Towards autonomous DNA-based Nanodevices Tim Liedl Mun¨ chen 2007 Towards autonomous DNA-based Nanodevices Tim Liedl Dissertation an der Fakult¨at fur¨ Physik der Ludwig–Maximilians–Universit¨at Munchen¨ vorgelegt von Tim Liedl aus Munch¨ en Munchen,¨ den 4.4.2007 Erstgutachter: PD Dr. F. C. Simmel Zweitgutachter: Prof. Dr. J. O. R¨adler Tag der mund¨ lichen Prufung:¨ 23.5.2007 Contents 1 Introduction - DNA-based Nanodevices 1 1.1 DNA-based structures . 2 1.2 DNA-based devices (Ref. [1]) . 3 1.3 Enzymatically driven DNA-based devices (Ref. [1]) . 4 2 Theoretical and Experimental Basics 7 2.1 Physical properties of DNA . 7 2.2 Thermodynamics of DNA . 9 2.3 Characterization of DNA-based nanodevices . 11 2.3.1 Energy transfer between fluorophores . 11 2.3.2 Energy transfer near metal surfaces . 13 3 Determination of DNA Melting Temperatures 15 3.1 DNA melting temperature determination by thermal denaturation . 15 3.2 DNA Melting temperature determination in chemical gradients (Ref. [2]) . 17 4 A DNA switch driven by a Chemical Oscillator 21 4.1 Non-equilibrium systems . 22 4.2 Reaction diffusion processes . 23 4.3 Oscillatory systems . 26 4.4 pH-sensitive DNA devices . 29 4.5 Switching the conformation of a DNA molecule with a chemical oscillator (Ref.[3]) . 30 4.6 A surface-bound DNA switch driven by a chemical oscillator (Ref.[4]) . 32 4.7 Conclusion . 34 5 Controlled Trapping and Release of Quantum Dots 35 5.1 Reversible hydrogels . 35 5.2 Fluorescent nanocrystals as colloidal probes in complex fluids (Ref. [5]) . 38 5.3 DNA-crosslinked gels as programmable drug delivery system (Ref. [6]) . 41 5.4 Conclusion . 45 6 Glossary 47 vi Inhaltsverzeichnis Appendix 49 Determination of 1D diffusion constants . 49 Reference [1] . 53 Reference [2] . 59 Reference [3] . 71 Reference [4] . 83 Reference [5] . 93 Reference [6] . 101 Bibliography 106 List of Figures 1.1 DNA cube . 2 1.2 DNA tweezers . 3 1.3 Enzymatically driven DNA device . 5 2.1 DNA double helix . 8 2.2 F¨orster resonance energy transfer . 12 3.1 Melting behavior of DNA . 16 3.2 Formamide lowers TM . 17 3.3 Multilayer microfluidics . 18 3.4 DNA dissociation along a formamide gradient . 19 3.5 Microfluidic for 2D gradients . 20 4.1 Cell in non-equillibrium . 21 4.2 Pattern formation . 24 4.3 Activator-substrate reaction . 26 4.4 Predator-prey model . 27 4.5 Activatior-substrate reaction without diffusion . 28 4.6 Belousov-Zhabotinsky reaction . 29 4.7 pH-dependent DNA devices . 30 4.8 pH-Oscillator . 32 4.9 DNA tethered to gold islands . 33 5.1 Polyacrylamide network . 37 5.2 Antigen responsive hydrogel . 38 5.3 Fluorescent nanocrystals . 39 5.4 Fluorescent correlation spectroscopy . 40 5.5 Saturation of fluorophores . 41 5.6 Acrydite . 42 5.7 Gel crosslinking . 43 5.8 Trapped quantum dots . 44 5.9 Dissolution of a DNA crosslinked hydrogel . 44 6.1 Particle displacement statistics . 50 viii Abstract Abstract Molecular recognition, programmability, self-assembling capabilites and biocompatibility are unique features of DNA. The basic approach of DNA nanotechnology is to exploit these properties in order to fabricate novel materials and structures on the nanometer scale. This cumulative dissertation deals with three aspects of this young research area: fast analysis, autonomous control of functional structures, and biocompatible autonomous delivery sys- tems for nanoscale objects. 1. At low temperatures and under favorable buffer conditions, two complementary DNA strands will form a double-helical structure in which the bases of the two strands are paired according to the Watson-Crick rules: adenine bases bind with thymine bases, guanine bases with cytosine bases. The melting temperature TM of a DNA duplex is defined as the temperature at which half of the double strands are separated into single strands. The melting temperature can be calculated for DNA strands of known sequences under standard conditions. However, it has to be determined experimentally for strands of unknown sequences and for applications under extreme buffer conditions. A method for fast and reliable determination of DNA melting temperatures has been developed. Stable gradients of the denaturing agent formamide were generated by means of diffusion in a microfluidic setup. Formamide lowers the melting temperature of DNA and a given formamide concentration can be mapped to a corresponding virtual temperature along the formamide gradient. Differences in the length of complementary sequences of only one nucleotide as well as a single nucleotide mismatch can be detected with this method, which is of great interest for the detection of sequence mutations or variations such as single nucleotide polymorphisms (SNPs). 2. Knowledge of the stability of DNA duplexes is also of great importance for the construction of DNA-based nanostructures and devices. Conformational changes occuring in artificially generated DNA structures can be used to produce motion on the nanometer scale. Usually, DNA devices are driven by the manual addition of fuel molecules or by the periodic variation of buffer conditions. One prominent example of such a conformational change is the formation of the so-called i-motif, which is a folded four-stranded DNA structure characterized by noncanonical hemiprotonated cytosine-cytosine base-pairs. In order to achieve controlled autonomous motion, the oscillating pH-value of a chemical oscillator has been employed to drive the i-motif periodically through its conformational states. The experiments were conducted with the DNA switch in solution and attached to a solid substrate and constitute the first example of DNA-based devices driven autonomously by a chemical non-equilibrium reaction. 3. Finally, a DNA-crosslinked and switchable polyacrylamide hydrogel is introduced, which is used to trap and release fluorescent colloidal quantum dots in response to exter- nally applied programmable DNA signal strands. Trapping and release of the nanoparticles is demonstrated by studying their diffusion properties using single molecule fluorescence microscopy, single particle tracking and fluorescence correlation spectroscopy. Due to the biocompatibility of the polymerized acrylamide and the crosslinking DNA strands, such Abstract ix gels could find application in the context of controlled drug delivery, where the autonomous release of a drug-carrying nanoparticle could be triggered by naturally occurring, poten- tially disease-related DNA or RNA strands. x Zusammenfassung Zusammenfassung DNA, der Tr¨ager der Erbinformation, ist nicht nur ein langlebiger Informationsspeicher, sondern hat auch die F¨ahigkeit zur molekularen Erkennung und programmierbaren Selbst- organisation. Die DNA-Nanotechnologie bedient sich dieser einzigartigen Eigenschaften um neuartige Materialien und funktionale Strukturen zu erschaffen. Diese kumulative Dissertation besch¨aftigt sich mit drei verschiedenen Aspekten dieses jungen Forschungsge- bietes: schnellen und zuverl¨assigen Analysetechniken, Wegen zur autonomen Kontrolle von funktionalen Nanostrukturen und biokompatiblen programmierbaren Transportsystemen. 1. Die Stabilit¨at einer DNA-Doppelhelix h¨angt sowohl von der Sequenz der Basen als auch von Temperatur und Zusammensetzung des L¨osungsmittels ab. Die Schmelztem- peratur TM einer DNA-Doppelhelix ist definiert als die Temperatur, bei der die H¨alfte der Doppelstr¨ange in Einzelstr¨ange dissoziiert ist. Unter Standardbedingungen kann die Schmelztemperatur eines Doppelstrangs bekannter Basenfolge berechnet werden, jedoch muss sie fur¨ Str¨ange unbekannter Basenfolge sowie fur¨ Anwendungen unter extremen Pufferbedingungen experimentell bestimmt werden. In dieser Arbeit wurde ein Verfahren zur schnellen und zuverl¨assigen Bestimmung der Schmelztemperatur kurzer DNA-Str¨ange entwickelt. Dafur¨ wurden in einem Mikrofluidikchip Diffusionsgradienten der denatu- rierenden Substanz Formamid erzeugt. Mit Hilfe des Chips konnten Schmelztemperaturen verschiedener DNA-Str¨ange so genau gemessen werden, dass L¨angenunterschiede von einem Basenpaar oder einzelne Basensubstitutionen detektiert werden konnten. Diese Methode k¨onnte daher Anwendung in der Analyse von Einzelnukleotidpolymorphismen finden. 2. Fur¨ die Entwicklung von Nanostrukturen, die aus selbstorganisierenden DNA-Str¨an- gen bestehen, ist die Kenntnis des Dissoziationsverhaltens der in der Struktur enthaltenen DNA-Doppelstr¨ange von großer Bedeutung. Bei einer Vielzahl DNA-basierter Strukturen kann durch eine Ver¨anderung der Umgebungsbedingungen, z.B. durch eine Anderung¨ des pH-Wertes des L¨osungsmittels, eine Konformations¨anderung ausgel¨ost werden. Auf diese Weise lassen sich kontrollierte Bewegungen auf der Nanometerskala erzwingen. In den meisten F¨allen wird der momentane Zustand dieser dynamischen Strukturen durch einen externen Operator kontrolliert. Um autonome Bewegung zu erzeugen, wurden in diesem Projekt Konzepte der nicht-linearen Chemie genutzt. Es ließ sich zeigen, dass der pH- abh¨angige Ub¨ ergang eines Cytosin-reichen DNA-Stranges von einer ungeordneten Kon- formation zum so genannten ”‘i-Motiv”’ durch einen chemischen pH-Oszillator getrieben werden kann. Das i-Motiv konnte auf diese Weise sowohl in L¨osung als auch an eine Oberfl¨ache gebunden reversibel und periodisch ge¨offnet und geschlossen werden. Das Sys- tem stellt die erste bewegliche DNA-basierte Struktur dar, die sich durch eine chemische Nichtgleichgewichtsreaktion autonom schalten l¨asst. 3. Abschließend wird ein schaltbares Polyacrylamidgel vorgestellt, das durch Zu- gabe von programmierbaren DNA-Str¨angen reversibel vernetzt