Charakteristika der Konjugation von DNA-Origami-Komplexen mit der Protease DegP
Als Richard Feynman im Dezember 1959 seine Rede "There's plenty of room at the bottom" hielt, begann die wissenschaftliche Gemeinschaft zum ersten Mal, die mikroskopische Welt auf eine andere Weise zu betrachten. Dieser visionäre Vortrag legte den Grundstein für die spätere Nanotechnologie, d. h. die Schaffung und Manipulation von Materie im Nanometerbereich. Ein revolutionärer Fortschritt in diesem Bereich erfolgte etwa 20 Jahre später, als Ned Seeman vorschlug, DNA als Baustein für Objekte in Nanogröße zu verwenden, um sie später mit einer Vielzahl von Biomolekülen zu funktionalisieren. Damals noch ein Novum ist die Nanotechnologie heute ein fester Bestandteil des täglichen Lebens und mit ihren verschiedenen Facetten in jedem Lehrplan eines naturwissenschaftlichen Studiengangs präsent. Was die Objekte im Nanomaßstab so interessant macht und für jeden, der in diesem Bereich forscht, eine Herausforderung darstellt, ist die Tatsache, dass ihr Verhalten mit Effekten aus der Quantenwelt vermischt ist. Die Tatsache, dass die physikalischen Eigenschaften nanoskaliger Objekte von den aus der klassischen Physik erwarteten Gesetzen abweichen, eröffnet völlig neue Möglichkeiten, insbesondere im Bereich der biologisch-medizinischen Anwendungen. Ein Schwerpunkt in dieser Richtung ist die Manipulation von inter- und intrazellulären Prozessen, sodass diese nanoskaligen Objekte als Therapeutika eingesetzt werden können. Im Bereich der Bionanotechnologie sind DNAbasierte Konstrukte aufgrund ihrer einfachen Realisierung und hochspezifischen Funktionalisierung sehr beliebt. Der Fokus liegt jedoch nicht mehr auf der Herstellung solcher Strukturen, sondern auf deren Funktionalisierung. In dieser Arbeit soll die Konjugation unterschiedlich modifizierter DNA-Origami-Komplexe mit der Hitzeschockprotease DegP als Modellprotein untersucht und im Hinblick auf das Bindungsverhalten, die Bindungseffizienz sowie die Spezifität der Bedingungen beschrieben werden. Die Arbeiten haben zwei Schwerpunkte: 1. die Untersuchung des Einflusses und der Manipulation der Oberflächenladung der beteiligten Moleküle und 2. der Einfluss der Anzahl und Anordnung der bindungsvermittelnden nicht-kovalenten Liganden sowie die Rolle der Entropie in Bezug auf die Häufigkeit der Bindungsereignisse. Dazu werden elektrophoretische und fluoreszenzbasierte Methoden eingesetzt. Die Transmissionselektronenmikroskopie wurde als bildgebendes Verfahren eingesetzt. Generell wird gezeigt, dass die Funktionalisierung von DNA-basierten Strukturen durch die Kenntnis der spezifischen Mechanismen rational manipuliert und effizienter gestaltet werden kann.
When Richard Feynman gave his speech "There's plenty of room at the bottom" in December 1959, the scientific community, for the first time, started to look at the microscopic world in a different way. This visionary talk set the bases of what later became nanotechnology, which is the creation and manipulation of matter at the nanometre scale. A revolutionary advance in this field occurred about 20 years later, when Ned Seeman proposed to use DNA as a building block of nanosized objects, which can be later functionalised with a variety of biomolecules. The impact of Feynman’s ideas has been impressive, since nanotechnology is nowadays an integral part of every day’s life and is present with its various facets in every curriculum of a science course; at that time, however, it was a novelty. What makes nanoscale objects so interesting and poses challenges for anyone researching in this field is that their behaviour is mixed with effects from the quantum world. The fact that the physical properties of nanoscale objects deviate from the laws expected from classical physics opens completely new possibilities, especially in the field of biological-medical applications. One focus in this direction is the manipulation of inter- and intracellular processes so that these nanosized objects can be used as therapeutics. In the field of bionanotechnology, DNAbased
constructs are very popular due to their easy realisation and highly specific functionalisation. However, the focus is no longer on the creation of such structures, but rather on their functionalisation. In this work, the conjugation of differently modified DNA-origami complexes with the heat shock protease DegP as a model protein will be investigated and described regarding the binding behaviour, the binding efficiency as well as the specificity of the conditions. The work has two main foci: 1. the investigation of the influence and manipulation of the surface charge of the molecules involved, and 2. the influence of the number and arrangement of the bindingmediating non-covalent ligands, as well as the role of entropy in relation to the frequency of binding events. This will be done using electrophoretic and fluorescence-based methods. Transmission electron microscopy was used as an imaging technique. In general, it will be shown that the functionalization of DNA-based structures with can be rationally manipulated and made more efficient through knowledge of the specific mechanisms.
constructs are very popular due to their easy realisation and highly specific functionalisation. However, the focus is no longer on the creation of such structures, but rather on their functionalisation. In this work, the conjugation of differently modified DNA-origami complexes with the heat shock protease DegP as a model protein will be investigated and described regarding the binding behaviour, the binding efficiency as well as the specificity of the conditions. The work has two main foci: 1. the investigation of the influence and manipulation of the surface charge of the molecules involved, and 2. the influence of the number and arrangement of the bindingmediating non-covalent ligands, as well as the role of entropy in relation to the frequency of binding events. This will be done using electrophoretic and fluorescence-based methods. Transmission electron microscopy was used as an imaging technique. In general, it will be shown that the functionalization of DNA-based structures with can be rationally manipulated and made more efficient through knowledge of the specific mechanisms.