University of Groningen
Applications of DNA hybrids in biobased medicine and materials
Liu, Qing
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date: 2018
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Liu, Q. (2018). Applications of DNA hybrids in biobased medicine and materials. University of Groningen.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Samenvatting
112
Afgezien van de rol als drager van genetische informatie, heeft desoxyribonucleïnezuur (DNA) enorme belangstelling in de materiaalwetenschap gekregen dankzij zijn veelzijdige eigenschappen, zoals uitstekende specificiteit en programmeerbaarheid. Aan de ene kant zijn grote inspanningen geleverd om het natuurlijke DNA te exploiteren met behulp van zijn aantrekkelijke intrinsieke kenmerken: stijfheid (50 nm in persistentielengte), korte structurele herhalingen (~ 3,6 nm in schroefvormige pitch) en nanogeschaalde grootte (2 nm in diameter). Zo is een grote categorie aan 1D-, 2D- en 3D DNA-nanostructuren met verschillende grootten, geometrieën en vormen gemakkelijk toegankelijk en daaropvolgende toepassingen ontwikkelen zich steeds verder. Aan de andere kant zijn een aantal chemische en fysische methodologieën gebruikt om DNA te modificeren, wat eigenschappen en structuren genereert die het oorspronkelijke DNA niet heeft. Onder deze is de hydrofobe modificatie van DNA aantrekkelijk omdat het speciale eigenschappen aan DNA kan verlenen, welke niet bereikt kan worden met een andere materiaalcombinatie.
In Hoofdstuk 2 werd een lipide-gemodificeerd DNA-systeem (lipide-DNA) opgesteld voor de katalytische oxidatie van dopamine naar aminochroom. 1-Dodecyne werd geïntroduceerd in een uracil-base, welke vervolgens werd opgenomen in twee DNA-aptameren, wat respectievelijk een gelipideerde dopamine-bindende aptameer (lipoDBA) en een gelipideerde hemin-bindende G-quadruplex (lipoGQ) opleverde. Het mixen van lipoDBA en lipoGQ gegenereerde DNA-micellen. De associatie van substraat en katalysator met gelipideerde aptameren leidde tot de concentratie van het substraat in een nauwe ruimtelijke positie ten opzichte van de katalyserende plaatsen, resulterend in een versneld oxidatieproces. We vonden dat de DNA-micellen de beste verbetering vertoonden wanneer de molaire verhouding tussen lipoGQ en lipoDBA 4:6 was. Bovendien vertoonden di-gelipideerde G-quadruplexen (2lipoGQ) een betere katalytische prestatie dan tetra-gelipideerde G-quadruplexen
(4lipoGQ), wat kan worden toegeschreven aan de vertraagde flexibiliteit van beide
gelipideerde aptameren in het 4lipoGQ-bevattende systeem. Bovendien werd de
113
waargenomen als de lipoGQ-katalytische eenheden waren vervangen door een kunstmatig catechol oxidatie-nabootsend gelipideerd dinucleair Cu(II)-complex. Om de toepassing van lipide-DNA verder uit te breiden, hebben we in Hoofdstuk 3 gebruik gemaakt van de mogelijkheid om lipide-DNA te gebruiken als hulpmiddel bij oftalmologische toediening van medicijnen. Drie aptameersequenties werden geselecteerd voor de specifieke binding van drie oculaire geneesmiddelen: kanamycine B, brimonidine en travoprost. Alle drie de aptameren werden uitgebreid met een domein dat vier met alkyl-gemodificeerde 2'-deoxyuridine-nucleotiden bevat als hydrofobe modificatie. Het verkregen lipide-DNA zelf-assembleerde in micellen, zoals aangetoond door dynamische lichtverstrooiings metingen (DLS). ITC-resultaten bevestigden dat het bindende vermogen van het aptameerdeel van het lipide-DNA niet was gecomprimeerd vergeleken met de oorspronkelijke aptameer. Er werd aangetoond dat de lipidemodificatie resulteerde in de corneale hechting van de aptamere nanodeeltjes (NP's), zowel in vitro als in vivo, terwijl het niet bijdroeg aan de toxiciteit van de amfifielen. De medicijnafgifte werd in vitro bewezen en vertoonde een vergelijkbaar effect als ongebonden medicijnen. Bovendien werd de efficiëntie van de medicijndrager in vitro bewezen. Betere bacteriedoding werd gevonden op het hoornvlies van het varken voor het nucleïnezuur-dragersysteem vergeleken met het vrije medicijn. Men kan zich voorstellen dat de NP's een extra geneesmiddel beladingsmodaliteit bieden aangezien de lipidekern van de micel wateronoplosbare medicatie kan accommoderen, hetgeen hun prestaties bij geneesmiddelafgifte verder kan verbeteren door een extra belasting voor co-therapie toe te laten.
In Hoofdstuk 4 werd de hybridisatie-eigenschap van een DNA-haarspeld fotochemisch geëvalueerd nadat een moleculaire motor in het midden van de ruggegraat was ingebouwd. Zowel cis- als trans-isomeren werden bereid en vervolgens opgenomen in een 16-meer streng van zelf complementerend DNA via vaste-fasesynthese. De haarspeldstructuur van het gemodificeerde DNA van beide
isomeren werd bevestigd door PAGE-gelelektroforese. De
Samenvatting
114
die van 8T-cis-8A 59 °C was, waarvan de gemeten ΔTm van 6 °C (voor een haarspeld van 8 bp) een veelbelovende waarde vertegenwoordigd. Het rangschikt dit onderzoek rondom de meest succesvolle pogingen om DNA-hybridisatie te beïnvloeden door de opname van een door licht-omschakelbare ruggegraat-linker. Bovendien werd gevonden dat het isomerisatieproces van de motor niet gehinderd werd in niet-hybridisatieomstandigheden alsmede niet werkt afgebroken, maar het werd enigszins vertraagd door het biomolecuul. Toen het motor-DNA voorafgaand aan UV-bestraling werd gehybridiseerd, werd het wederom gemakkelijk foto-geïsomeriseerd zonder het optreden van nevenreacties, echter werd de thermische helixinversie (THI) gehinderd door de gehybridiseerde DNA-strengen. Toen het monster boven de Tm werd verhit, trad THI in soortgelijke wijze in buffer als in water op. Dit onderzoek markeert de eerste keer dat een moleculaire motor is gebruikt om de secundaire structuur van DNA te beheersen, en is in feite een van de eerste voorbeelden van een moleculaire motor welke onder fysiologische omstandigheden toegepast wordt, wat de mogelijkheid om een belangrijk biologisch proces zoals DNA-hybridisatie te reguleren aantoont.
Afgezien van de chemische hydrofobe modificatie van DNA, werd ook de fysische modificatie van DNA onderzocht. In Hoofdstuk 5 werd een DNA-surfactant complex in gel-staat bestudeerd. We vonden dat hydrofiel DNA precipiteerde uit waterige fase na complexatie met positief geladen oppervlakte-actieve stoffen. Wanneer deze ondergedompeld werd in organische oplosmiddelen, veranderden de DNA-surfactant complexen in een gel-staat (organogels) met een nematische vloeibaar-kristallijne (LC) mesofase, zoals aangetoond door gepolariseerde optische microscopie (POM) en kleine-hoekverstrooing van röntgenstraling (SAXS). De gel-staat werd bevestigd door dynamische mechanische analyse (DMA) en er werd bevonden dat de elasticiteit van de DNA-surfactant organogels positief correleerde met de lengtes van de gebruikte dsDNA-strengen. De verkregen DNA-organogels vertoonden opmerkelijke rekbaarheid, vervormbaarheid, stijfheid, taaiheid en plasticiteit. De organogels vertoonden bijvoorbeeld een uitstekende rekbaarheid voorbij de 3·104% voordat het brak, en het uitgerekte monster kon gedeeltelijk
115
1-3 MPa, Young's moduli van meer dan 20 MPa en een taaiheid van 18 MJ/m3, welke
van dezelfde grootte zijn als covalent gecrosslinkte polymeergels. Bovendien maakte de supramoleculaire aard van het netwerk snelle zelfgenezing binnen 5 seconden mogelijk, waardoor de mechanische eigenschappen ervan herstelden. Voor zover bij ons bekend, is dit het eerste voorbeeld van gels die in zo'n kort tijdsbestek kunnen worden genezen. Tenslotte werden magnetische NP's opgenomen in deze taaie DNA-LC-organogels zonder de vorming van de nematische mesofase in gevaar te brengen. Dit geeft de organogels het vermogen om zijn vorm aan te passen als reactie op externe magnetische velden en demonstreert voorbeeldig de gemakkelijke bereiding van DNA-organogel composieten.
De bevindingen in de verschillende hoofdstukken illustreren dat de functionaliteit van DNA-systemen sterk kan toenemen in combinatie met andere groepen. Structuurvorming kan worden gemanipuleerd door het mengen met hydrofobe delen. In één geval leidt dit tot nanodeeltjes met hechtende eigenschappen aan specifieke weefsels. In een ander geval beïnvloedt het de bulkorde en mechanische eigenschappen van DNA-organogels. Ten slotte leidt de combinatie van DNA met complexe moleculaire motoren tot dynamische systemen waarbij de energie van licht belangrijke biologische functies bestuurt als een niet-invasieve externe krachtbron.
