DNA origami-based enzyme nanoreactor

Abstract

In this thesis the concept of DNA origami and enzyme nanoreactor is introduced. A modular enzymatic DNA origami nanoreactor is designed and assembled and the successfull folding is confirmed with agarose gel electrophoresis and transmission electron microscopy images. The nanoreactor consists of two monomer origamis, one equipped with glucose oxidase (GOx) enzyme and one with horseradish peroxidase (HRP) enzyme. The attachment is accomplished using non-covalent but strong biotin-avidin binding. In proof-of-concept experiments first the activity of individual monomer units is examined measuring the change of concentration of reporter agent tetramethylbenzidine diimine (TMB*) with UV-Vis spectrophotometry. Next the dimer origamis are formed from two monomer units and finally the efficient GOx/HRP enzyme-pair cascade reaction is demonstrated. The reactor could be utilised as a nanoscale diagnostic tool, and modularity of the proposed system would further enable more complex reactions.

Tämä diplmomityö käsittelee DNA origamin teoriaa, valmistusta sekä sovelluksia. Tutkimusosiossa suunnitellaan ja valmistetaan DNA origami -tekniikalla entsymaattinen nanoreaktori. Prosessin onnistuminen ja DNA origamien korkea saanto varmistetaan agaroosigeelielektroforeesilla sekä läpäisyelektronimikroskooppikuvilla. Nanoreaktori muodostetaan kahdesta monomeeriyksiköstä, joista toinen sisältää glukoosioksidaasientsyymin (GOx) ja toinen piparjuurioksidaasientsyymin (HRP). Entsyymien kiinnitysmenetelmänä käytetään ei-kovalenttista, mutta silti vahvaa biotiini-avidiinisidosta. Ennen dimeerin kokoamista, yksittäisten monomeerituubien entsyymiaktiivisuus mitataan detektoimalla reportterina toimivan tetrametyylibenzidiinin di-imiinin (TMB*) konsentraation muutosta UV/Vis spektrofotometrialla. Seuraavaksi muodostetaan dimeeri liittämällä kaksi monomeerituubia yhteen ja lopulta demonstroidaan GOx/HRP -entsyymiparin kaskadireaktio nanoreaktorin sisällä. Esiteltyä reaktoria voidaan tulevaisuudessa hyödyntää erilaisina nanomittakaavan diagnostiikkatyökaluina ja DNA origamituubien modulaarisuus mahdollistaa myös monimutkaisemmat katalyysireaktiosarjat.