Investigation into the feasibility of a DNA based radiosensitive device

Heimbach, Florian Thomas (2021): Investigation into the feasibility of a DNA based radiosensitive device. Dissertation, LMU München: Fakultät für Chemie und Pharmazie

Abstract

In this work, the application of deoxyribonucleic acid (DNA) as a radiosensitive detector material is investigated. The aim is to bridge a measurable physical quantity with the severity of radiation damages on the biochemical stage. Radiation damages, which are expressed in alterations of the molecular structure of the DNA, can influence the charge transport properties of the molecule. The electrical conductivity is therefore a measure for the magnitude of the radiation damage. DNA samples consist of a substrate material with gold electrodes of nano- or microscale dimensions and of DNA molecules contacted between these electrodes. Experiments were performed with two types of DNA samples. Lambda-DNA molecules of several micrometer length suspended in air and single DNA origami structures trapped via dielectrophoresis. Lambda-DNA samples were provided by San Diego State University. The samples are expected to have non-uniform conductivity values, due to differences in number and alignment of the DNA strands. Therefore, an exact quantitative analysis of the radiation effects might not be possible. Nevertheless, the effects of different radiation qualities were studied on these samples. Changes of conductivity were monitored in situ during irradiation. The experiments showed that the conductivity of DNA is indeed sensitive to radiation. For the application as a detector material, a quantitative relation between the amount of DNA damage and the change in conductivity needs to be established. Single DNA origami structures can be electrically contacted using dielectrophoretic trapping. Experiments were carried out to investigate whether samples can be produced which retain ohmic conductivity in dry conditions. This investigation was accompanied by molecular dynamics simulations of microhydrated, multilayered DNA molecules. These can give insight under which conditions the DNA molecules keep their regular helical structures. It was found that tightly packed multilayered structures were indeed much more stable than individual or loosely packed strands. However, stable helical structures as in the case of fully hydrated states, were still only achieved for very high hydration levels in the simulation. To further increase the resilience of the DNA origami structures, they were covered with a layer of poly-L-lysine (PLL). It has been shown in studies that PLL coatings stabilize DNA origami structures against buffers of low salt concentrations. Experiments with these samples showed ohmic conductivity in dry conditions. The measured resistance values were in the range of several megaohm. A frequently observed phenomenon was the local destruction of the substrate material and electrodes after DEP trapping. The destruction was the result of high electrical currents. This indicates that the DNA origami structures can possess even higher values of electrical conductivity. Therefore, experiments with current limitation during DEP trapping should be the subject of future experiments. The subsequent step would be to test the influence of different radiation qualities and doses on the conductivity of these samples.

Abstract

In dieser Arbeit wird die Anwendung von Desoxyribonukleinsäure als strahlensensitives Detektormaterial untersucht. Ziel ist es eine Verbindung zwischen einer messbaren physikalischen Größe und dem Ausmaß des Strahlenschadens auf der biochemischen Ebene zu finden. Strahlenschäden, welche sich durch Änderungen der molekularen Struktur der DNA äußern, können die Ladungstransporteigenschaften von DNA-Molekülen verändern. Die elektrische Leitfähigkeit kann daher als Maßstab für die Größe des Strahlenschadens genutzt werden. DNA-Proben bestehen aus einem Substrat mit Nano/Mikrometer messenden Goldelektroden und DNA-Molekülen, welche zwischen den Elektroden kontaktiert sind. Es wurden Experimente mit zwei Arten von DNA-Proben durchgeführt. Diese sind Lambda-DNA Moleküle von mehreren Mikrometern Länge, frei hängend kontaktiert, und einzelnen DNA-Origami Strukturen, welche mittels Dielektrophorese kontaktiert wurden. Die Lambda-DNA Proben wurden von der San Diego State University bezogen. Diese Proben haben meist uneinheitliche Leitfähigkeitswerte, da sie sich in der Anzahl und Ausrichtung der DNA-Moleküle unterscheiden können. Hierdurch ist eine quantitative Analyse der Strahleneffekte wahrscheinlich nicht möglich. Gleichwohl wurden die Effekte verschiedener Strahlenqualitäten an den DNA-Proben untersucht. Die Veränderung der Leitfähigkeit wurde in situ während der Bestrahlung gemessen. Die Versuche zeigen, dass die Leitfähigkeit von DNA tatsächlich sensitiv bezüglich Strahlung ist. Damit eine Anwendung als Detektormaterial möglich ist, muss noch eine quantitative Verbindung zwischen dem Ausmaß des DNA-Schadens und der Änderung der Leitfähigkeit gefunden werden. Einzelne DNA-Origami Strukturen können per dielektrophoretischem Einfang elektrisch kontaktiert werden. Es wurden Versuche durchgeführt, um zu untersuchen, ob so Proben hergestellt werden können, die in einer trockenen Umgebung eine ohmsche Leitfähigkeit aufweisen. Diese Untersuchungen wurden durch Molekulardynamik-Simulationen von mikrohydrierten, mehrlagigen DNA-Molekülen begleitet. Diese Simulationsrechnungen können helfen einen Einblick zu gewinnen, unter welchen Bedingungen die DNA-Moleküle ihre regelmäßige helikale Struktur behalten. Es wurde festgestellt, dass dicht gepackte, mehrlagige Strukturen tatsächlich deutlich stabiler waren als einzelne, oder lose gepackte Stränge. Jedoch wurden eine stabile helikale Struktur, wie sie im voll hydrierten Zustand auftritt, auch hier nur im Falle sehr hoher Hydrierungsgrade erreicht. Um die Widerstandsfähigkeit der DNA-Origami Strukturen weiter zu verbessern wurden diese mit einer Schicht aus poly-L-Lysin umhüllt. Es wurde in Studien gezeigt, dass PLL Schutzschichten DNA-Origami Strukturen in Pufferlösungen mit niedrigem Salzgehalt stabilisieren. Diese Proben zeigten in unseren Experimenten ohmsche Leitfähigkeiten in trockener Umgebung. Die gemessenen elektrischen Widerstandswerte bewegten sich im Bereich einiger Megaohm. Ein häufig beobachtetes Phänomen war die lokale Zerstörung von Substrat und Elektroden nach dem DEP Einfang. Diese wurde durch hohe elektrische Ströme hervorgerufen und weist darauf hin, dass die DNA-Origami Strukturen sogar noch höhere elektrische Leitfähigkeiten besitzen könnten. Daher soll in folgenden Experimenten den DEP Einfang dieser Strukturen mit begrenzter Stromstärke untersucht werden. Der darauffolgende Schritt wäre den Einfluss verschiedener Strahlenqualitäten auf die Leitfähigkeit dieser Proben zu testen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: DNA conductivity, DNA charge transport, DNA origami, DNA lesion, radiation damage, ionizing radiation
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
• Fakultäten: Fakultät für Chemie und Pharmazie
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 18. Mai 2021
• 1. Bericht­erstatter:in: Tinnefeld, Philip