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Force spectroscopy with DNA origami
Force spectroscopy with DNA origami
The physical stability, biocompatibility, and molecular recognition have made DNA a promising building material in nanotechnology. In particular, DNA origami uses the molecular recognition properties of DNA to create supramolecular structures of virtually any geometry with nanometer precision. This positional control offers the possibility to investigate biomolecular systems at unequaled levels of control. In this cumulative dissertation, I present the following three DNA origami centered research projects: In the first part, I present the direct use of intact bacteriophages M13 and λ without further purification of the genomic DNA as a source of single- and double-stranded scaffolds and show the successful one-pot assembly of various DNA origami structures. In the second part, I show a DNA origami structure as a differential molecular force balance. The structure is a seesaw-like DNA origami that compares a pair of binding partners on one side of the balance to a reference pair on the other side. The binding pair with the stronger interaction locks the structure in a distinct, geometrically distinguishable conformation. In the third part, I demonstrate the use of DNA origami to build a nanoscopic force clamp that operates autonomously in solution and has no connection to the macroscopic world. After characterization of the device, I show how it can be used to study the Holliday junction switching kinetics as a function of applied force. In a next step, I use the force clamp to investigate the TATA-box binding protein mediated bending of promoter DNA., Die Stabilität, Biokompatibilität und molekulare Erkennung von DNA hat dazu geführt dass sich DNA zu einem vielversprechendem Baumaterial in der Nanotechnologie entwickelt hat. Besonders DNA Origami nutzt die molekulare Erkennung von DNA um supramolekulare Strukturen beliebiger Form mit Genauigkeit im Nanometerbereich herzustellen. Diese Positionsgenauigkeit bietet die Möglichkeit, biomolekulare Systeme mit bisher unerreichter Kontrolle zu untersuchen. In dieser kumulativen Dissertation fasse ich die folgenden drei DNA Origami basierten Forschungsprojekte zusammen: Im ersten Teil präsentiere ich die Nutzung von intakten Bakteriophagen M13 und λ as Quelle für einzelsträngige und doppelsträngige Gerüststränge ohne vorherige Aufreinigung der genomischen DNA und zeige desweiteren die erfolgreiche Herstellung von verschiedenen DNA Origami Strukturen aus dieser Gerüststrangquelle. Im zweiten Teil zeige ich eine DNA Origami basierte differentielle molekulare Kraftwaage. Die wippenartige DNA Origami Struktur ver- gleicht Bindungspartner auf einer Seite mit Referenzbindungspartnern auf der anderen Seite. Das Bindungspaar mit der höheren Bindungsenergie lässt die Struktur in einer geometrisch eindeutigen Form einrasten. Im dritten Teil demonstriere ich wie man mit Hilfe von DNA Origami eine nanometergroße Kraftklammer bauen kann welche autonom in Lö- sung agiert und keinerlei Verbindung zur makroskopischen Welt hat. Nach erfolgreicher Charakterisierung der Kraftklammer analysiere ich die Schaltungskinetik der Holliday Struktur als Funktion der angelegten Kraft. Daraufhin untersuche ich die Biegung von Promotor DNA durch das TATA-Box Bindeprotein.
DNA Origami, DNA Nanotechnology, Force Spectroscopy, Single-Molecule Fluorescence, FRET
Nickels, Philipp
2017
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Nickels, Philipp (2017): Force spectroscopy with DNA origami. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

The physical stability, biocompatibility, and molecular recognition have made DNA a promising building material in nanotechnology. In particular, DNA origami uses the molecular recognition properties of DNA to create supramolecular structures of virtually any geometry with nanometer precision. This positional control offers the possibility to investigate biomolecular systems at unequaled levels of control. In this cumulative dissertation, I present the following three DNA origami centered research projects: In the first part, I present the direct use of intact bacteriophages M13 and λ without further purification of the genomic DNA as a source of single- and double-stranded scaffolds and show the successful one-pot assembly of various DNA origami structures. In the second part, I show a DNA origami structure as a differential molecular force balance. The structure is a seesaw-like DNA origami that compares a pair of binding partners on one side of the balance to a reference pair on the other side. The binding pair with the stronger interaction locks the structure in a distinct, geometrically distinguishable conformation. In the third part, I demonstrate the use of DNA origami to build a nanoscopic force clamp that operates autonomously in solution and has no connection to the macroscopic world. After characterization of the device, I show how it can be used to study the Holliday junction switching kinetics as a function of applied force. In a next step, I use the force clamp to investigate the TATA-box binding protein mediated bending of promoter DNA.

Abstract

Die Stabilität, Biokompatibilität und molekulare Erkennung von DNA hat dazu geführt dass sich DNA zu einem vielversprechendem Baumaterial in der Nanotechnologie entwickelt hat. Besonders DNA Origami nutzt die molekulare Erkennung von DNA um supramolekulare Strukturen beliebiger Form mit Genauigkeit im Nanometerbereich herzustellen. Diese Positionsgenauigkeit bietet die Möglichkeit, biomolekulare Systeme mit bisher unerreichter Kontrolle zu untersuchen. In dieser kumulativen Dissertation fasse ich die folgenden drei DNA Origami basierten Forschungsprojekte zusammen: Im ersten Teil präsentiere ich die Nutzung von intakten Bakteriophagen M13 und λ as Quelle für einzelsträngige und doppelsträngige Gerüststränge ohne vorherige Aufreinigung der genomischen DNA und zeige desweiteren die erfolgreiche Herstellung von verschiedenen DNA Origami Strukturen aus dieser Gerüststrangquelle. Im zweiten Teil zeige ich eine DNA Origami basierte differentielle molekulare Kraftwaage. Die wippenartige DNA Origami Struktur ver- gleicht Bindungspartner auf einer Seite mit Referenzbindungspartnern auf der anderen Seite. Das Bindungspaar mit der höheren Bindungsenergie lässt die Struktur in einer geometrisch eindeutigen Form einrasten. Im dritten Teil demonstriere ich wie man mit Hilfe von DNA Origami eine nanometergroße Kraftklammer bauen kann welche autonom in Lö- sung agiert und keinerlei Verbindung zur makroskopischen Welt hat. Nach erfolgreicher Charakterisierung der Kraftklammer analysiere ich die Schaltungskinetik der Holliday Struktur als Funktion der angelegten Kraft. Daraufhin untersuche ich die Biegung von Promotor DNA durch das TATA-Box Bindeprotein.