Поливалентные наночастицы золота ДНК - Polyvalent DNA gold nanoparticles

Поливалентная ДНК наночастиц золота, теперь чаще называют сферические нуклеиновые кислоты,[1] (Рис.1) являются коллоидное золото частицы, плотно модифицированные короткими (обычно ~ 30-мерными или менее) высокоориентированными синтетическими ДНК пряди. Они были изобретены Чад Миркин и другие. в Северо-Западный университет в 1996 г.[2] Пол Аливисатос и другие. на Калифорнийский университет в Беркли в том же году представила родственную одновалентную структуру.[3] Из-за сильного взаимодействия между золотом и тиолы (-SH), первые наночастицы золота поливалентной ДНК были получены путем покрытия наночастиц золота плотным монослоем модифицированной тиолом ДНК. Плотная упаковка и отрицательный заряд фосфатных оснований ДНК ориентируют ее в раствор (как «коуш мяч ”) С площадью основания, зависящей от таких факторов, как размер частиц и радиус кривизны.[4]

Рисунок 1. Схема наночастицы золота поливалентной ДНК.

Свойства и приложения

Трехмерная структура оболочки ДНК придает этим конъюгатам новые химические, физические и биологические свойства, которые не связаны с теми же последовательностями линейной ДНК, свободной в растворе. Например, наночастица СНС-золото конъюгирует[необходимо разрешение неоднозначности ] было показано, что они проявляют повышенное поглощение клетками по сравнению с их линейными аналогами.[5] Кроме того, при гибридизации с нуклеиновая кислота «Репортерская» нить, содержащая флуорофор эти поливалентные наночастицы можно использовать в качестве внутриклеточных зондов для обнаружения специфических мРНК последовательности в отдельных живых клетках.[6]

Наночастицы золота с поливалентной ДНК также способствовали значительному прогрессу в области материаловедение и инженерия. Когда один набор поливалентных наночастиц золота ДНК объединяется с другим, который функционализирован с помощью комплементарных последовательностей ДНК, частицы собираются посредством взаимодействий гибридизации ДНК. Эти наночастицы можно использовать для приготовления широкого спектра коллоидные кристаллы с суб-нанометр точность уровня (рис. 2).[7] Поливалентные наночастицы золота ДНК также составляют основу новой области химии, где частица можно рассматривать как «атом», а ДНК как «связи» для создания материалов более высокого порядка.[8]

Рис. 2. Примеры сверхрешеток наночастиц, которые могут быть синтезированы на основе конъюгатов СНС-наночастицы. Частично доступ к различным структурам можно получить, изменив свойства оболочки ДНК. Структуры (слева) проверены с помощью малоуглового рентгеновского рассеяния (в центре) и электронной микроскопии (справа).

Благодаря кооперативным эффектам, возникающим из поливалентность (химия), конъюгат поливалентной SNA-наночастицы сильнее связывается с комплементарной свободной линейной цепью, чем та же последовательность ДНК, свободная в растворе.[9] Это открытие проложило путь к разработке различных методологий обнаружения на основе этого класса наночастиц.[10][11]

Синтез и функционализация

Наночастицы золота можно приобрести или синтезировать различными способами.[12] Существует несколько стратегий для функционализации наночастиц золота одноцепочечной ДНК; одна из наиболее часто используемых стратегий включает введение ДНК с тиоловыми концевыми группами в раствор наночастиц золота и постепенное увеличение концентрации соли, такой как NaCl. Добавление NaCl уменьшает силы отталкивания между одноименно заряженными цепями ДНК (отрицательными), так что они плотно упаковываются на поверхности наночастиц. Типичная процедура получения наночастиц золота поливалентной ДНК кратко описана ниже:[13]

  1. Уменьшите дитиоловые фрагменты, добавив 0,1 М дитиотреитол (DTT) в 0,18 М фосфатном буфере (PB) (pH = 8) к лиофилизированной тиолированной ДНК и давая раствору отстояться не менее 1 часа.
  2. Очистите ДНК с помощью колонки NAP-5.
  3. Добавьте очищенную ДНК к наночастицам золота в концентрации 1 OD / мл.
  4. Принесите концентрацию додецилсульфат натрия (SDS) и PB до конечных концентраций 0,01% и 0,01 M соответственно.
  5. Через 20 минут доведите концентрацию NaCl до 0,05 M, используя 2 M NaCl / 0,01 M маточный раствор PB, поддерживая 0,01% SDS. Инкубируйте 20 минут.
  6. Повторите шаг 5, чтобы увеличить концентрацию NaCl на 0,05 М.
  7. Увеличивайте концентрацию NaCl с шагом 0,1 М до достижения конечной концентрации 1 М, используя 20-минутные периоды инкубации.
  8. Инкубируйте в течение ночи.
  9. Центрифугируйте раствор наночастиц золота (функционализированные частицы будут собираться на дне реакционного сосуда), удалить супернатант и повторно суспендировать частицы в 0,1% растворе SDS.
  10. Повторите шаг 9 четыре раза, чтобы завершить очистку функционализированных частиц от любого избытка свободной ДНК в растворе.

Рекомендации

  1. ^ Катлер, Дж. И .; Auyeung, E .; Миркин, К. А. «Сферические нуклеиновые кислоты», Журнал Американского химического общества, 2012, 134, 1376–1391, DOI: 10.1021 / ja209351u.
  2. ^ Миркин, С. А .; Letsinger, R.L .; Mucic, R.C; Сторхофф, Дж. Дж. «Метод на основе ДНК для рациональной сборки наночастиц в макроскопические материалы», Nature, 1996, 382, ​​607-609, DOI: 10.1038 / 382607a0.
  3. ^ Alivisatos, A. P .; Johnsson, K. P .; Пэн, X .; Wilson, T. E .; Loweth, C.J .; Bruchez, M. P., Jr .; Шульц, П. Г. «Организация« нанокристаллических молекул »с использованием ДНК», Nature, 1996, 382, ​​609–611. DOI: 10.1038 / 382609a0
  4. ^ Hill, H.D .; Millstone, J. E .; Banholzer, M. J .; Миркин, Ч.А. «Роль радиусов кривизны при нагрузке тиолированных олигонуклеотидов на наночастицы золота», 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 .; Миркин, С.А. «Олигонуклеотид-модифицированные золотые наночастицы для регуляции внутриклеточных генов», Science, 2006, 312, 1027-1030. DOI: 10.1126 / science.1125559.
  6. ^ 305. Seferos, D. S .; Giljohann, D.A .; Hill, H.D .; Пригодич, А.Е .; Миркин, К. А. «Нано-вспышки: зонды для трансфекции и обнаружения мРНК в живых клетках», Журнал Американского химического общества, 2007, 129, 15477-15479. DOI: 10.1021 / ja0776529.
  7. ^ Macfarlane, R.J .; Ли, Б .; Jones, M. R .; Harris, N .; Schatz, G.C .; Миркин, Ч.А. «Инженерия сверхрешеток наночастиц с ДНК», Наука, 2011, 334, 204-208. DOI: 10.1126 / science.1210493.
  8. ^ Jones, M. R .; Seeman, N.C .; Миркин, К.А. «Программируемые материалы и природа связи ДНК», Science, 2015, 347, 1260901, DOI: 10.1126 / science.1260901.
  9. ^ Lytton-Jean, A.K.R .; Миркин, К. А. «Термодинамическое исследование связывающих свойств ДНК-функционализированных зондов наночастиц золота и зондов молекулярных флуорофоров», Журнал Американского химического общества, 2005, 127, 12754-12755. DOI: 10.1021 / ja052255o.
  10. ^ Taton, T. A .; Миркин, С. А .; Летсингер, Р. Л. «Сканометрическое обнаружение массива ДНК с помощью зондов наночастиц», Science, 2000, 289, 1757-1760. DOI: 10.1126 / science.289.5485.1757.
  11. ^ Nam, J.-M .; Thaxton, C.S .; Миркин, К. А. «Биошиковые коды на основе наночастиц для сверхчувствительного обнаружения белков», Science, 2003, 301, 1884-1886. DOI: 10.1126 / science.1088755.
  12. ^ Лю, Б .; Лю Дж. «Методы получения ДНК-функционализированных наночастиц золота, ключевого реагента биоаналитической химии», Аналитические методы, 2017, 9, 2633-2643. DOI: 10.1039 / c7ay00368d.
  13. ^ Hurst, S.J .; Lytton-Jean, A.K.R .; Миркин, К. А. "Максимальное увеличение нагрузки ДНК на различные размеры наночастиц золота", Аналитическая химия, 2006, 78, 8313–8318. DOI: 10.1021 / ac0613582.