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Photoswitching of lipids and silicification of DNA origami objects probed by small-angle X-ray scattering
Photoswitching of lipids and silicification of DNA origami objects probed by small-angle X-ray scattering
Ein zentrales Ziel der Nanowissenschaften ist die Entwicklung artifizieller biomolekularer Nanoobjekte, die in der Lage sind, spezifische Funktionen zu erfüllen. Zu den Anwendungsgebieten solcher Nanoobjekte gehoeren die biochemische Diagnostik sowie die Nanomedizin. Um deren Funktion zu kontrollieren und zu verbessern, ist es essenziell ihre Struktur in Aktion zu untersuchen. Hierfür eignet sich die Kleinwinkelröntgenstreuung (SAXS), da sie eine hochauflösende, nicht-invasive und lösungsbasierte Methode zur Strukturanalyse im Nanobereich ist. In dieser Arbeit wurden mittels SAXS drei verschiedene Nanoobjekte untersucht: Gold-Silber-DNA Nanozylinder, photoschaltbare Lipidmembranen und mit Siliziumdioxid beschichtete Nanoobjekte aus DNA, so genannte DNA Origami. Einige dieser SAXS Messungen konnten nur durch die Verwendung von unüblich hohen Röntgenenergien bewerkstelligt werden. Daher wird zu Beginn der Arbeit die Rolle der Energie für SAXS an Nanopartikeln in wässriger Lösung sowie potenzielle Vorteile hoch energetischer SAXS Messungen eruiert. Anschließend wird die Strukturanalyse der mit DNA funktionalisierten Gold-Silber Nanozylinder präsentiert, welche von der Gruppe von T. Liedl für plasmonische Anwendungen entwickelt wurden. Das Synthesedesign dieser Nanozylinder konnte validiert, ihre exakte Größenverteilung bestimmt und das Vorhandensein einer homogenen DNA-Außenschicht bestätigt werden. Als Nächstes werden die Ergebnisse der Forschungen, eine Zusammenarbeit mit an Gruppe von T. Lohmüller und 0. Thorn-Seshold, an photoschaltbaren Lipidmembranen vorgestellt. Licht isomerisiert Photolipide in einen trans oder cis Zustand, was eine reversible Manipulation der Membraneigenschaften z.B. eine Membrandickenänderung von 10% ermöglicht. Obwohl solche makroskopischen Änderungen vielfach nachgewiesen wurden, konnten sie bisher noch nicht den spezifischen trans-zu-cis Verhältnissen der membranbildenden Photolipide zugeordnet werden. Diese Arbeit weist nun eine lineare Abhängigkeit der Membrandicke von dem trans-zu-cis Verhältnis nach. Bei idealen Schaltbedingungen ist demnach eine doppelt so große Dickenänderung (20%) möglicht. Außerdem wurde eine Abhängigkeit der Photoschalteffizienz von der Zusammensetzung der wässrigen Phase aufgedeckt. Eine Erweiterung der optischen Membranmanipulation bieten niederenergetische Röntgenstrahlen via quantitativem ”katalytischen Schaltens“. Zuletzt wird die Forschung an mit Siliziumdioxid beschichtete DNA Origami Objekten, eine Zusammenarbeit mit der Gruppe von A. Heuer-Jungemann, präsentiert. Der Fokus liegt hier auf dem Einfluss des Siliziumdioxidwachstums auf die DNA Origami Form und dessen innere Feinstruktur. Es wurde dabei gezeigt, dass ein Siliziumdioxid Präkursor bei Beginn der Silifizierung ein erhebliches Zusammenziehen der DNA Struktur auslöst. Durch Ablagerung des Siliziumdioxid sowohl im Inneren als auch auf der Oberfläche des DNA Origamis vergrößert sich das entstehende Siliziumdioxid-DNA Nanokomposit wieder. Auf dieseWeise können DNA Origami im Subnanometerbereich mit Siliziumdioxid verkapselt werden, während ihre übergeordnete Form und die innere Feinstruktur präzise erhalten bleibt. Darüber hinaus erhöht sich die Steifigkeit der DNA Origami, sowie ihre innere Gitterordnung und ihre thermische Stabilität., A central goal in nanoscience is the design of artificial biomolecular constructs, which are capable to perform a specific function on the nanoscale. Fields of application of such nanoconstructs include diagnostic devices as well as nanomedicine. Recording the nanoobject’s structure in action is key in controlling and optimizing their envisioned operation. Small-angle X-ray scattering (SAXS) is an excellent tool to study biomolecular structure on the nanoscale since it is non-invasive, solution-based, and high-resolution. Here, three nanoconstructs are investigated by SAXS: DNA-functionalized gold-silver core-shell nanorods, photoswitchable lipid membranes and silica-coated DNA origami objects. Some of these SAXS experiments use higher-than-usual X-ray energies. Thus, firstly, the role of the X-ray energy for solution-based SAXS and its potential benefits are evaluated. Secondly, the structure of gold-silver core-shell nanorods with enhanced plasmonic properties, which were synthesized and optically characterized by the group of T. Liedl, were studied by SAXS. Here, their synthesis design could be validated, their size distribution determined, and the presence of a homogeneous DNA coating, crucial for biocompatibility, be confirmed. Thirdly, the switching of photoresponsive lipid membranes that allow reversible manipulation of membrane properties was investigated in cooperation with the group of T. Lohmüller and O. Thorn-Seshold. Light-driven molecular switching from the photolipid’s trans-to-cis isomerization state and vice versa, translates into a membrane thickness change of ca. 10% upon UV and blue light illumination, respectively. Though these macroscopic responses are clear, it was unclear how large the respective changes of trans/cis ratio are, and if they can be improved. By linear correlation of the thickness to the trans/cis ratio, a dependency of photoswitching upon aqueous phase composition is revealed and experimentally possible thickness variations twice as large shown. Furthermore, soft X-rays (8keV) have been demonstrated to isomerize photolipid membranes to the all-trans state by a process called catalytic switching and thus to extend the optical control. Lastly, DNA origami objects coated with a protective silica encapsulation are investigated in cooperation with the A. Heuer-Jungemann group. Here, the influence of the silica growth on the DNA origami shape and its inner fine structure was studied in-situ during the silicification. We observed a substantial condensation of the DNA origami object induced by one of two silica precursors, prior to its expansion in response to silica formation on and within the DNA origami. This way, a sub-nanometer thin silica coating is yielded. Beyond that, silicification preserves the shape and inner find structure in great detail, provides thermal stability for the DNA nanoconstruct, and increases the DNA origami’s rigidity and lattice order. Thus, the SAXS studies performed in this thesis accomplished the in-situ characterization of highly complex nanoconstructs in action and contributed to extend the control over their designed function.
azobenzene, SAXS, X-ray, DNA origami, DNA nanotechnology, photoswitchable lipids
Ober, Martina
2022
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Ober, Martina (2022): Photoswitching of lipids and silicification of DNA origami objects probed by small-angle X-ray scattering. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Ein zentrales Ziel der Nanowissenschaften ist die Entwicklung artifizieller biomolekularer Nanoobjekte, die in der Lage sind, spezifische Funktionen zu erfüllen. Zu den Anwendungsgebieten solcher Nanoobjekte gehoeren die biochemische Diagnostik sowie die Nanomedizin. Um deren Funktion zu kontrollieren und zu verbessern, ist es essenziell ihre Struktur in Aktion zu untersuchen. Hierfür eignet sich die Kleinwinkelröntgenstreuung (SAXS), da sie eine hochauflösende, nicht-invasive und lösungsbasierte Methode zur Strukturanalyse im Nanobereich ist. In dieser Arbeit wurden mittels SAXS drei verschiedene Nanoobjekte untersucht: Gold-Silber-DNA Nanozylinder, photoschaltbare Lipidmembranen und mit Siliziumdioxid beschichtete Nanoobjekte aus DNA, so genannte DNA Origami. Einige dieser SAXS Messungen konnten nur durch die Verwendung von unüblich hohen Röntgenenergien bewerkstelligt werden. Daher wird zu Beginn der Arbeit die Rolle der Energie für SAXS an Nanopartikeln in wässriger Lösung sowie potenzielle Vorteile hoch energetischer SAXS Messungen eruiert. Anschließend wird die Strukturanalyse der mit DNA funktionalisierten Gold-Silber Nanozylinder präsentiert, welche von der Gruppe von T. Liedl für plasmonische Anwendungen entwickelt wurden. Das Synthesedesign dieser Nanozylinder konnte validiert, ihre exakte Größenverteilung bestimmt und das Vorhandensein einer homogenen DNA-Außenschicht bestätigt werden. Als Nächstes werden die Ergebnisse der Forschungen, eine Zusammenarbeit mit an Gruppe von T. Lohmüller und 0. Thorn-Seshold, an photoschaltbaren Lipidmembranen vorgestellt. Licht isomerisiert Photolipide in einen trans oder cis Zustand, was eine reversible Manipulation der Membraneigenschaften z.B. eine Membrandickenänderung von 10% ermöglicht. Obwohl solche makroskopischen Änderungen vielfach nachgewiesen wurden, konnten sie bisher noch nicht den spezifischen trans-zu-cis Verhältnissen der membranbildenden Photolipide zugeordnet werden. Diese Arbeit weist nun eine lineare Abhängigkeit der Membrandicke von dem trans-zu-cis Verhältnis nach. Bei idealen Schaltbedingungen ist demnach eine doppelt so große Dickenänderung (20%) möglicht. Außerdem wurde eine Abhängigkeit der Photoschalteffizienz von der Zusammensetzung der wässrigen Phase aufgedeckt. Eine Erweiterung der optischen Membranmanipulation bieten niederenergetische Röntgenstrahlen via quantitativem ”katalytischen Schaltens“. Zuletzt wird die Forschung an mit Siliziumdioxid beschichtete DNA Origami Objekten, eine Zusammenarbeit mit der Gruppe von A. Heuer-Jungemann, präsentiert. Der Fokus liegt hier auf dem Einfluss des Siliziumdioxidwachstums auf die DNA Origami Form und dessen innere Feinstruktur. Es wurde dabei gezeigt, dass ein Siliziumdioxid Präkursor bei Beginn der Silifizierung ein erhebliches Zusammenziehen der DNA Struktur auslöst. Durch Ablagerung des Siliziumdioxid sowohl im Inneren als auch auf der Oberfläche des DNA Origamis vergrößert sich das entstehende Siliziumdioxid-DNA Nanokomposit wieder. Auf dieseWeise können DNA Origami im Subnanometerbereich mit Siliziumdioxid verkapselt werden, während ihre übergeordnete Form und die innere Feinstruktur präzise erhalten bleibt. Darüber hinaus erhöht sich die Steifigkeit der DNA Origami, sowie ihre innere Gitterordnung und ihre thermische Stabilität.

Abstract

A central goal in nanoscience is the design of artificial biomolecular constructs, which are capable to perform a specific function on the nanoscale. Fields of application of such nanoconstructs include diagnostic devices as well as nanomedicine. Recording the nanoobject’s structure in action is key in controlling and optimizing their envisioned operation. Small-angle X-ray scattering (SAXS) is an excellent tool to study biomolecular structure on the nanoscale since it is non-invasive, solution-based, and high-resolution. Here, three nanoconstructs are investigated by SAXS: DNA-functionalized gold-silver core-shell nanorods, photoswitchable lipid membranes and silica-coated DNA origami objects. Some of these SAXS experiments use higher-than-usual X-ray energies. Thus, firstly, the role of the X-ray energy for solution-based SAXS and its potential benefits are evaluated. Secondly, the structure of gold-silver core-shell nanorods with enhanced plasmonic properties, which were synthesized and optically characterized by the group of T. Liedl, were studied by SAXS. Here, their synthesis design could be validated, their size distribution determined, and the presence of a homogeneous DNA coating, crucial for biocompatibility, be confirmed. Thirdly, the switching of photoresponsive lipid membranes that allow reversible manipulation of membrane properties was investigated in cooperation with the group of T. Lohmüller and O. Thorn-Seshold. Light-driven molecular switching from the photolipid’s trans-to-cis isomerization state and vice versa, translates into a membrane thickness change of ca. 10% upon UV and blue light illumination, respectively. Though these macroscopic responses are clear, it was unclear how large the respective changes of trans/cis ratio are, and if they can be improved. By linear correlation of the thickness to the trans/cis ratio, a dependency of photoswitching upon aqueous phase composition is revealed and experimentally possible thickness variations twice as large shown. Furthermore, soft X-rays (8keV) have been demonstrated to isomerize photolipid membranes to the all-trans state by a process called catalytic switching and thus to extend the optical control. Lastly, DNA origami objects coated with a protective silica encapsulation are investigated in cooperation with the A. Heuer-Jungemann group. Here, the influence of the silica growth on the DNA origami shape and its inner fine structure was studied in-situ during the silicification. We observed a substantial condensation of the DNA origami object induced by one of two silica precursors, prior to its expansion in response to silica formation on and within the DNA origami. This way, a sub-nanometer thin silica coating is yielded. Beyond that, silicification preserves the shape and inner find structure in great detail, provides thermal stability for the DNA nanoconstruct, and increases the DNA origami’s rigidity and lattice order. Thus, the SAXS studies performed in this thesis accomplished the in-situ characterization of highly complex nanoconstructs in action and contributed to extend the control over their designed function.