Construction of DNA-Nanoparticle Conjugates for Applications in Molecular Electronics and Biosensing
Author
Jensen, Kasper Risgaard
Term
4. term
Education
Publication year
2009
Abstract
Denne undersøgelse handler om at fremstille konjugater af DNA og sølvnanopartikler til brug i plasmoniske biosensorer og molekylær elektronik. Guldnanopartikler bruges oftest, fordi de er mere stabile, men sølv kan give et stærkere og skarpere lyssvar samt højere ledningsevne. Det kan i princippet give mere følsomme sensorer og er attraktivt til elektroniske anvendelser. Vi beskriver en metode, der på cirka 2 timer kobler DNA til sølvnanopartikler via en specifik kemi: fosforothioat-grupper på DNA’et binder til sølv. Vi testede både fosforothioateret enkeltstrenget DNA og DNA i hårnålestruktur med fosforothioat-grupper i løkken. Enkeltstrenget DNA uden fosforothioat fungerede som reference for at skelne specifik fra uspecifik binding. Derudover undersøgte vi fosforothioateret ATP med almindeligt ATP som reference for at vurdere en mulig stabiliserende effekt. Absorbansmålinger og gelelektroforese viste, at fosforothioateret enkeltstrenget DNA gav den største stabilisering af sølvnanopartiklerne. Hårnåle-DNA med fosforothioat i løkken stabiliserede næstmest, og enkeltstrenget DNA uden fosforothioat mindst. Det bekræfter den specifikke interaktion mellem fosforothioat-grupper og sølv. I modsætning til DNA forbedrede fosforothioat på ATP ikke stabiliseringen; det udløste i stedet aggregering. I anden del sammenlignede vi følsomheden af overfladeplasmon-resonans (SPR) biosensorer baseret på overfladeplasmon-polaritoner på en guldfilm. Sensorerne indeholdt det DNA-bindende peptid indolicidin-4 og enten dobbeltstrenget DNA koblet direkte til guldfilmen eller dobbeltstrenget DNA–sølvnanopartikel-konjugater koblet til guldfilmen. Vi forventede, at nanopartiklerne ville øge følsomheden, fordi peptidbindingen kunne ændre DNA’ets form og dermed afstanden mellem nanopartiklen og guldfilmen, hvilket påvirker lysspredningen. Koblingen til guldfilmen blev bekræftet med SPR-spektroskopi, og konjugaternes kobling blev også set med atomarkraftmikroskopi. Resultatet var, at indolicidin-4 gav et større signal (større resonansvinkel-skift) ved binding til dobbeltstrenget DNA alene end til DNA–sølvnanopartikel-konjugater, og den forventede ændring i lysspredning blev ikke tydeligt observeret. Til gengæld bestemte vi kinetikken for indolicidin-4s binding til dobbeltstrenget DNA: associationshastighed 432 M^-1 s^-1 og dissociationshastighed 0.00002 s^-1, som efter vores viden rapporteres for første gang.
This study explores how to make conjugates of DNA and silver nanoparticles for use in plasmonic biosensors and molecular electronics. Gold nanoparticles are usually preferred because they are more stable, but silver can produce a stronger, sharper optical response and has higher electrical conductivity. These properties could, in principle, improve sensor sensitivity and are attractive for electronics. We present a method that links DNA to silver nanoparticles in about 2 hours using a specific chemistry: phosphorothioate groups on the DNA bind to silver. We tested phosphorothioated single-stranded DNA and a hairpin DNA design with phosphorothioate groups in the loop. Single-stranded DNA without phosphorothioates served as a reference to distinguish specific from non-specific binding. We also examined phosphorothioated ATP, with unmodified ATP as a reference, to assess any stabilizing effect. Absorbance measurements and gel electrophoresis showed that phosphorothioated single-stranded DNA provided the strongest stabilization of the silver nanoparticles. Hairpin DNA with a phosphorothioated loop stabilized them second best, and unmodified single-stranded DNA stabilized the least. This confirms the specific interaction between phosphorothioate groups and silver. Unlike for DNA, adding a phosphorothioate to ATP did not improve stabilization; it induced aggregation. In the second part, we compared the sensitivity of surface plasmon resonance (SPR) biosensors based on surface plasmon polaritons on a gold film. The sensors used the DNA-binding peptide indolicidin-4 and either double-stranded DNA attached directly to the gold film or double-stranded DNA–silver nanoparticle conjugates attached to the gold film. We expected nanoparticles to enhance sensitivity because peptide binding could change DNA conformation and thus the distance between the nanoparticle and the gold film, which affects light scattering. Attachment to the gold film was confirmed by SPR spectroscopy, and conjugate attachment was also confirmed by atomic force microscopy. The outcome was that indolicidin-4 produced a larger signal (a bigger resonance angle shift) when binding to double-stranded DNA alone than to DNA–silver nanoparticle conjugates, and the expected change in light scattering was not clearly observed. However, we determined kinetic rates for indolicidin-4 binding to double-stranded DNA: an association rate of 432 M^-1 s^-1 and a dissociation rate of 0.00002 s^-1, which to our knowledge are reported here for the first time.
[This abstract was generated with the help of AI]
Documents