DNA origami nanoyapıların yapısal kararlılığının ve elektronik özelliklerinin moleküler dinamik ve yoğunluk fonksiyonel teorisi simülasyonları ile incelenmesi
Investigation of the structural stability and electronic properties of DNA origami nanostructures by simulations of molecular dynamics and density functional theory
Yazar: BÜŞRA DEMİR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ERSİN EMRE ÖREN
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology

Özet:
Deoksiribonükleik asit (DNA) canlılarda genetik bilgiyi oluşturan temel moleküldür. Bunun yanı sıra, tamamlayıcı nükleotid çiftlerinin kendilerine has etkileşimleri ve nükleotidlerin istenilen diziler halinde kolayca üretilebilmesi nedeniyle nanoteknoloji uygulamalarında önemli bir potansiyele sahiptir. Uzun, tek iplikli DNA molekülünün, daha kısa iplikli DNA'lar ile birleştirilmesi sonucunda, "DNA Origami" olarak adlandırılan, istenilen şekillerde iki veya üç boyutlu nanoyapılar elde edilebilmektedir. DNA origami nanoyapılar, ilaç taşınımı, biyoalgılayıcı, inorganik malzeme sentezi gibi çeşitli uygulamalı araştırmaların yanı sıra üretim kolaylığı nedeniyle, son yıllarda hız kazanan moleküler elektronik uygulamaları için de yüksek potansiyele sahiptir. Bahsedilen bu uygulamalar için DNA origami kullanılarak cihazların üretilebilmesi ve uzun süreli dayanıklılığı, tasarlanan nanoyapılarının yapısal kararlılıklarını korumasına ve ayrıca elektronik özelliklerinin uygulamaya yönelik olarak tasarlanabilmesine bağlıdır. 
DNA origami yapısının kararlılığının geometri, sarmal sayısı ve çevresel koşullara bağlı olduğu bilinse de bu etkilerin doğası şimdiye kadar çok az anlaşılmıştır. Ayrıca yapısal değişikliklerin DNA origamilerin elektronik özellikleri üzerindeki etkilerini anlamak yeni elektronik cihazların geliştirilmesi için önemlidir. Bu tez kapsamında AMBER ve NAMD programları ile moleküler dinamik simülasyonları kullanılarak farklı DNA origami nanoyapılarının üç boyutlu yapıları modellendi. DNA origami nanoyapılarının konformasyonları üzerinde üç farklı parametrenin etkileri modelleme yöntemleri ile araştırıldı: 1) altın (111) yüzeyi, 2) DNA sarmallarının bağlantı noktalarının sıklığı ve 3) tuz konsantrasyon farkı. DNA origami yapılarını temsil eden daha küçük çift sarmal DNA molekülleri oluşturuldu ve altın (111) yüzeyiyle etkileşimler nedeniyle meydana gelen yapısal deformasyonların elektronik özelliklere olan etkileri GAUSSIAN programı kullanılarak incelendi. Ayrıca, biyoelektronik uygulamalar için DNA origami nanoyapısının 1,2-Dioleoil-sn-glisero-3-fosfokolin (DOPC) lipit çift tabakası içerisindeki yapısal kararlılığı araştırıldı. Daha sonra genişletilmiş Hückel metodu ve yoğunluk fonksiyonel teorisi hesaplamaları ile enerji bant diyagramları ve moleküler orbital pozisyonları araştırıldı. DNA origami yapılarında elektriksel iletkenliğin sarmallar arasındaki iletimi incelendi. Bu çalışmaların DNA origamilerin yapısal kararlılıklarının anlaşılmasına ve DNA origami yapılarının uzun vadeli kullanımının önünü açarak ileride nanoteknolojik yeni cihazların ve uygulamaların geliştirilmesine katkı sağlaması beklenmektedir.

Abstract:
Deoxyribonucleic acid (DNA) is the fundamental molecule that is responsible from the genetic information in living organisms. It also has a great potential in nanotechnology applications due to its unique interactions of complementary base pairs and the ability to be produced easily in a desired sequence. Combination of a long, single DNA strand with shorter DNA strands can result in desired two- or three – dimensional nanostructures which is called "DNA Origami". DNA origami nanostructures have a high potential for various applied research such as drug delivery, biosensing, inorganic material synthesis, as well as molecular electronics applications, which have gained momentum in recent years due to their ease of production. DNA origami nanostructures designed for these applications should maintain their structural stability and should be able to be designed with desired properties for electronic applications. Although it is known that the stability of the DNA origami structures depends on geometry, helix number, and environmental conditions, the nature of these effects has so far been poorly understood. In addition, understanding the effects of structural changes on the electronic properties of DNA origami is crucial for the development of new electronic devices. In this thesis, three-dimensional structures of different DNA origami nanostructures were modeled by using molecular dynamics methods with AMBER and NAMD programs. The effects of three different parameters on the conformation of DNA origami nanostructures were investigated via modeling methods: 1) gold (111) surface, 2) frequency of junction points of DNA helixes, and 3) salt concentration difference. Smaller double-stranded DNA molecules representing DNA origami structures were created and the effects of structural deformations due to the gold (111) surface on electronic properties were inspected using the GAUSSIAN program. In addition, the structural stability of the DNA origami nanostructure within the 1,2-Dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC) lipid bilayer for bioelectronic applications was examined. Then, energy band diagrams and molecular orbital positions were studied with Extended Hückel and density functional theory calculations. The transmission of electrical conductivity between the helices in DNA origami structures was explored. It is expected that these studies will contribute to the development of new nanotechnological devices and applications in the future by paving the way for the understanding of the structural stability of DNA origami and the long-term use of DNA origami structures.