طراحی و ساخت ابرشبکه‌های نانویی خودآرایی‌شده نانولوله‌های کربنی از طریق توالی‌های DNA خودتکمیل‌شونده

نویسندگان

1 گروه نانوبیوتکنولوژی، دانشکده علوم زیستی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 گروه بیوفیزیک، دانشکده علوم زیستی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده
اهداف: رویکرد کنترلی در خودآرایی مولکولی، روش پایین به بالای مطلوبی را ایجاد کرده است که به‌منظور طراحی و ساخت سامانه‌ها و الگو‌های مورد نظر با کارآیی‌ها و قابلیت‌های ویژه مورد استفاده قرار می‌گیرد. هدف پژوهش حاضر، طراحی و ساخت ابرشبکه‌های نانویی خودآرایی‌شده نانولوله‌های کربنی از طریق توالی‌های DNA خودتکمیل‌شونده و مطالعه طیف‌سنجی آن بود.

مواد و روش‌ها: در پژوهش تجربی حاضر، توالی الیگونوکلئوتید چسبنده که در یک انتهای خود به گروه‌های آمین متصل شده‌اند، از طریق اتصال‌های کووالان به گروه‌های کربوکسیل موجود در ابتدا و انتهای نانولوله‌های کربنی متصل شدند. در ادامه توالی الیگونوکلئوتیدی اتصال‌دهنده، این سامانه‌ها را به‌صورت شبکه‌هایی درهم‌تنیده به یکدیگر متصل نمود. پس از تهیه این نانوساختارهای شبکه‌ای، خواص بیوفیزیک آنها از طریق مطالعات طیف‌سنجی نوری (
UV-vis) و طیف‌سنجی پلاریمتری دورنگ‌نمایی دورانی مورد بررسی قرار گرفت.

یافته‌ها: پیک جذبی اختصاصی در طیف UV-Vis افزایش یافت و پیک اختصاصی توالی‌های DNA در روش دورنگ‌نمایی دورانی با اتصال توالی‌های DNA چسبنده به نانولوله کربنی ظاهر شد.

نتیجه‌گیری: پس از اضافه‌شدن توالی‌های اتصال‌دهنده به واحد‌های سازنده، نانولوله‌های کربنی به شکل شبکه‌ای پیچیده در می‌آیند. تشکیل نانوساختار‌های شبکه‌ای ساخته‌شده از نانولوله‌های کربنی از طریق جفت‌شدگی توالی‌های الیگونوکلئوتید جفت‌شونده به‌صورت کاملاً واضح در طیف‌های UV-vis نانوشبکه‌ها قابل مشاهده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


Weizmann Y, Lim J, Chenoweth DM, Swager TM. Regiospecific synthesis of Au-nanorod/SWCNT/Au-nanorod heterojunctions. Nano Lett. 2010;10(7):2466-9. [Link] [DOI:10.1021/nl1008025]
Maune HT, Han SP, Barish RD, Bockrath M, Goddard WA III, Rothemund PW, et al. Self-assembly of carbon nanotubes into two-dimensional geometries using DNA origami templates. Nat Nanotechnol. 2010;5(1):61-6. [Link] [DOI:10.1038/nnano.2009.311]
He Y, Liu H, Chen Y, Tian Y, Deng Z, Ko SH, et al. DNA-based nanofabrications. Microsc Res Tech. 2007;70(6):522-9. [Link] [DOI:10.1002/jemt.20475]
Lin C, Liu Y, Yan H. Designer DNA nanoarchitectures. Biochemistry. 2009;48(8):1663-74. [Link] [DOI:10.1021/bi802324w]
Tørring T, Voigt NV, Nangreave J, Yan H, Gothelf KV. DNA origami: A quantum leap for self-assembly of complex structures. Chem Soc Rev. 2011;40(12):5636-46. [Link] [DOI:10.1039/c1cs15057j]
Rothemund PW. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature. 2006;440(7082):297-302. [Link] [DOI:10.1038/nature04586]
Andersen ES, Dong M, Nielsen MM, Jahn K, Subramani R, Mamdouh W, et al. Self-assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid. Nature. 2009;459(7243):73-6. [Link] [DOI:10.1038/nature07971]
Ke Y, Sharma J, Liu M, Jahn K, Liu Y, Yan H. Scaffolded DNA origami of a DNA tetrahedron molecular container. Nano Lett. 2009;9(6):2445-7. [Link] [DOI:10.1021/nl901165f]
Douglas SM, Dietz H, Liedl T, Högberg B, Graf F, Shih WM. Self-assembly of DNA into nanoscale three-dimensional shapes. Nature. 2009;459(7245):414-8. [Link] [DOI:10.1038/nature08016]
Dietz H, Douglas SM, Shih WM. Folding DNA into twisted and curved nanoscale shapes. Science. 2009;325(5941):725-30. [Link] [DOI:10.1126/science.1174251]
Ke Y, Douglas SM, Liu M, Sharma J, Cheng A, Leung A, et al. Multilayer DNA origami packed on a square lattice. J Am Chem Soc. 2009;131(43):15903-8. [Link] [DOI:10.1021/ja906381y]
Liedl T, Högberg B, Tytell J, Ingber DE, Shih WM. Self-assembly of three-dimensional prestressed tensegrity structures from DNA. Nat Nanotechnol. 2010;5(7):520-4. [Link] [DOI:10.1038/nnano.2010.107]
Han D, Pal S, Nangreave J, Deng Z, Liu Y, Yan H. DNA origami with complex curvatures in three-dimensional space. Science. 2011;332(6027):342-6. [Link] [DOI:10.1126/science.1202998]
Holliday R. A mechanism for gene conversion in fungi. Genet Res. 1964;5(2):282-304. [Link] [DOI:10.1017/S0016672300001233]
Gill P, Ranjbar B, Saber R, Khajeh K, Mohammadian M. Biomolecular and structural analyses of cauliflower-like DNAs by ultraviolet, circular dichroism, and fluorescence spectroscopies in comparison with natural DNA. J Biomol Tech. 2011;22(2):60-6. [Link]
Shen X, Song C, Wang J, Shi D, Wang Z, Liu N, et al. Rolling up gold nanoparticle-dressed DNA origami into three-dimensional plasmonic chiral nanostructures. J Am Chem Soc. 2012;134(1):146-9. [Link] [DOI:10.1021/ja209861x]
Seeman NC. DNA in a material world. Nature. 2003;421(6921):427-31. [Link] [DOI:10.1038/nature01406]
Seeman NC. Nanomaterials based on DNA. Annu Rev Biochem. 2010;79:65-87. [Link] [DOI:10.1146/annurev-biochem-060308-102244]
Li M, Bhiladvala RB, Morrow TJ, Sioss JA, Lew KK, Redwing JM, et al. Bottom-up assembly of large-area nanowire resonator arrays. Nat Nanotechnol. 2008;3:88-92. [Link] [DOI:10.1038/nnano.2008.26]
Gu Q, Cheng C, Gonela R, Suryanarayanan S, Anabathula S, Dai K, et al. DNA nanowire fabrication. Nanotechnology. 2006;17(1):14-25. [Link] [DOI:10.1088/0957-4484/17/1/R02]
Maeda Y, Tabata H, Kawai T. Tow-dimensional assembly of gold nanoparitcles with a DNA network template. Appl Phys Lett. 2001;79:1181. [Link] [DOI:10.1063/1.1396630]
Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature. 1991;354:56-8. [Link] [DOI:10.1038/354056a0]
Iijima S, Ichihashi T. Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter. Nature. 1993;363:603-5. [Link] [DOI:10.1038/363603a0]
Bethune DS, Kiang CH, De Vries MS, Gorman G, Savoy R, Vazquez J, et al. Cobalt-catalysed growth of carbon nanotubes with single-atomic-layer walls. Nature. 1993;363:605-7. [Link] [DOI:10.1038/363605a0]
Dwyer C, Guthold M, Falvo M, Washburn S, Superfine R, Erie D. DNA-functionalized single-walled carbon nanotubes. Nanotechnology. 2002;13(5):601-4. [Link] [DOI:10.1088/0957-4484/13/5/311]
Baker SE, Cai W, Lasseter TL, Weidkamp KP, Hamers RJ. Covalently bonded adducts of deoxyribonucleic acid (DNA) oligonucleotides with single-wall carbon nanotubes: Synthesis and hybridization. Nano Lett. 2002;2(12):1413-7. [Link] [DOI:10.1021/nl025729f]
Weizmann Y, Chenoweth DM, Swager TM. Addressable terminally linked DNA-CNT nanowires. J Am Chem Soc. 2010;132(40):14009-11. [Link] [DOI:10.1021/ja106352y]
Williams KA, Veenhuizen PT, De La Torre BG, Eritja R, Dekker C. Nanotechnology: Carbon nanotubes with DNA recognition. Nature. 2002;420(6917):761. [Link] [DOI:10.1038/420761a]
Li S, He P, Dong J, Guo Z, Dai L. DNA-directed self-assembling of carbon nanotubes. J Am Chem Soc. 2005;127(1):14-5. [Link] [DOI:10.1021/ja0446045]
Chen Y, Liu H, Ye T, Kim J, Mao C. DNA-directed assembly of single-wall carbon nanotubes. J Am Chem Soc. 2007;129(28):8696-7. [Link] [DOI:10.1021/ja072838t]
Li X, Peng Y, Ren J, Qu X. Carboxyl-modified single-walled carbon nanotubes selectively induce human telomeric i-motif formation. Proc Natl Acad Sci U S A. 2006;103(52):19658-63. [Link] [DOI:10.1073/pnas.0607245103]
Li X, Peng Y, Qu X. Carbon nanotubes selective destabilization of duplex and triplex DNA and inducing B-A transition in solution. Nucleic Acids Res. 2006;34(13):3670-6. [Link] [DOI:10.1093/nar/gkl513]
Zhao C, Ren J, Qu X. Single-walled carbon nanotubes binding to human telomeric i-motif DNA under molecular-crowding conditions: More water molecules released. Chemistry. 2008;14(18):5435-9. [Link] [DOI:10.1002/chem.200800280]
Zhao C, Peng Y, Song Y, Ren J, Qu X. Self-assembly of single-stranded RNA on carbon nanotube: Polyadenylic acid to form a duplex structure. Small. 2008;4(5):656-61. [Link] [DOI:10.1002/smll.200701054]
Zhao C, Song Y, Ren J, Qu X. A DNA nanomachine induced by single-walled carbon nanotubes on gold surface. Biomaterials. 2009;30(9):1739-45. [Link] [DOI:10.1016/j.biomaterials.2008.12.034]
Bloomfield VA, Killman PA, Crothers DM, Tinoco I, Hearst JE, Wemmer DE, et al. Nucleic acids: Structure, properties, and functions. New Jersey: University Science Books; 2000. [Link]
Hughes ME, Brandin E, Golovchenko JA. Optical absorption of DNA-carbon nanotube structures. Nano Lett. 2007;7(5):1191-4. [Link] [DOI:10.1021/nl062906u]
Ranjbar B, Gill P. Circular dichroism techniques: Biomolecular and nanostructural analyses - a review. Chem Biol Drug Des. 2009;74(2):101-20. [Link] [DOI:10.1111/j.1747-0285.2009.00847.x]
Protasevich, I, Ranjbar B, Labachov V, Makarov A, Gilli R, Briand C, et al. Conformational and thermal denaturation of apocalmodulin: role of electrostatic mutations. Biochemistry. 1997;36(8):2017-24. [Link] [DOI:10.1021/bi962538g]
Azizi A, Ranjbar B, Khajeh K, Ghodselahi T, Hoornam S, Mobasheri H, et al. Effects of trehalose and sorbitol on the activity and structure of Pseudomonas cepacia lipase: Spectroscopic insight. Int J Biol Macromol. 2011;49(4):652-6. [Link] [DOI:10.1016/j.ijbiomac.2011.06.025]
Cosa G, Focsaneanu KS, McLean JR, McNamee JP, Scaiano JC. Photophysical properties of fluorescent DNA-dyes bound to single-and double-stranded DNA in aqueous buffered solution.Photochem. Photobiol. 2001,73 585.
https://doi.org/10.1562/0031-8655(2001)0732.0.CO;2 [Link] [DOI:10.1562/0031-8655(2001)0730585PPOFDD2.0.CO2]
Tolun G, Myers RS. A real-time DNase assay (ReDA) based on PicoGreen fluorescence. Nucleic Acids Res. 2003;31(18):e111. [Link] [DOI:10.1093/nar/gng111]
Murakami Y, Einarsson E, Edamura T, Maruyama S. Polarization dependence of the optical absorption of single-walled carbon nanotubes. Phys Rev Lett. 2005;94(8):087402. [Link] [DOI:10.1103/PhysRevLett.94.087402]
Dukovic G, Balaz M, Doak P, Berova ND, Zheng M, Mclean RS, et al. Racemic single-walled carbon nanotubes exhibit circular dichroism when wrapped with DNA. J Am Chem Soc. 2006;128(28):9004-5. [Link] [DOI:10.1021/ja062095w]