beiden Polyelektrolyten beschrieben werden kann. Sowohl entropische Beiträge als auch die Biegeenergie der umwickelnden DNA sind vernachlässigbar. Basierend auf diesen Ergebnissen können neue Trägerstrukturen für effizientere nicht-virale DNA-Transfektionssysteme entwickelt werden.
description: Complexes of oppositely charged polyelectrolytes play an important role in both biology and material science, for instance DNA condensation in vitro, nucleosomal structure, non-viral gene transfection systems as well as layer-by-layer adsorption. Although there are theories predicting overcharging of polyelectrolyte complexes, the driving forces are still under debate and systematic experimental studies on single polyelectrolytes remain challenging. Therefore the question arose if it is possible to analyze single polyelectrolyte complexes, using DNA and dendronized polymers, with the scanning force microscope in order to investigate the complexation in detail. For the complex analysis, the polyelectrolytes were allowed to interact in solution and then to adsorb on negatively charged mica or on mica coated with a positively charged polymer. Scanning force microscopy was used to investigate the adsorbed species. DNA/dendronized polymer complexes of charge ratio of 1/1 through 1/0.7 adsorbed on mica coated with a positively charged polymer. The analysis of high resolution molecular images indicated that DNA wraps around the dendronized polymer with an estimated pitch of (2.30 ± 0.27) nm and (2.16 ± 0.27) nm for dendronized polymers of generation two and four, respectively. In the proposed model the polyelectrolyte with the smaller linear charge density is wrapped around the more highly charged dendronized polymer, resulting in a negatively overcharged complex. This overcharging is consistent within recent theories of spontaneous overcharging of complexes of one polyelectrolyte wrapping around the other. Using the complex of DNA and dendronized polymers of second generation, the influence of monovalent salt concentration on the molecular structure was studied. By increasing the salt concentration the pitch showed a minimum as predicted by the interplay of electrostatic forces and entropic interactions of polyelectrolyte adsorption. At high salt concentration (2.4 M NaCl) the release of DNA from the complex can be observed. The results showed that the DNA/dendronized polymer system can be used as a new, high potential model system to investigate single polyelectrolyte interactions. With regard to recent theories, the experimental results indicate that the overcharging of the complex is mainly driven by electrostatic forces whereas contributions of counterion entropy and bending energy seem to be negligible. This understanding may be useful for the design of single polyelectrolyte complexes for non-viral gene delivery systems and might help to optimize the transfection efficiency based on the structure of the vector system.