Функционализированные ДНК квантовые точки

ДНК-функционализация квантовых точек - это прикрепление нитей ДНК к поверхности квантовой точки. Хотя квантовые точки с Cd обладают некоторым цитотоксическим высвобождением, исследователи функционализировали квантовые точки для обеспечения биосовместимости и связали их с ДНК, чтобы объединить преимущества обоих материалов. Квантовые точки обычно используются для визуализации биологических систем in vitro и in vivo в исследованиях на животных из-за их превосходных оптических свойств при возбуждении светом, в то время как ДНК имеет множество приложений в биоинженерии, включая генную инженерию, самособирающиеся наноструктуры, связывание белков и биомаркеры.. Способность визуализировать химические и биологические процессы ДНК позволяет оптимизировать обратную связь и узнавать об этом мелкомасштабном поведении. ^[1]^[2]

Рисунок 1: Решения квантовых точек, излучающие желто-оранжевый и голубой свет, возбуждаемые УФ-светом (производство Калифорнийского политехнического института Сан-Луис-Обиспо)

Фон [ править ]

Квантовые точки - это неорганические нанокристаллические полупроводники, которые ведут себя исключительно хорошо, как флуорофоры . В области биологии флуорофоры являются одним из немногих инструментов, которые позволяют нам заглянуть внутрь живой биологической системы на клеточном уровне. Размер квантовой точки как флуорофора напрямую отражает длину волны излучаемого света, что позволяет получить легко настраиваемый цветовой спектр. Поскольку размер квантовых точек можно контролировать, а увеличение размера приводит к увеличению диапазона длин волн излучения, исследователи могут рисовать изображения на клеточном и субклеточном уровнях с помощью этой технологии. Текущая проблема с обычными квантовыми точками CdSe-ZnS заключается в том, что Cd токсичен для клеток ^[3]

Рисунок 2: Противогаз, используемый в чистой комнате

Чтобы предотвратить эту проблему, исследователи разрабатывают способы модификации поверхностей квантовых точек для обеспечения биосовместимости, в дополнение к разработке квантовых точек без кадмия («CFQD»). После модификации поверхности для ограничения токсичности частицу можно дополнительно покрыть слоем гидрогеля или биоконъюгата для селективного связывания с ДНК, который затем можно использовать для обнаружения на клеточном или молекулярном уровне. ^[2]

Рисунок 3: Схема квантовой точки, покрытой органическим белком, связанным с ДНК.

Методы модификации поверхности [ править ]

Инкапсуляция квантовых точек в гидрогеле [ править ]

Чтобы покрыть токсичные ионы кадмия ядра CdSe, слои гидрогеля могут использоваться для покрытия квантовых точек для обеспечения биосовместимости. Назначение внешней оболочки ZnS в этом случае состоит в том, чтобы взаимодействовать с оборванными связями , в дополнение к поддержанию силы флуоресценции функционального флуорофора с квантовыми точками. Внутри инкапсуляции гидрогеля поверхность оболочки ZnSe может быть заряжена для связывания с гидрофобной внутренней частью мицеллы, что затем позволяет гидрофильной внешней стороне оставаться в контакте с водным раствором (то есть с человеческим телом и большинством других биологических систем). Слой гидрогеля работает как упрощенная промежуточная связь для ДНК или других органических материалов.

Биоконъюгация квантовых точек [ править ]

Другой тип модификации поверхности - биоконъюгация. В этом методе используются две биомолекулы, которые ковалентно связаны друг с другом, образуя защитную оболочку вокруг квантовой точки. Гидрофобная биоконъюгация препятствует разрушению структуры квантовых точек источниками внутри тела, которые могут вызвать деградацию. Биоконъюгаты можно дополнительно настроить путем присоединения аффинных лигандов к поверхности структуры. Эти лиганды позволяют квантовой точке связываться с различными антигенами и могут использоваться для специфического нацеливания на определенные клетки. Это движущий механизм для нацеливания на опухоль.

Квантовые точки CdSe-ZnS «ядро-оболочка» можно защитить посредством биоконъюгирования с использованием координирующего лиганда и амфифильного полимера. В одном исследовании использовали оксид три-н-октилфосфина (ТОРО) в качестве лиганда и трехблочную полимерную структуру, состоящую из двух гидрофобных сегментов и одного гидрофильного сегмента, все с гидрофобными углеводородными боковыми цепями. Сильные гидрофобные взаимодействия между TOPO и полимерным углеводородом позволяют двум слоям «связываться» друг с другом, образуя гидрофобную защитную структуру. Эта структура сопротивляется деградации за счет гидролиза и ферментов, которые являются обычными методами разложения in vivo . Этот слой биоконъюгирования защищает оптические свойства квантовых точек в широком диапазоне pH (1–14), солевых условиях (0,01–1,0 М) и даже после обработки 1,0 М соляной кислотой.^[4]

Карбоксильные насадки [ править ]

Рисунок 4: Квантовая точка, покрытая оксидом цинка, карбоксильными группами и олигонуклеотидами для связывания ДНК.

Карбоксильные группы могут быть иммобилизованы на поверхности квантовой точки, покрытой оксидом цинка. Затем одиночные цепи ДНК могут быть модифицированы добавленной аминогруппой для ковалентной связи с карбоксильной группой за счет амидной связи, образованной между карбоксильной и аминогруппами в присутствии 1-этил-3- (3-диметиламинопропила). -карбодиимид (EDC). ^[5]Факторами, которые могут влиять на связывание одноцепочечной ДНК с карбоксильной группой, являются pH и ионная сила. PH определяет, сколько протонов доступно для образования ковалентных связей, и их количество меньше, чем выше pH. Это приводит к тому, что с каждой квантовой точкой связывается меньше цепей ДНК. Более низкая ионная сила приводит к более стабильным квантовым точкам, но также заставляет нити ДНК отталкиваться друг от друга. Оптимальные условия связывания для более 10 нитей ДНК на квантовую точку - это pH 7 и ионная сила 0M. ^[6] При нейтральном pH 7 допускается наличие достаточного количества протонов карбоксильной группы для облегчения ковалентного связывания амино-модифицированной ДНК, но недостаточно протонов для дестабилизации коллоидов.

Межмолекулярные силы [ править ]

Добавление ДНК к поверхности квантовой точки изменяет межмолекулярные силы, возникающие между неконъюгированными квантовыми точками. Изменение межмолекулярных сил между квантовыми точками может изменить многие характеристики, важные для использования квантовых точек в водных условиях. Поскольку поверхность квантовых точек конъюгирована с ДНК, это влияет на коллоидную стабильность и растворимость.

Коллоидная стабильность [ править ]

Квантовые точки, конъюгированные с ДНК, подвергаются электростатическому отталкиванию и силам Ван-дер-Ваальса, которые влияют на коллоидную стабильность конъюгатов квантовая точка-ДНК. Связывание ДНК с поверхностью квантовой точки увеличивает стабильность квантовых точек. Цепочки ДНК обеспечивают большее электростатическое отталкивание, чем поверхность квантовых точек, что предотвращает их агрегирование и выпадение из раствора. Коллоидная стабильность оценивается по полной энергии взаимодействия между двумя частицами, рассчитанной по уравнению ДЛВО ^[7]

${\ Displaystyle \ V_ {t} = V_ {vdW} + V_ {es}}$

V _es - силы электростатического отталкивания между двумя идентичными сферическими частицами от двойного электрического слоя каждой частицы. Он рассчитывается по формуле ^[6]

${\ displaystyle \ V_ {es} = 2 \ pi \ epsilon _ {0} \ epsilon R_ {P} \ psi ^ {2} ln [1 + exp (\ kappa h)]}$

Где:

${\ displaystyle h}$ это разделение между двумя частицами
${\ displaystyle R_ {P}}$ это радиус частиц
${\ displaystyle \ epsilon \ epsilon _ {0}}$ это диэлектрическая проницаемость воды
${\ displaystyle \ psi}$ это поверхностный потенциал
${\ displaystyle \ kappa}$ - обратная длина Дебая

V _vdW - сила притяжения между всеми частицами. Силы Ван-дер-Ваальса рассчитываются по уравнению ^[6]

${\ displaystyle \ V_ {vdW} = {A_ {H} \ over 6} [ln {h (4R_ {P} + h) \ over (2R_ {P} + h) ^ {2}} + {(2R_ { P} ^ {2}) \ над h (4R_ {P} + h)} + {(2R_ {P} ^ {2}) \ over (2R_ {P} + h) ^ {2}}]}$

Где

${\ displaystyle A_ {H}}$ - эффективная постоянная Гамакера

Коллоидная стабильность квантовых точек может различаться при изменении pH и ионной силы. В целом, конъюгация ДНК увеличивает стабильность квантовых точек, обеспечивая электростатическое и стерическое отталкивание, что предотвращает агрегацию частиц из-за сил Ван-дер-Ваальса. ^[6]

Растворимость [ править ]

Чтобы использовать квантовые точки во многих приложениях, связанных с биологией, квантовые точки должны быть растворимы в водной среде. Для растворения квантовых точек в воде амфифильные лиганды должны находиться на поверхности квантовых точек. ДНК может использоваться в качестве лиганда солюбилизации из-за ее амфифильной природы. ^[1] Это позволяет использовать квантовые точки, функционализированные ДНК, в водных условиях, часто встречающихся в биологии и медицинских исследованиях. Повышенная растворимость необходима для использования квантовых точек в качестве зонда для визуализации ДНК в биологической системе.

Приложения [ править ]

Квантовые точки стали мощными инструментами визуализации и постоянно развиваются в целях обеспечения биосовместимости в надежде на успешную визуализацию людей и других живых биологических систем. Уменьшая количество Cd, выделяемого вокруг клеток, исследователи стремились создать методы тестирования in vitro и in vivo для визуализации нано- и микромасштабных структур. Высокое разрешение в нанометровом диапазоне демонстрирует полезность визуализации поведения ДНК как для биоинженерной обратной связи, так и для биологических и химических наблюдений и анализа. Возможность управлять спектрами излучения путем изменения размера квантовых точек позволяет исследователям кодировать множество различных целей по цвету. ^[8]

Размер (нм)	Пик эмиссии (нм)	Цвет
2.2 ^[9]	495	синий
2,9 ^[9]	550	зеленый
3.1 ^[10]	576	желтый
4.1 ^[9]	595	апельсин
4,4 ^[11]	611	апельсин
4.8 ^[10]	644	красный
7.3 ^[9]	655	темно-красный

Количественная оценка и визуализация экспрессии генов [ править ]

Поскольку квантовые точки обладают высокой фотостабильностью и люминесценцией, исследователи используют их для освещения мРНК внутри клеток, чтобы отобразить экспрессию генов. Модифицированные амином олигонуклеотидные зонды, присоединенные к карбоксильным группам на квантовых точках, демонстрируют специфичную для последовательности гибридизацию. Эти зонды также могут обнаруживать гены с низкой экспрессией. ^[12] Это потенциально позволяет исследователям понять, когда и где производятся определенные белки.

Самособирающиеся наноструктуры [ править ]

Самоорганизованные квантовые точки образуются спонтанно при определенных условиях во время эпитаксии молекулярным пучком или другой формы атомного осаждения. Это спонтанное образование является следствием рассогласования решеток между осажденным полупроводниковым материалом и лежащей под ним подложкой. Образовавшаяся структура на поверхности подложки представляет собой трехмерную «островную» наноструктуру. Островки превращаются в квантовые точки, покрывая их другим полупроводниковым материалом, в процессе, называемом квантовым ограничением. ^[13]^[14] Самособирающиеся квантовые точки открывают возможности для технологических приложений, таких как квантовая криптография, квантовые вычисления, оптика и оптоэлектроника. ^[13]

Визуализация одиночных молекул [ править ]

В прошлом зеленый флуоресцентный белок (GFP) использовался для отслеживания движения внутри клеток. Однако GFP плохо светится и работает нестабильно после применения. Таким образом, GFP препятствовал долгосрочным исследованиям движения белков. Используя квантовые точки, которые более стабильны, исследователи теперь могут отслеживать белки через клетки, проходящие разные пути. ^[15] Чтобы преодолеть неспособность камер фиксировать глубину, исследователи разработали устройство трехмерного отслеживания, которое может точно отображать путь белков внутри клеток. ^[16]

Отслеживание белков в реальном времени [ править ]

Поскольку квантовые точки имеют точно настроенные спектры длин волн, а также высокую интенсивность излучения и малый размер, квантовые точки стали нормой для отслеживания молекул. Однако у квантовых точек есть два уровня: светлый и темный. Для малых количеств это проблема, поскольку исследователям необходимо проследить, куда шла молекула во время темной стадии, которая может варьироваться от нескольких миллисекунд до часов. Явление мерцания не является проблемой при отображении более крупных объектов (например, опухолей), поскольку в ярком состоянии будет достаточно квантовых точек для изображения, даже если некоторые из них могут оставаться в темноте. ^[17]

См. Также [ править ]

ДНК
Квантовые точки
Гидрогель
Инкапсуляция квантовых точек гидрогелем
Биосовместимость

Ссылки [ править ]

^ а б X. Мишале; FF Pinaud; Л.А. Бентолила; и другие. (2005). «Квантовые точки для живых клеток, визуализация in vivo и диагностика» . Наука . 307 (5709): 538–544. Bibcode : 2005Sci ... 307..538M . DOI : 10.1126 / science.1104274 . PMC 1201471 . PMID 15681376 .
^ а б Кэтрин Дж. Мерфи; Эрик Б. Браунс; Лата Гирхарт (1996). «Квантовые точки как неорганические ДНК-связывающие белки». MRS Proceedings . 452 : 452–597. DOI : 10,1557 / PROC-452-597 .
^ Сантос, Ана R .; Miguel, Ana S .; Маковей, Анка. (2013). «Квантовые точки CdSe / ZnS запускают репарацию ДНК и антиоксидантные ферментные системы в клетках Medicago sativa в суспензионной культуре» . BMC Biotechnology . 13 : 111. DOI : 10,1186 / 1472-6750-13-111 . PMC 3901376 . PMID 24359290 .
^ Гао, Сяоху (2004). «Нацеливание на рак in vivo и визуализация с помощью полупроводниковых квантовых точек». Природа Биотехнологии . 22 (8): 969–976. DOI : 10.1038 / nbt994 . PMID 15258594 .
^ Понг, Бун Кин; Trout, Bernhardt L .; Ли, Джим Ян (2007). «Получение ДНК-функционализированных квантовых точек CdSe / ZnS». Химическая и фармацевтическая инженерия . 1 .
^ a b c d Дажи Сун; Олег Банда (2013). «Функционализированные ДНК квантовые точки: изготовление, структурные и физико-химические свойства». Ленгмюра . 29 (23): 7038–7046. DOI : 10.1021 / la4000186 . PMID 23706124 .
Перейти ↑ Russel, WB (1989). Коллоидные дисперсии . Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780511608810.
^ Mingyong Han; Сяоху Гао; Джек З. Су (2001). «Микрогранулы с квантовыми точками для мультиплексного оптического кодирования биомолекул». Природа Биотехнологии . 19 (7): 631–635. DOI : 10,1038 / 90228 . PMID 11433273 .
^ а б в г Эндрю М. Смит; Хунвэй Дуань; Аарон М. Моос (2008). «Биоконъюгированные квантовые точки для молекулярной и клеточной визуализации in vivo» . Доставка лекарств . 60 (11): 1226–1240. DOI : 10.1016 / j.addr.2008.03.015 . PMC 2649798 . PMID 18495291 .
^ a b Даниэле Герион; Фабьен Пино; Шара С. Уильямс (2001). "Синтез и свойства биосовместимых водорастворимых полупроводниковых квантовых точек CdSe / ZnS с покрытием из диоксида кремния" . J. Phys. Chem. B . 105 (37): 8861–8871. DOI : 10.1021 / jp0105488 .
^ Уоррен CW Чан; Дастин Дж. Максвелл; Сяоху Гао (2002). «Люминесцентные квантовые точки для мультиплексного биологического обнаружения и визуализации». Текущее мнение в области биотехнологии . 13 (1): 40–46. DOI : 10.1016 / S0958-1669 (02) 00282-3 . PMID 11849956 .
^ Choi, Youngseon; Ким, Хва Пьюнг; Хонг, Сук Мин; Рю, Джи Ён; Хан, Сун Цзюнь; Песня, Рита (18 сентября 2009 г.). «Визуализация in situ экспрессии генов с использованием конъюгатов квантовых точек ДНК с полимерным покрытием». Маленький . 5 (18): 2085–2091. DOI : 10.1002 / smll.200900116 . PMID 19517489 .
^ а б Райман-Расмуссен, Джессика П.; Ривьер, Джим Э; Монтейро-Ривьер, Нэнси А. (10 августа 2006 г.). «Поверхностные покрытия определяют цитотоксичность и раздражающий потенциал наночастиц квантовых точек в эпидермальных кератиноцитах». Журнал следственной дерматологии . 127 (1): 143–153. DOI : 10.1038 / sj.jid.5700508 . PMID 16902417 .
^ Петров, Пьер М .; Лорке, Аксель; Имамоглу, Атак (май 2001 г.). «Эпитаксиально самоорганизующиеся квантовые точки» (5). Scitation. DOI : 10.1063 / 1.1381102 .
^ Баба, Коичи; Нисида, Коджи (2012). «Отслеживание одиночных молекул в живых клетках с использованием приложений одиночных квантовых точек» . Тераностика . 2 (7): 655–667. DOI : 10.7150 / thno.3890 . PMC 3418928 . PMID 22896768 .
^ Уэллс, Натан П .; Lessard, Guillaume A .; Гудвин, Питер М .; Фиппс, Мэри Э .; Катлер, Патрик Дж .; Lidke, Diane S .; Уилсон, Бриджит С .; Вернер, Джеймс Х. (10 ноября 2010 г.). «Трехмерное молекулярное отслеживание с временным разрешением в живых клетках» . Нано-буквы . 10 (11): 4732–4737. Bibcode : 2010NanoL..10.4732W . DOI : 10.1021 / nl103247v . PMC 3061257 . PMID 20957984 .
^ Пино, Фабьен; Кларк, Сэмюэл; Ситтнер, Асса; Дахан, Максим (30 марта 2010 г.). «Исследование клеточных событий, по одной квантовой точке за раз». Методы природы . 7 (4): 275–285. DOI : 10.1038 / NMETH.1444 . PMID 20354518 .

[QuantumDotImaging-1] а б X. Мишале; FF Pinaud; Л.А. Бентолила; и другие. (2005). «Квантовые точки для живых клеток, визуализация in vivo и диагностика» . Наука . 307 (5709): 538–544. Bibcode : 2005Sci ... 307..538M . DOI : 10.1126 / science.1104274 . PMC 1201471 . PMID 15681376 .

[QuantumDotImaging2-2] а б Кэтрин Дж. Мерфи; Эрик Б. Браунс; Лата Гирхарт (1996). «Квантовые точки как неорганические ДНК-связывающие белки». MRS Proceedings . 452 : 452–597. DOI : 10,1557 / PROC-452-597 .

[toxicity-3] Сантос, Ана R .; Miguel, Ana S .; Маковей, Анка. (2013). «Квантовые точки CdSe / ZnS запускают репарацию ДНК и антиоксидантные ферментные системы в клетках Medicago sativa в суспензионной культуре» . BMC Biotechnology . 13 : 111. DOI : 10,1186 / 1472-6750-13-111 . PMC 3901376 . PMID 24359290 .

[4] Гао, Сяоху (2004). «Нацеливание на рак in vivo и визуализация с помощью полупроводниковых квантовых точек». Природа Биотехнологии . 22 (8): 969–976. DOI : 10.1038 / nbt994 . PMID 15258594 .

[5] Понг, Бун Кин; Trout, Bernhardt L .; Ли, Джим Ян (2007). «Получение ДНК-функционализированных квантовых точек CdSe / ZnS». Химическая и фармацевтическая инженерия . 1 .

[DNA-6] Дажи Сун; Олег Банда (2013). «Функционализированные ДНК квантовые точки: изготовление, структурные и физико-химические свойства». Ленгмюра . 29 (23): 7038–7046. DOI : 10.1021 / la4000186 . PMID 23706124 .

[7] Перейти ↑ Russel, WB (1989). Коллоидные дисперсии . Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780511608810.

[8] Mingyong Han; Сяоху Гао; Джек З. Су (2001). «Микрогранулы с квантовыми точками для мультиплексного оптического кодирования биомолекул». Природа Биотехнологии . 19 (7): 631–635. DOI : 10,1038 / 90228 . PMID 11433273 .

[table-9] а б в г Эндрю М. Смит; Хунвэй Дуань; Аарон М. Моос (2008). «Биоконъюгированные квантовые точки для молекулярной и клеточной визуализации in vivo» . Доставка лекарств . 60 (11): 1226–1240. DOI : 10.1016 / j.addr.2008.03.015 . PMC 2649798 . PMID 18495291 .

[tab-10] Даниэле Герион; Фабьен Пино; Шара С. Уильямс (2001). "Синтез и свойства биосовместимых водорастворимых полупроводниковых квантовых точек CdSe / ZnS с покрытием из диоксида кремния" . J. Phys. Chem. B . 105 (37): 8861–8871. DOI : 10.1021 / jp0105488 .

[11] Уоррен CW Чан; Дастин Дж. Максвелл; Сяоху Гао (2002). «Люминесцентные квантовые точки для мультиплексного биологического обнаружения и визуализации». Текущее мнение в области биотехнологии . 13 (1): 40–46. DOI : 10.1016 / S0958-1669 (02) 00282-3 . PMID 11849956 .

[12] Choi, Youngseon; Ким, Хва Пьюнг; Хонг, Сук Мин; Рю, Джи Ён; Хан, Сун Цзюнь; Песня, Рита (18 сентября 2009 г.). «Визуализация in situ экспрессии генов с использованием конъюгатов квантовых точек ДНК с полимерным покрытием». Маленький . 5 (18): 2085–2091. DOI : 10.1002 / smll.200900116 . PMID 19517489 .

[Ryman-13] а б Райман-Расмуссен, Джессика П.; Ривьер, Джим Э; Монтейро-Ривьер, Нэнси А. (10 августа 2006 г.). «Поверхностные покрытия определяют цитотоксичность и раздражающий потенциал наночастиц квантовых точек в эпидермальных кератиноцитах». Журнал следственной дерматологии . 127 (1): 143–153. DOI : 10.1038 / sj.jid.5700508 . PMID 16902417 .

[14] Петров, Пьер М .; Лорке, Аксель; Имамоглу, Атак (май 2001 г.). «Эпитаксиально самоорганизующиеся квантовые точки» (5). Scitation. DOI : 10.1063 / 1.1381102 .

[15] Баба, Коичи; Нисида, Коджи (2012). «Отслеживание одиночных молекул в живых клетках с использованием приложений одиночных квантовых точек» . Тераностика . 2 (7): 655–667. DOI : 10.7150 / thno.3890 . PMC 3418928 . PMID 22896768 .

[16] Уэллс, Натан П .; Lessard, Guillaume A .; Гудвин, Питер М .; Фиппс, Мэри Э .; Катлер, Патрик Дж .; Lidke, Diane S .; Уилсон, Бриджит С .; Вернер, Джеймс Х. (10 ноября 2010 г.). «Трехмерное молекулярное отслеживание с временным разрешением в живых клетках» . Нано-буквы . 10 (11): 4732–4737. Bibcode : 2010NanoL..10.4732W . DOI : 10.1021 / nl103247v . PMC 3061257 . PMID 20957984 .

[17] Пино, Фабьен; Кларк, Сэмюэл; Ситтнер, Асса; Дахан, Максим (30 марта 2010 г.). «Исследование клеточных событий, по одной квантовой точке за раз». Методы природы . 7 (4): 275–285. DOI : 10.1038 / NMETH.1444 . PMID 20354518 .

[1]