in today’s lecture, we will cover: what is bionanotechnology? · pdf filein...

9
1 In today’s lecture, we will cover: What is bionanotechnology? How can DNA be used in nanotechnology? What are aptamers? 1 What is bionanotechnology? ATP synthase Nano “motor” Bionanotechnology is nanotechnology that uses biological starting materials, biological design principles or has biological or medical applications. Ribosome Nano “factory” Using ATP synthase for a rotor Ni nanopropellor attached to ATP synthase, then attached to a surface. Rotation powered by 2 mM ATP Ricky K. Soong, et al. Powering an Inorganic Nanodevice with a Biomolecular Motor Science 290, 1555 (2000) Mimicking the ATP synthase nano rotor www.youtube.com/watch?v=P3Df2UqRPoQ

Upload: phamnhan

Post on 27-Mar-2018

216 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

1

In today’s lecture, we will cover:

What is bionanotechnology?

How can DNA be used in nanotechnology?

What are aptamers?

1

What is bionanotechnology?

ATP synthase

Nano “motor”

Bionanotechnology is nanotechnology that uses biological starting materials, biological design principles or has biological or medical applications. 

Ribosome

Nano “factory”

Using ATP synthase for a rotor• Ni nanopropellor attached to ATP synthase, then attached to a surface.

• Rotation powered by 2 mM ATP

Ricky K. Soong, et al. Powering an Inorganic Nanodevice with a BiomolecularMotor Science 290, 1555 (2000)

Mimicking the ATP synthase nanorotor

• www.youtube.com/watch?v=P3Df2UqRPoQ

2

Molecular assembler mimicking the ribosome

Science 11 January 2013: Vol. 339  no. 6116  pp. 189‐193

https://www.newscientist.com/article/dn23065-nanomachine-mimics-natures-protein-factory/

How can DNA be used in nanotechnology?

DNA’s unique properties make it well‐suited for nanotechnology

• Size/Shape

• Diameter of about 2.5 nm

• Helical pitch of 3.4 nm (10 base pairs)

• Persistence length of 50 nm

DNA’s unique properties make it well‐suited for nanotechnology

• Recognition

• A binds to T

• G binds to C

• Shape of DNA is programmable and predictable

3

DNA’s unique properties make it well‐suited for nanotechnology

• Can be chemically synthesized• PCR to make many copies

DNA nanoscaffolds

DNA nanomachines

DNA nanosensors

DNA as a nanoscaffold• One approach uses “sticky ends” and DNA tiles

Seeman et al Nature 1991, 350, 631

DNA as a nanoscaffold• Very complicated tiles can make interesting patterns

Seeman JACS, 2004, 126, 10230.

4

How can this be useful?

• Can use the DNA patterns as a scaffold or a template for other nanocomponents

Nano Lett. 2006 Vol. 6, No. 7, 1502‐1504

How can this be useful?

• Can use the DNA patterns as a scaffold or a template for other nanocomponents

Nano Lett. 2006 Vol. 6, No. 7, 1502‐1504

DNA can access complex patterns

Sharma et al Science 2009 112 ‐ 116

A newer approach is called “DNA origami”

• A long piece of viral DNA is folded by a computer program into a certain pattern

• Short “staple” DNA are designed to hold the folds in place

5

“DNA Origami” can make complex patterns

Rothemund, P.W.K.  Nature 2006, 440, 297‐302.

“DNA Origami” can make complex 2D and 3D patterns

Rothemund, P.W.K.  Nature 2006, 440, 297‐302.

3D box made with DNA origami

• AFM images of the sheets (a), the folded box (b), and the box with the lid open  (c).

19Andersen et al. “Self-assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid” Nature2009, 459, 73-77.

You can make your own!

• http://cando‐dna‐origami.org/

6

DNA as a nanomachine

• We are probably  years away from DNA machines that can do complex tasks

• Current nano‐machines are very simple

A DNA‐based molecular assembler

Seeman, “A proximity‐based programmable DNA nanoscale assembly line” Nature Volume: 465, Pages: 202–205

22

Seeman, “A proximity-based programmable DNA nanoscale assembly line” Nature Volume: 465, Pages: 202–205 23

A DNA‐based molecular assembler

• UV light excites a molecule to release an electron

• Electron reacts and breaks DNA

• DNA releases and “walks” along a track

24

UV‐powered DNA “walker”

http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.5b02502

7

• UV light excites a molecule to release an electron

• Electron reacts and breaks DNA

• DNA releases and “walks” along a track

25

UV‐powered DNA “walker”

http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.5b02502

DNA as a nanosensor (cont’d)

• DNA recognition is not limited to its complementary sequence

• Certain type of DNA can also recognize and bind to other molecules 

• These molecules are known as Aptamers 

– Aptus: to fit

26

• Aptamers are synthetic stretches of DNA or RNA that can fold into nanosized shapes capable of binding to molecular targets

–bind targets (small molecules, proteins) with high affinity 

• Kd values in the micromolar to sub‐nanomolar range 

What are Aptamers?• Aptamers are synthetic stretches of DNA or RNA that can fold into nanosized shapes capable of binding to molecular targets

– remarkable selectivity

• Theophyline aptamer: difference of a single methyl group leads to 10 000 times weaker binding

What are Aptamers?

8

Aptamers are discovered by the SELEX screening procedure

Tuerk, C., Gold, L. Science 1990; Ellington, A.D., Szostak, J.W. Nature 1990

target

Random region

Fixed regions

PCR

Clone, sequence,

characterize

SELEX explained:  Science Magazine’s Dance your Ph.D

Can aptamers make fertilizers “smart”?

“ You cannot feed 6B people today (2007) and 9B in 2050 without judicious use of chemical fertilizers." 

Dr. Jacques Diouf, Director‐General of the FAO.

The efficiency of current fertilizer technology is very low

• 50‐70% of fertilizer applied to crops is lost to air, water and other processes

• >$1B a year for Canadian farmers

• Major environmental impact (runoff and greenhouse gas emissions) 

9

Can aptamers make fertilizers “smart”?

Y. Sultan and M. C. DeRosaSmall 2011, 7, 1219‐1226.

Preparation of hollow capsules with aptamer‐loaded walls

• Film deposition by Layer‐by‐Layer approach on sacrificial templates

Y. Sultan and M. C. DeRosaSmall 2011, 7, 1219‐1226.

Preparation of hollow capsules with aptamer‐loaded walls

Aptamer capsules specific for a root exudate show increased dye 

permeability

Target molecule Diffusion coefficient (µm2/s)

Aptamer film with Exudate 0.113± 0.043Aptamer film with Negative control

0.051± 0.008

Sultan and DeRosa