Authors:	Wang, Jie
Title:	DNA block copolymers – from micelles to machines
Online publication date:	21-Jan-2009
Year of first publication:	2009
Language:	english
Abstract:	DNA block copolymer, a new class of hybrid material composed of a synthetic polymer and an oligodeoxynucleotide segment, owns unique properties which can not be achieved by only one of the two polymers. Among amphiphilic DNA block copolymers, DNA-b-polypropylene oxide (PPO) was chosen as a model system, because PPO is biocompatible and has a Tg < 0 °C. Both properties might be essential for future applications in living systems. During my PhD study, I focused on the properties and the structures of DNA-b-PPO molecules. First, DNA-b-PPO micelles were studied by scanning force microscopy (SFM) and fluorescence correlation spectroscopy (FCS). In order to control the size of micelles without re-synthesis, micelles were incubated with template-independent DNA polymerase TdT and deoxynucleotide triphosphates in reaction buffer solution. By carrying out ex-situ experiments, the growth of micelles was visualized by imaging in liquid with AFM. Complementary measurements with FCS and polyacrylamide gel electrophoresis (PAGE) confirmed the increase in size. Furthermore, the growing process was studied with AFM in-situ at 37 °C. Hereby the growth of individual micelles could be observed. In contrast to ex-situ reactions, the growth of micelles adsorbed on mica surface for in-situ experiments terminated about one hour after the reaction was initiated. Two reasons were identified for the termination: (i) block of catalytic sites by interaction with the substrate and (ii) reduced exchange of molecules between micelles and the liquid environment. In addition, a geometrical model for AFM imaging was developed which allowed deriving the average number of mononucleotides added to DNA-b-PPO molecules in dependence on the enzymatic reaction time (chapter 3). Second, a prototype of a macroscopic DNA machine made of DNA-b-PPO was investigated. As DNA-b-PPO molecules were amphiphilic, they could form a monolayer at the air-water interface. Using a Langmuir film balance, the energy released owing to DNA hybridization was converted into macroscopic movements of the barriers in the Langmuir trough. A specially adapted Langmuir trough was build to exchange the subphase without changing the water level significantly. Upon exchanging the subphase with complementary DNA containing buffer solution, an increase of lateral pressure was observed which could be attributed to hybridization of single stranded DNA-b-PPO. The pressure versus area/molecule isotherms were recorded before and after hybridization. I also carried out a series of control experiments, in order to identify the best conditions of realizing a DNA machine with DNA-b-PPO. To relate the lateral pressure with molecular structures, Langmuir Blodgett (LB) films were transferred to highly ordered pyrolytic graphite (HOPG) and mica substrates at different pressures. These films were then investigated with AFM (chapter 4). At last, this thesis includes studies of DNA and DNA block copolymer assemblies with AFM, which were performed in cooperation with different group of the Sonderforschungsbereich 625 “From Single Molecules to Nanoscopically Structured Materials”. AFM was proven to be an important method to confirm the formation of multiblock copolymers and DNA networks (chapter 5). DNA-Blockcopolymere gehören zu einer neuen Klasse von hybriden Materialien, die aus zwei unterschiedlichen funktionellen Einheiten bestehen. Die Blockcopolymere zeichnen sich durch einen einzigartigen Charakter aus, die nicht durch eine einzige der beiden funktionellen Einheiten gebildet werden kann. Meine Arbeit beschäftigt sich insbesondere mit den Eigenschaften von DNA-b-Polypropylenoxid (PPO) Molekülen. Dieses DNA-Blockcopolymere sind amphiphil und sie stellen ein Modellsystem für die Biotechnik dar, da PPO biokompatibel ist und ein Tg unter 0°C aufweist. Diese beiden Eigenschaften können wichtig für zukünftige Anwendungen im lebenden Organismus sein. Zuerst wurden Mizellen bestehend aus DNA-b-PPO Molekülen mittels Rasterkraftmikroskopie (RKM) und Fluoreszenz-Korrelations-Mikroskopie (FKM) in Wasser untersucht. In einem Experiment wurden die DNA-Stränge mit templat-unabhängiger DNA-Polymerase (TdT) sowie Deoxynukleotidtriphosphat in einer reagierende Pufferlösung ergänzt, um die Mizellen kontrolliert zu vergrößern. Dabei wurde das Wachstum von Mizellen mit dem RKM auf Glimmer-Substraten visualisiert. Die Größe der Mizellen wurde unabhängig davon mittels FCS und Polyacrylamid Gel Elektrophorese (PAGE) bestimmt, die die RKM-Untersuchungen bestätigten. Darüber hinaus wurde der enzymatische Prozess der Mizellevergrößerung mit RKM bei 37°C direkt in der Reaktionslösung untersucht. Dabei konnte das Wachstum von einzelne Mizellen direkt beobachtet werden. Wir fanden, dass das Mizellwachstum nach einer Stunde nach dem Start der Reaktion zum erliegen kam. Wir führten diese Beobachtung auf zwei wesentliche Einflüsse zurück: (a) das Vorhandensein der Glimmeroberfläche auf den katalytische Reaktion und (b) auf den geringeren Austausch von Moleküle zwischen Mizellen und der Lösung. Basierend auf den experimentellen Daten entstand ein geometrisches Modell für die RKM-Abbildung von DNA-b-PPO Mizellen. Diese Modell erlaubt eine Schätzung der Anzahl der Mononukleotidmoleküle, die abhängig von enzymatische Reaktionszeit zum DNA-b-PPO hinzugefügt wurden. Dann wurde ein Prototyp einer makroskopischen DNA-Maschine bestehend aus DNA-b-PPO Molekülen untersucht. DNA-b-PPO Moleküle sind amphiphil und können daher eine Monoschicht an der Luft-Wasser Grenzfläche bilden. Die Energie, die bei Hybridisierung der einzelsträngigen DNA erzeugt wurde, wurde zum Teil zur Bewegung der Barriere einer Filmwaage (Langmuir Trog) verwendet. Insbesondere wurde ein Aufbau entwickelt, der es erlaubt die Subphase innerhalb einer Filmwaage ohne wesentliche Änderungen des Wasserspiegels auszutauschen. Während der Hybridisierungsreaktion wurde eine Erhöhung des Drucks beobachtet. Insbesondere zeigten Druck-Flächen-Isothermen einen Anstieg des Drucks. Eine Reihe von Referenzexperimenten wurde durchgeführt, um geeignete Bedingungen und maximale Effizienz einer DNA-Maschine zu ermitteln. Diese Untersuchungen wurden ergänzt durch eine Reihe von RKM-Untersuchungen von monomolekularen Filmen, die auf Graphit-Oberflächen (HOPG) transferiert wurden. Zuletzt behandelt diese Arbeit Untersuchungen von unterschiedlichen DNA- und DNA-Blockcopolymeren zur Erzeugung von selbstorganisierenden DNA-Nanostrukturen mittels RKM. Diese Arbeit ist im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB625 „From Single Molecules to Nanoscopically Strucutured Materials“ entstanden.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3251
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-18718
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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