Electrostatic self-assembly of DNA origami and gold nanoparticles

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2018-05-14
Department
Major/Subject
Biosystems and Biomaterials Engineering
Mcode
CHEM3028
Degree programme
Master’s Programme in Life Science Technologies
Language
en
Pages
111+9
Series
Abstract
Spatially well-ordered structures of gold nanoparticles(AuNPs) and other metal nanoparticles have unique electronic, magnetic and optical properties, and hence there is ever-increasing interest towards these kinds of nanomaterials. DNA and DNA nanostructures have successfully been used to direct the higher-ordered arrangement of AuNPs, but the programmable arrangement of them into larger, well-defined structures is still challenging. The objective of this thesis is to establish a self-assembly method based on electrostatic interactions in which DNA origami nanostructures can be used to guide the higher ordered arrangement of cationic AuNPs in a controlled and programmable manner. The AuNP binding properties of different DNA origami structures was studied with UV/Vis spectroscopy and agarose gel electrophoretic mobility shift assay. DNA origami-AuNP assemblies were formed during dialysis against decreasing ionic strength, and the formed assemblies were characterized using small-angle X-ray scattering, transmission electron microscopy and cryogenic electron tomography. Electrostatic self-assembly of DNA origami 6HB nanostructures and small AuNPs (D_core = 2.5 nm, D_hydrodynamic_diameter = 8.5 nm) yielded highly ordered superlattice structures with a 3D tetragonal lattice structure, whereas other studied combinations of DNA origami structures and AuNPs resulted in amorphous aggregates. These results suggest that both shape and charge complementarity between the building blocks are needed for well-ordered structures to be formed through electrostatic self-assembly. According to the results, electrostatic self-assembly guided by DNA origami structures seems promising for construction of novel, well-ordered structures with unique properties, such as lattice geometry, designed specifically for the chosen application.

Guldnanopartiklar och andra metallnanopartiklar organiserade i välordnade strukturer har unika elektroniska, magnetiska och optiska egenskaper och därför finns det ett ständigt växande intresse för dessa typer av nanomaterial. DNA och nanostrukturer av DNA har framgångsrikt använts för att framställa välordnade, förutbestämda tredimensionella guldnanopartikelstrukturer, men det finns fortfarande utmaningar att tackla. Målet med detta diplomarbete är att utveckla en metod för självorganisation baserat på elektrostatiska interaktioner i vilken DNA-origaminanostrukturer på ett programmerbart och kontrollerat sätt kan användas för att styra hurudana strukturer som byggs upp av katjoniska guldnanopartiklar. De olika DNA-origamistrukturernas förmåga att binda guldnanopartiklar studerades med UV/Vis-spektroskopi och agarosgelelektrofores. DNA-origami-guldnanopartikelsystem byggdes upp genom dialys mot stegvis minskade jonkoncentrationer och de uppkomna strukturerna karaktäriserades med lågvinkelspridning, transmissionselektronmikroskopi och kryelektrontomografi. Elektrostatisk självorganisation av DNA-origami 6HB nanostrukturer och små guldnanopartiklar (D_kärna = 2.5 nm, D_hydrodynamisk_diameter = 8.5 nm) gav välordnade tredimensionella tetragonala kristallstrukturer, medan andra undersökta kombinationer av DNA origami strukturer och guldpartiklar endast resulterade i amorfa strukturer. Detta indikerar att de enskilda byggstenarna behöver kompletterande form och laddning för att välordnade strukturer skall kunna byggas upp genom elektrostatik självorganisation. Det förefaller dock finnas goda framtidsutsikter för elektrostatisk självorganisation som en metod att framställa välordnade strukturer med egenskaper, så som typ av kristallstruktur, lämpliga just för det önskade användningsområdet.
Description
Supervisor
Kostiainen, Mauri
Thesis advisor
Linko, Veikko
Keywords
DNA nanotechnology, DNA origami, self-assembly, gold nanoparticles, functional materials, plasmonics
Other note
Citation