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DNA self-assembled filaments for micro- and nanoscale propulsion
DNA self-assembled filaments for micro- and nanoscale propulsion
Auf der Mikroebene nutzen viele prokaryotische Mikroorganismen die Rotation helikaler Filamente, sogenannter Flagellen, um sich fortzubewegen. Die Nachahmung dieser hoch entwickelten Strukturen eröffnet einen vielversprechender Ansatz für die Konstruktion künstlich angetriebener Mikro- und Nanoroboter. Die Realisierung künstlicher Flagellen bedarf einer Methode, welche die komplexe Proteinarchitektur dieser Filamente möglichst genau imitieren kann. Neben ihrer Hauptfunktion als Träger der Erbinformation hat sich die Desoxyribonukleinsäure (DNA) in den letzten Jahren als vielseitiger Baustein im Bereich der molekularen Selbstassemblierung etabliert. In vorliegender Dissertation werden auf DNA Selbstassemblierung beruhende Filamente vorgestellt, welche als künstliche Flagellen für den Antrieb von Mikro- und Nanoschwimmern sorgen. Mikrometer lange, helikale DNA Nanotubes, welche in Form und Größe bakteriellen Flagellen gleichen, wurden unter Zuhilfenahme des „DNA tile assembly“ realisiert. Das Einfügen und/oder Entfernen von Basenpaaren ermöglichte es uns die helikale Struktur der Nanotubes auf der Nanoebene zu kontrollieren. Nanotubes mit Mikrometer großen helikalen Durchmessern und definierter Chiralität wurden anhand einer neuartigen Design Technik, dem “tile shifting”, konstruiert. Durch das Anbinden der helikalen Strukturen an magnetische Mikropartikel konzipierten wir eine neue Klasse von biokompatiblen Mikroschwimmern. Diese hybriden Strukturen lassen sich durch ein externes Magnetfeld antreiben, steuern und bewegen sich mittels eines Flagellenbündels, ähnlich wie Bakterien, fort. Mithilfe der DNA Origami Technik waren wir zudem in der Lage, DNA Nanoflagellen mit definierter Form zu konstruieren und an magnetische Nanopartikel anzubinden. Die daraus resultierenden Nanoschwimmer wurden magnetisch angeregt und zeigten eine leichte Erhöhung ihrer Diffusion gegenüber einer reinen Brownschen Molekularbewegung. Eine solch erhöhte Diffusion kann für die Fortbewegung von Nanorobotern von Vorteil sein, falls eine gerichtete Bewegung durch thermische Kräfte verhindert wird. Abschließend konstruierten wir einen Prototyp eines sich autonom fortbewegenden DNA-basierten Mikroschwimmers, indem wir den molekularen Motor F – ATPase zwischen DNA Flagellum und Mikropartikel integrierten. Nach Bereitstellung des Motortreibstoffes ATP lösten sich jedoch die künstlichen Flagellen von den Partikeln, wodurch ein Antrieb der Schwimmer verhindert wurde. Die erfolgreiche Anbindung der DNA Flagellen und die Aktivität der integrierten ATPase stellen dennoch wichtige Schritte für die Realisierung autonomer Mikroschwimmer dar. Die in dieser Dissertation gewonnen Erkenntnisse zeigen, dass DNA basierte molekulare Selbstassemblierung ein ausgezeichnetes Instrument für die Konstruktion von biokompatiblen künstlichen Filamenten ist, welche als Antriebsmechanismus künftiger Generationen von Mikro- und Nanorobotern Verwendung finden können., The rotation of helically shaped filaments, so-called flagella, is one major strategy used by many motile microorganisms to achieve propulsion. Mimicking these highly evolved structures can be a promising approach for the construction of artificially propelled micro- and nanorobots. Realizing artificial flagella, however, requires a technique, which can precisely copy the complex architecture of these protein filaments. Besides its fundamental function as carrier of the genetic information, DNA has proven to be a versatile building block in molecular self-assembly. In this dissertation, DNA-self assembled filaments are presented, which function as artificial flagella for the propulsion of micro- and nanoswimmers. Micrometer-long helically shaped DNA nanotubes, which closely resemble bacterial flagella, were constructed by applying the DNA tile assembly technique. Through the insertion and/or deletion of base pairs, we generated bending and twisting in the DNA nanotubes, which allowed us to control the tubes’ helical shape in the nanoscale regime. Nanotubes with microscale helical diameters and defined chirality were constructed by introducing a new design technique, the so-called tile shifting. By coupling the helical filaments to magnetic microparticles, we constructed a new class of fully biocompatible artificial microswimmers. The hybrid structures were actuated and steered by an external magnetic field and propelled by means of a flagellar bundle similar to motile bacteria. The DNA origami technique further allowed us to realize nanometer-sized artificial DNA flagella with defined shape and to attach them onto magnetic nanoparticles. The resulting nanoswimmers were actuated by a magnetic field and exhibited a slight enhancement of their diffusivity, in comparison to a mere Brownian motion. Such an enhanced diffusion can be of advantage for the locomotion of nanorobots if a directed motion is unfeasible due to strong thermal forces. Finally, we constructed a prototype of an autonomously propelling DNA-based microswimmer by incorporating the molecular motor F-ATPase between DNA flagella and magnetic microparticle. Unfortunately, we observed a detachment of the artificial flagella upon addition of the “motor fuel” ATP, which inhibited the propulsion of the swimmer. The successful coupling of the artificial flagella and the activity of the incorporated ATPase, nevertheless, constitute important steps towards the realization of autonomous microswimmers. The insights gained in this dissertation illustrate that DNA molecular self-assembly is an excellent tool for constructing fully biocompatible artificial flagella, which can provide future micro- and nanorobotic devices with an effective propulsion mechanism.
DNA nanotechnology, microswimmer
Maier, Alexander
2017
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Maier, Alexander (2017): DNA self-assembled filaments for micro- and nanoscale propulsion. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Auf der Mikroebene nutzen viele prokaryotische Mikroorganismen die Rotation helikaler Filamente, sogenannter Flagellen, um sich fortzubewegen. Die Nachahmung dieser hoch entwickelten Strukturen eröffnet einen vielversprechender Ansatz für die Konstruktion künstlich angetriebener Mikro- und Nanoroboter. Die Realisierung künstlicher Flagellen bedarf einer Methode, welche die komplexe Proteinarchitektur dieser Filamente möglichst genau imitieren kann. Neben ihrer Hauptfunktion als Träger der Erbinformation hat sich die Desoxyribonukleinsäure (DNA) in den letzten Jahren als vielseitiger Baustein im Bereich der molekularen Selbstassemblierung etabliert. In vorliegender Dissertation werden auf DNA Selbstassemblierung beruhende Filamente vorgestellt, welche als künstliche Flagellen für den Antrieb von Mikro- und Nanoschwimmern sorgen. Mikrometer lange, helikale DNA Nanotubes, welche in Form und Größe bakteriellen Flagellen gleichen, wurden unter Zuhilfenahme des „DNA tile assembly“ realisiert. Das Einfügen und/oder Entfernen von Basenpaaren ermöglichte es uns die helikale Struktur der Nanotubes auf der Nanoebene zu kontrollieren. Nanotubes mit Mikrometer großen helikalen Durchmessern und definierter Chiralität wurden anhand einer neuartigen Design Technik, dem “tile shifting”, konstruiert. Durch das Anbinden der helikalen Strukturen an magnetische Mikropartikel konzipierten wir eine neue Klasse von biokompatiblen Mikroschwimmern. Diese hybriden Strukturen lassen sich durch ein externes Magnetfeld antreiben, steuern und bewegen sich mittels eines Flagellenbündels, ähnlich wie Bakterien, fort. Mithilfe der DNA Origami Technik waren wir zudem in der Lage, DNA Nanoflagellen mit definierter Form zu konstruieren und an magnetische Nanopartikel anzubinden. Die daraus resultierenden Nanoschwimmer wurden magnetisch angeregt und zeigten eine leichte Erhöhung ihrer Diffusion gegenüber einer reinen Brownschen Molekularbewegung. Eine solch erhöhte Diffusion kann für die Fortbewegung von Nanorobotern von Vorteil sein, falls eine gerichtete Bewegung durch thermische Kräfte verhindert wird. Abschließend konstruierten wir einen Prototyp eines sich autonom fortbewegenden DNA-basierten Mikroschwimmers, indem wir den molekularen Motor F – ATPase zwischen DNA Flagellum und Mikropartikel integrierten. Nach Bereitstellung des Motortreibstoffes ATP lösten sich jedoch die künstlichen Flagellen von den Partikeln, wodurch ein Antrieb der Schwimmer verhindert wurde. Die erfolgreiche Anbindung der DNA Flagellen und die Aktivität der integrierten ATPase stellen dennoch wichtige Schritte für die Realisierung autonomer Mikroschwimmer dar. Die in dieser Dissertation gewonnen Erkenntnisse zeigen, dass DNA basierte molekulare Selbstassemblierung ein ausgezeichnetes Instrument für die Konstruktion von biokompatiblen künstlichen Filamenten ist, welche als Antriebsmechanismus künftiger Generationen von Mikro- und Nanorobotern Verwendung finden können.

Abstract

The rotation of helically shaped filaments, so-called flagella, is one major strategy used by many motile microorganisms to achieve propulsion. Mimicking these highly evolved structures can be a promising approach for the construction of artificially propelled micro- and nanorobots. Realizing artificial flagella, however, requires a technique, which can precisely copy the complex architecture of these protein filaments. Besides its fundamental function as carrier of the genetic information, DNA has proven to be a versatile building block in molecular self-assembly. In this dissertation, DNA-self assembled filaments are presented, which function as artificial flagella for the propulsion of micro- and nanoswimmers. Micrometer-long helically shaped DNA nanotubes, which closely resemble bacterial flagella, were constructed by applying the DNA tile assembly technique. Through the insertion and/or deletion of base pairs, we generated bending and twisting in the DNA nanotubes, which allowed us to control the tubes’ helical shape in the nanoscale regime. Nanotubes with microscale helical diameters and defined chirality were constructed by introducing a new design technique, the so-called tile shifting. By coupling the helical filaments to magnetic microparticles, we constructed a new class of fully biocompatible artificial microswimmers. The hybrid structures were actuated and steered by an external magnetic field and propelled by means of a flagellar bundle similar to motile bacteria. The DNA origami technique further allowed us to realize nanometer-sized artificial DNA flagella with defined shape and to attach them onto magnetic nanoparticles. The resulting nanoswimmers were actuated by a magnetic field and exhibited a slight enhancement of their diffusivity, in comparison to a mere Brownian motion. Such an enhanced diffusion can be of advantage for the locomotion of nanorobots if a directed motion is unfeasible due to strong thermal forces. Finally, we constructed a prototype of an autonomously propelling DNA-based microswimmer by incorporating the molecular motor F-ATPase between DNA flagella and magnetic microparticle. Unfortunately, we observed a detachment of the artificial flagella upon addition of the “motor fuel” ATP, which inhibited the propulsion of the swimmer. The successful coupling of the artificial flagella and the activity of the incorporated ATPase, nevertheless, constitute important steps towards the realization of autonomous microswimmers. The insights gained in this dissertation illustrate that DNA molecular self-assembly is an excellent tool for constructing fully biocompatible artificial flagella, which can provide future micro- and nanorobotic devices with an effective propulsion mechanism.