Elektrische Leitfähigkeit PLL-beschichteter DNA-Origami Strukturen

DNA‑Origami Strukturen wurden auf ihre Verwendbarkeit als strahlensensitives Detektormaterial hin untersucht. Die elektrische Leitfähigkeit soll dabei das Ausmaß des Strahlenschadens wiedergeben [1]. In ihrer natürlichen Umgebung in Zellen befindet sich die DNA in wässriger Lösung. Außerhalb der natürlichen Umgebung kann die regelmäßige helikale Struktur der DNA infolge der Denaturierung durch Umwelteinflüsse, zum Beispiel Mikrohydrisierung, beschädigt werden. Diese regelmäßige Struktur ist jedoch ausschlaggeben für den Transport elektrischer Ladungsträger [2]. Die Aussetzung der DNA an Luft kann also schon vor einer Strahlenexposition die Leitfähigkeit der DNA beeinträchtigen. Um dem Effekt der Mikrohydrierung entgegen zu wirken, wurden die verwendeten DNA‑Origami‑Strukturen in einem mehrlagigen, dicht gepackten Aufbau entworfen, wie in der Abbildung 1 dargestellt. In einem solchen Aufbau sind die einzelnen Doppelhelices deutlich stabiler als einzelne Stränge. Des Weiteren wurden die Origamis mit einem Schutzmantel aus Poly‑L‑Lysine (PLL) versehen [3]. Es wurde festgestellt, dass dieser Schutz der Denaturierung in Lösungen geringer ionischer Stärke entgegenwirkt.

Abbildung 1: Schematische Darstellung (a) einer 30‑Helix Bundle DNA‑Origami‑Struktur, sowie AFM Aufnahme mehrerer Strukturen auf einer Mica Oberfläche (b) und TEM Aufnahme einer einzelnen Struktur (c).

Leitfähigkeitsmessungen nach elektrischer Kontaktierung mittels AC Dielektrophorese (DEP) zeigen nichtleitendes Verhalten bei den nicht modifizierten DNA‑Origami Strukturen. Im Fall der PLL modifizierten Strukturen konnten ohmsche Leitfähigkeiten bis zu 2 µS gemessen werden.

In vielen Fällen zeigt sich zudem eine lokale Zerstörung der Elektroden und des Substrates (siehe die Abbildung 2). Eine Erklärung hierfür ist das Auftreten hoher elektrischer Ströme, resultierend aus der Kontaktierung gut leitender Strukturen. In weiteren Experimenten soll daher untersucht werden, ob DNA‑Origami‑Strukturen mit noch höheren Leitfähigkeiten erfolgreich kontaktiert und gemessen werden können.

Abbildung 2: REM und AFM Aufnahmen von Nanoelektroden‑Paaren. Die REM Aufnahme im Bild a zeigt ein Paar in intaktem Zustand vor der Immobilisierung der DNA‑Origami‑Strukturen. Die AFM Aufnahmen zeigen ein intaktes Paar mit kontaktierten DNA‑Origami‑Strukturen (b) und ein Paar, welches nach der DEP Präparation lokal zerstört wurde (c).

Referenzen

[01]    Heimbach, F., Arndt, A., Nettelbeck, H. et al. Measurement of changes in impedance of DNA nanowires due to radiation induced structural damage. Eur. Phys. J. D 71, 211 (2017)

[02]    Elizabeth M Boon, Jacqueline K Barton, Charge transport in DNA, Curr. Opin. Struc. Biol. 12, 3 (2002)

[03]    Ponnuswamy, N., Bastings, M., Nathwani, B. et al. Oligolysine-based coating protects DNA nanostructures from low-salt denaturation and nuclease degradation. Nat Commun 8, 15654 (2017)

Ansprechpartner

W. Y. Baek, Fachbereich 6.3, Arbeitsgruppe 6.36