DNA-Nanoröhren als ein vielseitiges Werkzeug, semiflexiblen Polymere zu studieren

Jörg Schnauß; Martin Glaser; Jessica S. Lorenz; Carsten Schuldt; Christin Möser; Martin Sajfutdinow; Tina Händler; Josef A. Käs; David M. Smith

doi:10.3791/56056

Methodenartikel

DNA-Nanoröhren als ein vielseitiges Werkzeug, semiflexiblen Polymere zu studieren

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DOI:

10.3791/56056

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25. Oktober 2017

Jörg Schnauß^*¹^,² , Martin Glaser^*¹^,² , Jessica S. Lorenz¹ , Carsten Schuldt¹^,² , Christin Möser¹ , Martin Sajfutdinow¹ , Tina Händler¹^,² , Josef A. Käs² , David M. Smith¹

¹Fraunhofer Institute for Cell Therapy and Immunology, ²Institute of Experimental Physics I, Universität Leipzig

^* These authors contributed equally

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Semiflexiblen Polymere zeigen einzigartige mechanische Eigenschaften, die ausgiebig von Lebewesen angewendet werden. Systematische Studien über Biopolymere sind jedoch beschränkt, da Eigenschaften wie Polymer Steifigkeit nicht zugänglich sind. Dieses Manuskript wird beschrieben, wie diese Einschränkung durch programmierbare DNA-Nanoröhren, experimentelle Studien über die Auswirkungen der Glühfaden Steifigkeit ermöglicht umgangen wird.

Zusammenfassung

Mechanische Eigenschaften von komplexen, Polymer-basierten weiche Materie, wie Zellen oder Biopolymer Netzwerke können im weder klassische Rahmen von flexiblen Polymeren noch starre Stäbe verstanden werden. Zugrunde liegenden Fäden bleiben ausgestreckten aufgrund ihrer nicht-verschwindende Rückgrat Steifigkeit, die über die Persistenz-Länge (l_p) quantifiziert wird, aber sie sind auch starken thermischen Schwankungen unterworfen. Ihre endlicher Biegesteifigkeit führt zu einzigartigen, nicht-triviale kollektive Mechanik lose Netzwerke, ermöglicht die Bildung von stabilen Gerüste bei geringer Lautstärke Fraktionen gleichzeitig große Maschenweiten. Dieses Prinzip ist weit verbreitet in der Natur (z. B. in Zellen oder Gewebe), hohen Gehalt an molekularen und wodurch diffusive oder aktiven Transport zu minimieren. Aufgrund ihrer biologischen Auswirkungen und mögliche technologische Anwendungen in biokompatible Hydrogele wurden semiflexiblen Polymere beträchtliche Studie unterzogen. Nachvollziehbare Untersuchungen blieb jedoch herausfordernd, da sie auf natürlichen Polymeren, z. B. Actinfilamente, gestützt, die nicht frei einstellbaren sind. Trotz dieser Einschränkungen und aufgrund des Fehlens von synthetischen, mechanisch einstellbaren und semiflexiblen Polymere wurden Actinfilamente als gemeinsame Modellsystem etabliert. Eine große Einschränkung ist, dass die zentrale Menge l_p frei optimiert werden kann, um ihre Auswirkungen auf die makroskopischen Massen Strukturen zu untersuchen. Diese Einschränkung wurde behoben, durch den Einsatz von strukturell programmierbarer DNA-Nanoröhren, ermöglicht kontrollierte Veränderung der Filament-Steifigkeit. Sie entstehen durch Kachel-basierte Designs, wo eine diskrete Menge von teilweise komplementäre Stränge in eine Ringstruktur mit einem diskreten Umfang hybridisieren. Diese Ringe sind mit klebrige enden, ermöglichen der effektive Polymerisation in Filamente mehreren Mikrometern in der Länge, und ähnliche Polymerisation Kinetik als natürliche Biopolymere anzuzeigen. Diese Rohre sind aufgrund ihrer programmierbaren Mechanik vielseitig, neuartige Instrumente zur Untersuchung der Auswirkungen von l_p auf der Einzelmolekül-sowie der Bulk-Skala. Im Gegensatz zu Actinfilamente sie über Wochen ohne nennenswerte Degeneration, stabil bleiben und ihre Handhabung ist vergleichsweise einfach.

Einleitung

Aufgrund der komplexen Verhaltensweisen ermöglicht durch ihre einzigartigen mechanischen Eigenschaften sind semiflexiblen Polymere Grundbausteine der lebenden Materie. Im Gegensatz zu flexiblen Polymeren verabschieden semiflexiblen Polymere eine ausgestreckte Konfiguration aufgrund ihrer nicht-verschwindende Rückgrat Steifigkeit zwar noch immer unter starken thermischen Schwankungen¹. Somit können nicht rein stochastische Modelle auf ihr Verhalten, wie bei den extremen voll flexible oder starre Polymere angewendet werden. Das so genannte Endlosschraube-wie Kette Modell²^,³^,