Samoorganizacja w nanostrukturach

.
Samoorganizacja w nanostrukturach
Nanocząstki metaliczne o jednakowych rozmiarach wykazują samorzutne
uporządkowanie dwuwymiarowe (pierwsze obserwacje: 1998 r.):
NanoAu / (C8H17)4N+Br− (TOAB).
Zależność od długości łańcucha.
Uporządkowanie w układzie dwuwarstwowym.
J. Fink i in. - Chem. Mater. 1998, 10, 922
1
.
Kubiczne kryształy nanocząstek naładowanych elektrostatycznie
(ładunki: -1, 0, 1, 2 regulowane dodatkiem kwasu karboks. lub aminy).
A.V. Shevchenko, ... C.B. Murray – NATURE 439 (2006) 55
7.6nm PbSe + 5.0nm Au
6.7nm PbS + 3.0nm Pd
6.2nm PbSe + 3.0nm Pd
2
E. Auyeung, ... C. Mirkin – Nature 505 (2 stycznia 2014) 73
Powolne schładzanie nanoAu (20 nm) pokrytych związanymi kowalencyjnie,
pojedynczymi, komplementarnymi łańcuchami DNA:
TGCGCATATATGCGCA
ACGCGTATATACGCGT
liczba par zasad: 18-48
55 °C → 25 °C, schładzanie trwające kilka dni
3
Obraz: SEM.
skala: 1 µm, obraz: SEM
Z analizy rentgenograficznej niskokątowej wynika, że komórka elementarna
tworzona przez nanocząstki jednorodne jest typu b.c.c.
średnica nanocząstek
5 nm
10 nm
20 nm
stała sieci b.c.c.
25.7 nm
29.1 nm
39.5 nm
Morfologia kryształu: dwunastościan o rombowych ścianach
4
Superstruktury molekularne DNA
Polimorfizm DNA – A, B, Z (oraz Watson-Crick / Hoogsteen, etc.)
Poniżej: dwuniciowe polinukleotydy – poli(A)20·poli(T)20
75 Å
62 Å
37 Å
A-DNA
skrętność
zasad/zwój
skok spirali
średnica
nachylenie zasad
prawo
11
2.46 nm
2.3 nm
19°
B-DNA
prawo
10.5
3.32 nm
2.0 nm
1.2°
5
Z-DNA
lewo
12
45.6 nm
1.8 nm
9°
Czy można tworzyć DNA o takich strukturach przestrzennych ???
Zasada projektowania struktury drugo- i trzeciorzędowej DNA, zdeterminowanej
przez strukturę pierwszorzędową i warunki fizykochemiczne:
„Kratka” utworzona przez dwie pary podwójnych spiral tworzących tzw. złącza
Hollidaya, mogą utworzyć kratownicę wiązaną na końcówkach z wystającymi,
niezhybrydyzowanymi fragmentami nici pojedynczych. Po prawej: zdjęcie AFM o
rozdzielczości 4 nm, pokazujące taką kratownicę 13 nm x 20 nm.
6
J. Wengel – Org. Biomol. Chem. 2 (2004) 277
Zasada projektowania sekwencji zasad skutkującej układaniem nici DNA tak, aby
pokryć powierzchnię płaską. Uskoki mogą być wykorzystane do tworzenia
otworów.
7
Przykłady struktur tworzonych z fragmentów zawierających sekwencje 700 zasad
DNA i krótkich „staple strands” służących do trwałego ich zablokowania:
Po lewej: model; środku i po prawej: obrazy AFM. Różne stopnie szarości obrazu
AFM odpowiadają zróżnicowanym układom nici DNA. Kreska skali: 100 nm.
P.W.K. Rothemund – Nature 440 (2006) 297
Sześcian i ośmiościan ścięty (patrz: dwie strony powyżej)
też zostały zsyntetyzowane.
8
Struktury RNA
Syntetyczny DNA wymaga oczyszczania i wygrzewania, natomiast
RNA ma tę zaletę, że może ulegać hybrydyzacji już w czasie
wytwarzania. Umożliwia to wytwarzanie nanostruktur od razu wewnątrz
komórki, w której mają one spełniać swoją rolę.
C.Geary, i in., Science 345 (2014) pp. 732, 799
AFM, skala: 100 nm
AFM, skala: 50 nm
9
Alternatywne struktury DNA i perspektywa biologii syntetycznej
deoxyribonucleic acid (DNA), locked nucleic acid (LNA), peptide nucleic acid (PNA)
Hybrydyzacja komplementarnych sekwencji kwasów nukleinowych zapewnia
wysoce selektywny i sterowalny mechanizm samoorganizacji w nanoskali.
Można tworzyć liniowe struktury zawierające dowolne, kowalencyjnie dołączone
molekuły. Możliwa jest hybrydyzacja trzech lub czterech nici (→ G-quadruplex).
Zhybrydyzowane LNA i PNA są znacznie trwalsze niż dwuniciowy DNA.
Możliwa jest hybrydyzacja DNA-LNA, DNA-PNA, LNA-PNA.
Samoorganizacja bazująca na kwasach nukleinowych i podobnych strukturach
jest używana do organizacji nanoAu, nanodrutów, kropek kwantowych,
nanorurek węglowych, dendrymerów, mikronowych kulek polistyrenowych,
wirusów.
Porównanie rozmiarów molekuł i nanostruktur
Ng & Bergstrom – Nano Lett. 5 (2005) 107
10
Modyfikacje zasad azotowych w DNA
H. Liu,...E.T. Kool – Science 302 (2003) 868
(ibid.)
11
M-DNA (metal-DNA)
Dwuwartościowe jony metali (Ni2+, Cu2+, Hg2+) tworzą mostki pomiędzy zasadami
azotowymi DNA, koordynowane w konfiguracji płaskiej (kwadrat).
J.S. Lee - J. Mol. Biol. (1999) 294, 477
Odstępy pomiędzy jonami metalu wynoszą 4 Å, więcej niż w B-DNA (3.4 Å).
W syntetycznym DNA ze zmodyfikowanymi zasadami można zaprogramować
sekwencję jonów np. Cu2+ i Hg2+ w M-DNA, wykorzystując różnice w
powinowactwie zasad do różnych jonów.
Możliwe zastosowanie takich struktur: nanodruty, katalizatory, nanomagnetyki.
12
Przykład: ferromagnetyczne sprzężenie spinów elektronów d
w łańcuchu jonów Cu2+ wbudowanym w M-DNA
Cu0: (Ar)4s13d10
Widma EPR przy częstości 9.5 GHz w temperaturze 1.5 K. Struktura
(liczba i intensywności linii) wskazuje na ferromagnetyczne sprzęganie
spinów elektronów d : Cu-2 S=1; Cu-3 S=3/2; Cu-4 S=2; Cu-5 S=5/2.
K. Tanaka i in. – Science 299 (2003) 1212
13
Samoorganizujące się struktury białkowe.
Metody obliczeniowe umożliwiają przewidywanie drugo-, trzecio- i
czwartorzędowej struktury białek.
Zaprojektowane w ten sposób białka tworzą struktury czwartorzędowe złożone z
wielu podjednostek.
Struktura całości ma symetrię czworościanu i składa się z czterech jednostek
(zielone i niebieskie) tworzonych przez trzy podjednostki. W sumie – na całość
składają się 24 podjednostki.
King,...Baker – Nature 510 (2014) 103
Precyzyje i niezawodne dopasowanie podjednostek zapewnione jest przez dobór
aminokwasów oddziałujących wewnątrz podjednostek i na stykających się
powierzchniach.
Obrazy TEM zsyntetyzowanych białek
14
Perspektywy zastosowań molekularnej samoorganizacji:
- nowe materiały (fotoniczne),
- elektronika molekularna,
- maszyny (motory) molekularne.
Ciekły kryształ zawierający domieszkę molekuł podlegających
fotoizomeryzacji (365 nm) obraca pręcik szklany pływający na jego
powierzchni. Skala: 0.05 mm.
Nature 440,163
15