DNA origami meets silica: enhanced methods and functional customization for nanotechnological innovation

Wassermann, Lea (2025): DNA origami meets silica: enhanced methods and functional customization for nanotechnological innovation. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

DNA, the molecule of life, has become a versatile tool in nanotechnology due to its programmability, precise base-pairing, and ability to self-assemble into complex nanostructures. DNA origami, a method that folds long single-stranded DNA into predefined shapes using short complementary staples, has revolutionized nanoscale architecture. These structures hold great potential for materials science and biomedicine, including molecular diagnostics, drug delivery, and the creation of hybrid nanomaterials. However, DNA's fragility and susceptibility to denaturation under physiological conditions pose challenges that limit its utility. This thesis focuses on stabilizing and functionalizing DNA origami through innovative silicification techniques. The work develops an accelerated silicification process that reduces processing time from days to hours while maintaining structural integrity. A rotation-based method ensures uniform coating without aggregation, enabling scalable production of silica-coated DNA origami. Additionally, the thesis investigates whether DNA origami retains functional addressability post-silicification. My studies confirm that site-specific modifications remain feasible, preserving adaptability—a critical factor for integration into biosensing systems. To further extend the utility of DNA origami, customizable silica coatings were developed. Fluorescent silica enables real-time imaging, while dissolvable silica introduces controlled degradation in response to environmental stimuli. These innovations provide tools for dynamic and responsive nanostructures. By addressing challenges in stability, functionality, and adaptability, this work lays the foundation for the development of multifunctional hybrid materials and positions DNA origami as a cornerstone of future nanotechnological advancements.

Abstract

DNA, das Molekül des Lebens, hat sich durch seine Programmierbarkeit, präzise Basenpaarung und Fähigkeit zur Selbstorganisation in komplexe Nanostrukturen zu einem vielseitigen Werkzeug der Nanotechnologie entwickelt. DNA-Origami, eine Methode, bei der ein langes einzelsträngiges DNA-Molekül mithilfe kurzer, komplementärer „Staples“ in vorgegebene Formen gefaltet wird, hat die Konstruktion nanoskaliger Architekturen revolutioniert. Diese Strukturen bieten großes Potenzial für Anwendungen in Materialwissenschaften und Biomedizin, etwa in der Molekulardiagnostik, Arzneimittelabgabe und beim Aufbau hybrider Nanomaterialien. Dennoch stellen die Fragilität und Anfälligkeit für Denaturierung von DNA unter physiologischen Bedingungen Herausforderungen dar, die ihre Nutzung einschränken. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Stabilisierung und Funktionalisierung von DNA-Origami durch innovative Silifizierungsverfahren. Diese Arbeit entwickelt einen beschleunigten Silifizierungsprozess, der die Verarbeitungszeit von Tagen auf Stunden verkürzt, ohne die Integrität der Struktur zu beeinträchtigen. Eine rotationsbasierte Methode ermöglicht eine gleichmäßige Beschichtung ohne Aggregation. Diese Fortschritte eröffnen neue Möglichkeiten für eine skalierbare Produktion von DNA-Origami mit Silikabeschichtung. Zusätzlich wird untersucht, ob die funktionelle Adressierbarkeit von DNA-Origami nach der Silifizierung erhalten bleibt. Meine Studien zeigen, dass ortsspezifische Modifikationen möglich bleiben, wodurch die Anpassungsfähigkeit beibehalten wird. Dies ist entscheidend für die Integration in Biosensorsysteme. Um die Anwendbarkeit von DNA-Origami zu erweitern, wurden anpassbare Silikabeschichtungen entwickelt. Fluoreszierendes Silica ermöglicht Echtzeit-Bildgebung, während lösliches Silica eine kontrollierte Degradation einführt. Diese Innovationen schaffen Werkzeuge für reaktionsfähige Nanostrukturen. Durch die Bewältigung dieser Herausforderungen legt die Arbeit die Grundlage für die Entwicklung multifunktionaler Hybridmaterialien und positioniert DNA-Origami als Schlüsseltechnologie zukünftiger nanotechnologischer Entwicklungen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: DNA Origami, Life Science, Physics, Biophysics, Nanotechnology
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 10. Februar 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Liedl, Tim