Electrostatic complexation of DNA nanostructures and biomacromolecules

Thumbnail Image

Files

master_Auvinen_Henni_2017.pdf (10.38 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2017-01-16

Department

Major/Subject

Biosystems and Biomaterials Engineering

Mcode

CHEM3028

Degree programme

Master’s Programme in Life Science Technologies

Language

en

Pages

61 + 8

Series

Abstract

DNA origami folding technique allows the construction of nanoscale structures with almost any arbitrary shape or pattern. The self-assembly and the addressable surface makes the DNA origami method interesting in engineering novel functional materials and molecular-scale devices. However, the susceptibility to nuclease digestion in physiological conditions and poor transfection rates compromises their use in cellular applications, such as drug delivery vehicles. The aim of this thesis is to coat DNA origamis to improve their structural integrity and transfection rate. Two separate coating systems were studied, both based on the electrostatic and multivalent interactions between a negatively charged origami and positively charged biomacromolecules. The complexation of DNA origamis with the biomacromolecules was studied with agarose gel electrophoretic mobility shift assay and verified with transmission electron microscopy. The structural integrity of the coated origamis was studied by subjecting the origamis to enzymatic digestion by DNase I endonuclease. Finally, the transfection efficiency was studied using confocal microscopy and quantified with fluorescence-activated cell sorting. The results revealed successful coating of DNA origamis with the protein-dendron conjugate coating system. Two different proteins were used: bovine serum albumin (BSA) and hydrophobic I (HFBI). The proteins were attached to dendrons that served as the synthetic binding unit that attaches to the origami. BSA-coating conferred protection against nuclease digestion and enhanced the transfection efficiency into HEK293 cells. This work proposes a novel coating strategy that could find applications in sophisticated drug delivery and in other nucleotide-based bionanotechnological devices.

DNA-origamien valmistustekniikka mahdollistaa lähes mielivaltaisen muotoisten nanokokoisten rakenteiden valmistuksen. DNA-origamien itsejärjestäytyminen sekä mahdollisuus niiden pinnan funktionalisointiin tekee niistä mielenkiintoisen menetelmän valmistattaessa uusia toiminnallisia materiaaleja sekä molekyylikoon laitteita. Fysiologisissa olosuhteissa DNA-origamit ovat kuitenkin alttiita hajottaville nukleaasientsyymeille. Lisäksi DNA-origamit läpäisevät heikosti solukalvon, mikä vaikeuttaa niiden käyttöä esimerkiksi lääkeainekuljettimina. Tämän diplomityön tarkoituksena on päällystää DNA-origameja niiden solukalvon läpäisevyyden sekä rakenteellisen kestävyyden parantamiseksi. Työssä tutkittiin kahta eri päällystysmenetelmää, jotka molemmat perustuvat elektrostaattiseen vuorovaikutukseen negatiivisen origamin sekä positiivisten biomakromolekyylien välillä. DNA-origamien ja biomakromolekyylien sitoutumista tutkittiin agaroosigeelielektroforeesilla sekä läpäisyelektronimikroskopialla. Rakenteellista stabiilisuutta tutkittiin altistamalla päällystetyt DNA-origamit DNase I -endonukleaasin hajottamiselle. Lopuksi päällystettyjen origamien soluläpäisevyyttä HEK293-soluihin tutkittiin konfokaalimikroskopialla sekä kvantitatiivisesti FACScan-virtaussytometrialla. Tulokset osoittivat DNA-origamien päällystämisen onnistuvan proteiini-dendroni -konjugaatteihin perustuvalla päällystysmenetelmällä. Konjugaatissa dendronit muodostivat synteettisen DNA:han sitoutuvan osan, johon voitiin edelleen kiinnittää proteiineja. Kaksi käytettyä proteiinia olivat naudan seerumialbumiini (BSA) sekä hydrofobiini I (HFBI). Näistä BSA-päällystyksen todettiin suojelevan origameja nukleaasien hajottamiselta sekä parantavan origamien soluläpäisevyyttä HEK293-soluihin. Tämä työ esittelee uuden DNA-origamien päällystysmenetelmän, jota voitaisiin hyödyntää lääkeainekuljetussovelluksissa sekä muissa nukleotidirakenteisissa bionanoteknologian sovelluksissa.

Description

Supervisor

Kostiainen, Mauri

Thesis advisor

Linko, Veikko

Keywords

DNA nanotechnology, DNA origami, dendrimer, electrostatic binding, cellular delivery

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201702011415

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM