"Nanomanufacturing with DNA origami: Factors affecting the kinetics and yield of quantum dot binding". S. H. Ko, G. M. Gallatin, J. A. Liddle. ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS 22, 1015 (2012).
DOI: 10.1002/adfm.201102077
Molecularly directed self-assembly has the potential to become a nanomanufacturing technology if the critical factors governing the kinetics and yield of defect-free self-assembled structures can be understood and controlled. The kinetics of streptavidin-functionalized quantum dots binding to biontinylated DNA origami are quantitatively evaluated and to what extent the reaction rate and binding efficiency are controlled by the valency of the binding location, the biotin linker length, and the organization, and spacing of the binding locations on the DNA is shown. Yield improvement is systematically determined as a function of the valency of the binding locations and as a function of the quantum dot spacing. In addition, the kinetic studies show that the binding rate increases with increasing linker length, but that the yield saturates at the same level for long incubation times. The forward and backward reaction rate coefficients are determined using a nonlinear least squares fit to the measured binding kinetics, providing considerable physical insight into the factors governing this type of self-assembly process. It is found that the value of the dissociation constant, Kd, for the DNA–nanoparticle complex considered here is up to seven orders of magnitude larger than that of the native biotin–streptavidin complex. This difference is attributed to the combined effect that the much larger size of the DNA origami and the quantum dot have on the translational and rotational diffusion constants.
El autoensamblaje dirigido molecularmente tiene el potencial de convertirse en una teconología de nanomanufactura si los factores críticos que determinan la cinética y la eficiencia del autoensamblaje de estructuras libres de defectos pueden ser entendidos y controlados. Aquí se evalúa cuantitativamente la cinética del enlace de puntos cuánticos funcionalizados con streptavidina a un origami de ADN biotinilizado, así como hasta qué punto la rapidez de reacción y le eficiencia de enlace son controlados por la valencia del lugar de enlace, de la longitud del enlazante de la biotina, y de la organización y el espaciamiento de los lugares de enlace sobre el ADN. La mejora en la eficiencia se determina sistemáticamente como función de la valencia de las posiciones de enlace y como función del espaciamiento de los puntos cuánticos. Además, los estudios de cinética muestran que la rapidez de enlace aumenta cuando aumenta la longitud del enlazante, pero la eficiencia se satura al mismo nivel para tiempos largos de incubación. La coeficientes de la rapidez de avance y retroceso de la reacción se determinan mediante un ajuste no lineal de cuadrados mínimos a las mediciones de cinética de enlace, lo que provee de un mayor entendimiento físico de los factores que gobiernan este tipo de proceso de autoensamblaje. Se encuentra que el valor de la constante de disociación, Kd, para los complejos ADN-nanopartícula que se consideran aquí, es hasta siete órdenes de magnitud mayores que el del complejo nativo biotina-streptavidina. Esta diferencia es atribuible al efecto combinado que los puntos cuánticos y el mayor tamaño del origami de ADN tienen sobre las constantes de difusión traslacionales y rotacionales.
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