Nanostructures constructed via self-assembly of nanoparticles using DNA hybridization

Abstract

Nanoparçacıklar, sensor, teşhis araçları ve ilaç taşıma araçlarının yapımında yapı taşları olarak kullanılırlar. Ne var ki, nanoparçacıkların kullanımlarında, onları düzenli ve istenilen bir şekilde bir araya getirerek, onlardan 2 boyutlu veya 3 boyutlu nanoyapıların inşa edilmesi büyük bir sorun teşkil etmektedir. Nanoyapı hazırlanmasında, genellikle, 2 yaklaşım vardır: yukarıdan-aşağıya ve aşağıdan-yukarıya. Litografi yukarıdan-aşağıya tekniklerinden biridir ve gerek kısıtlı ölçek kullanımı olsun, gerekse de düzenli oluşumlar yapmanın zorluğu ve pahalı cihazlar kullanmak olsun, bazı kısıtlamaları vardır. Diğer taraftan, aşağıdan-yukarıya yöntemleri veya bir başka ifadeyle kendiliğinden bir araya getirilme yöntemleri ölçek kısıtlamalarından muaftır; çünkü bu yöntemlerde, DNA, RNA, peptit, lipit, karbonhidrat ve diğer moleküller gibi biyomakromoleküllerin birbirleri arasındaki etkileşimi kullanırlar. Bunlar arasından, DNA, kolayca beklenilen ikincil yapı oluşumu ve Watson-Crick baz paylaşımındaki hibridizasyon özelliklerinin iyi anlaşılması hasebiyle, karmaşık kendiliğinden bir araya getirilmeler için ideal malzeme gibi gözükmektedir. Ayrıca, DNA kolayca istenilen şekilde modifiye edilebilir, baz dizilimi değiştirilebilir ve diğer moleküller ile özel kısımlarından bağlanabilir.Bu çalışmada, DNA yardımıyla altın nanoparçacıkların (AuNP) kendiliğinden bir araya getirimleri yöntemiyle, iki farklı nanoyapının inşası amaçlanmıştır. Bunlardan ilkinde, iki boyutlu yapılar, 13 nm AuNP'ların önceden tasarımı yapılmış 4x4 DNA karosu origamik yapısının üzerine toplanmasıyla süspansiyon içerisinde inşa edilmiştirler. İkinci çalışmada ise, nano ölçekte kübik yapılar oluşturmak için, yüzeyleri farklı DNA'lar ile modifiye edilmiş iki 13 nm AuNP, on faklı DNA bağlacının eklenmesiyle bir araya toplanmaları sağlanmıştır. Hazırlanan yüzeydeki örnekler AFM'de bakılırken, süspansiyon içindeki örnekler Zetasizer ve SAXS cihazlarında incelenmiştir. Bu tezde sunulmuş prensipler ışığında, NP'ların yapı taşları olarak kullanımlarıyla daha karmaşık nanoyapıların tasarlanıp hazırlanarak inşa edilmeleri izah edilmiştir.

Nanoparticles (NPs) are used as building blocks for construction of sensors, bio-diagnostic tools and drug delivery agents. However, the biggest challenge for their use is to construct such nanoconstructions via assembly of NPs in desired geometry into two dimensional (2D) or three dimensional structures (3D). In general, there are two approaches to prepare nanostructure: top-down and bottom-up. Lithography is an example of top-down techniques which are limited in scale and have some other limitations such as hard preparation in order and expensive instruments. On the other hand, bottom-up methods, so called self-assembly, have not scale limitations because it uses the interactions biomacromolecules, for instance DNA, RNA, peptides, lipid, carbohydrates and other small molecules. Among them, DNA seems to be an ideal material for attaining complex self-assembly due to its easily expected secondary structure and well understood of hybridization properties in Watson-Crick base pairing. Likewise, DNA is easy to be modified, sequenced and can interact with other molecules to its specific site.In this work, it is aimed to construct two different nanostructures via self-assembly of gold nanoparticles (AuNPs) by the help of DNA. In the first one, 2D nanostructure is constructed by assembling of 13 nm AuNPs on pre-designed 4x4 DNA tile origami structure in the suspension. In the second one, differently modified two 13 nm gold colloids are assembled together by adding ten different DNA linkers to construct nano cubic structures. The prepared samples are analyzed by AFM on the surface and by Zetasizer and SAXS in the suspension. Based on the principles of nanoconstruction presented in this thesis, the construction of nanostructures for the design and preparation of much complex nanostructures using the NPs as building blocks is clarified.