DNA origami tools for biophysical and biochemical applications
Nanotechnology is the inevitable and necessary next step in technological advance. This is because the miniaturization of devices and the benefits derived by quantum effects do not only safe valuable resources, but they are also highly promising for making existing processes more efficient and for developing a completely new set of tools for basically every domain of life. One problem faced in this area of research is the extreme difficulty encountered when trying to precisely arrange molecules in an orchestrated fashion. DNA nanotechnology offers an exciting toolbox to specifically address this problem, as it allows the rational assembly of multi-component systems with nanometer accuracy.
In this thesis, three projects are presented that take on different aspects of DNA nanotechnology. The main work investigates the effects of the spatial confinement of the serine protease thrombin within DNA nanostructures (R. Kosinski et al. Sci. Adv. 2022). The enzyme is successfully bound to different DNA origami structures and its kinetics are carefully analyzed in dependence of various parameters, such as the degree of confinement, type of substrate and type of nanostructure. In general, increased reaction rates were observed for confined enzyme species, although the extent of improvement varied in a complex way upon many factors that will be described in detail. This work discusses many of the proposed hypotheses on the enhancement of reaction rates observed for DNA-enzyme conjugates and advocates for a careful investigation of these structures, which may show a complex kinetic behavior despite their apparent simplicity.
Furthermore, the folding pathway of a three-domain DNA origami structure was investigated in detail (R. Kosinski et al. Nat. Comm. 2020). In particular, the ability of each structurally identical domain to fold in one of two different isomers as a function of the mechanical stress applied at the edges and their sequence composition. The mechanical stress generated by the unfavorable hybridization of edge staples resulted in isomerization as a means to circumvent local structural frustrations, however in a sequence-dependent fashion.
Finally, a hierarchical assembly of DNA origami structures was realized for the selective encapsulation of cargos and regulation of their intermolecular distance through a reconfigurable platform that can reversibly switch among five distinct states (M. Erkelenz*, R. Kosinski* et al. Chem. Comm. 2021; *equal contributors; an additional first co-authorship is currently in preparation). As a proof-of-principle, a AuNP-DNA hybrid superstructure was constructed as a potential tool for optical analytics such as SERS and M-FRET
technologischen Fortschritt. Das liegt darin begründet, dass sowohl die Miniaturisierung als auch die Nutzung von Quanteneffekten nicht nur wertvolle Ressourcen spart, sondern auch bestehende Prozesse deutlich effizienter macht und die Entwicklung neuer Prozesse ermöglicht. Ein großes Problem der Nanotechnologie ist die Schwierigkeit einzelne Moleküle präzise zu der räumlichen Einschränkung, dem Substrattypen und der Nanostrukturen. Generell wurde eine erhöhte Reaktionsrate für DNA-gebundene Enzyme festgestellt. Das Ausmaß ebendieses ist jedoch von vielen verschiedenen Faktoren abhängig, welche im Detail beschrieben werden.In dieser Arbeit werden viele der vorgeschlagenen Hypothesen bezüglich DNA-Enzym Konjugaten diskutiert und sie zeigt, dass voreilige Schlussfolgerungen in Bezug auf erhöhte
Enzymaktivitäten zu vermeiden sind, da DNA-Enzym Konjugate ein komplexes kinetisches Verhalten aufweisen, trotz einer Reduzierung des Systems auf wenige Komponenten. Des Weiteren wird der Faltungsprozess eines DNA Origamis untersucht und die Möglichkeit zwei verschiedene Strukturen zu erhalten (R. Kosinski et al. Nat. Comm. 2020). Es wird gezeigt, dass mechanischer Stress, ausgelöst durch ungünstige Hybridisierungen an den Rändern der Struktur und abhängig von der Sequenz, zu einer Isomerisierung führt, in dem
Versuch die globale Struktur zu entspannen.Letztlich wird die hierarchische Assemblierung von DNA Origami Strukturen für die selektive Bindung von Gast-Molekülen sowie deren räumlicher Zuwendung realisiert (M. Erkelenz*, R. Kosinski* et al. Chem. Comm. 2021; *gleicher Beitrag; eine weitere CoErstautorenschaft ist derzeit in Vorbereitung). Als erster Nachweis wird eine NanopartikelDNA Hybridstruktur konstruiert mit möglichen Anwendungen für SERS und M-FRET.platzieren. DNA Nanotechnologie, speziell die Methode des DNA Origamis, ist besonders gut geeignet um genau dieses Problem zu behandeln, da es eine Plattform bietet, auf der sich MultiKompenenten-Systeme assemblieren lassen. In dieser These werden drei Projekte präsentiert, wovon jedes einen anderen Aspekt der DNA Nanotechnologie untersucht. Die Hauptarbeit analysiert die Effekte der Bindung und räumlichen Einschränkung der Serin-Protease Thrombin an DNA Nanostrukturen (R. Kosinski et al. Sci. Adv. 2022). Das Enzym wird erfolgreich an verschiedene DNA Origamis gebunden
und das kinetische Verhalten wird gründlich untersucht, speziell mit Rücksicht auf den Grad.