Функционализированные ДНК квантовые точки

ДНК-функционализация квантовых точек — это прикрепление нитей ДНК к поверхности квантовой точки. Хотя квантовые точки с кадмием (Cd) обладают некоторым цитотоксическим действием, 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, а ДНК имеет множество применений в биоинженерии, в том числе: генная инженерия, самоорганизующиеся наноструктуры, связывание белков и биомаркеры. . Способность визуализировать химические и биологические процессы ДНК позволяет оптимизировать обратную связь и узнать об этом мелкомасштабном поведении. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

Фон

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

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

Методы модификации поверхности

Гидрогелевая инкапсуляция квантовых точек

Чтобы покрыть токсичные ионы кадмия ядра CdSe, можно использовать слои гидрогеля для покрытия квантовых точек для обеспечения биосовместимости. Целью внешней оболочки ZnS в данном случае является взаимодействие с оборванными связями , а также поддержание силы флуоресценции функционального флуорофора с квантовыми точками. Внутри гидрогелевой инкапсуляции поверхность оболочки ZnSe может быть заряжена для связывания с гидрофобной внутренней частью мицеллы, что затем позволяет гидрофильной внешней части оставаться в контакте с водным раствором (т.е. с телом человека и большинством других биологических систем). Слой гидрогеля действует как упрощенная промежуточная связь для ДНК или других органических материалов .

Биоконъюгация квантовых точек

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 подавляет разрушение структуры квантовых точек источниками внутри организма, которые могут вызвать деградацию. Биоконъюгаты можно дополнительно персонализировать, прикрепив аффинные лиганды к поверхности структуры. Эти лиганды позволяют квантовой точке связываться с различными антигенами и могут использоваться для специфического воздействия на определенные клетки. Это движущий механизм нацеливания на опухоль .

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

Карбоксильные крепления

Карбоксильные группы могут быть иммобилизованы на поверхности квантовой точки, покрытой оксидом цинка. . Затем одиночные цепи ДНК можно модифицировать добавлением аминогруппы для ковалентного связывания с карбоксильной группой за счет амидной связи, образующейся между карбоксильной и аминогруппой 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. Уровень pH определяет, сколько протонов доступно для образования ковалентных связей, причем при повышении уровня pH их становится меньше. Это приводит к тому, что с каждой квантовой точкой связывается меньше нитей ДНК. Более низкая ионная сила приводит к более стабильным квантовым точкам, но также заставляет нити ДНК отталкивать друг друга. Оптимальные условия связывания для более чем 10 нитей ДНК на квантовую точку — это pH 7 и ионная сила 0M. ^{[ 6 ]} Нейтральный pH 7 обеспечивает достаточное количество протонов карбоксильной группы для облегчения ковалентного связывания аминомодифицированной ДНК, но недостаточное количество протонов для дестабилизации коллоидов .

Межмолекулярные силы

Добавление ДНК к поверхности квантовой точки изменяет межмолекулярные силы, возникающие между несопряженными 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

Квантовые точки, конъюгированные с ДНК, подвержены электростатическому отталкиванию и силам Ван-дер-Ваальса, которые влияют на коллоидную стабильность конъюгатов квантовых точек и ДНК. Связывание ДНК с поверхностью квантовой точки увеличивает стабильность квантовых точек. Цепи ДНК обеспечивают большее электростатическое отталкивание, чем поверхность квантовых точек, что предотвращает их агрегацию и выпадение из раствора. Коллоидная устойчивость оценивается по полной энергии взаимодействия двух частиц, рассчитанной по ДЛВО уравнению ^{[ 7 ]}

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

V _es — силы электростатического отталкивания двух одинаковых сферических частиц от двойного электрического слоя каждой частицы. Он рассчитывается по уравнению ^{[ 6 ]}

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

Где:

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

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

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

Где

$A_{H}$ — эффективная постоянная Гамакера

Коллоидная стабильность квантовых точек может различаться в зависимости от изменения pH и ионной силы. В целом конъюгация ДНК повышает стабильность квантовых точек, обеспечивая электростатическое и стерическое отталкивание, что предотвращает агрегацию частиц из-за сил Ван-дер-Ваальса. ^{[ 6 ]}

Растворимость

Чтобы использовать квантовые точки во многих приложениях, связанных с биологией, квантовые точки должны быть растворимы в водной среде. Чтобы квантовые точки растворялись в воде, амфифильные лиганды должны находиться на поверхности квантовых точек. ДНК можно использовать в качестве лиганда солюбилизации благодаря ее амфифильной природе. ^{[ 1 ]} Это позволяет использовать квантовые точки, функционализированные ДНК, в водных условиях, которые часто встречаются в биологических и медицинских исследованиях. Повышенная растворимость необходима для того, чтобы можно было использовать квантовые точки в качестве зонда для визуализации ДНК в биологической системе.

Приложения

Квантовые точки стали мощными инструментами визуализации и постоянно развиваются в сторону биосовместимости в надежде успешно визуализировать людей и другие живые биологические системы. Уменьшая количество Cd, выделяемого вокруг клеток, исследователи стремятся 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 контролировать спектры излучения путем изменения размера квантовых точек позволяет исследователям кодировать множество различных целей по цвету. ^{[ 8 ]}

Размер (нм)	Пик выбросов (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

Поскольку квантовые точки обладают высокой фотостабильностью и люминесценцией , исследователи используют их для освещения мРНК внутри клеток и визуализации экспрессии генов. Амин -модифицированные олигонуклеотидные зонды, прикрепленные 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 определенные белки производятся .

Самособирающиеся наноструктуры

Самособирающиеся квантовые точки образуются спонтанно при определенных условиях во время молекулярно-лучевой эпитаксии или другой формы атомного осаждения. Это спонтанное образование является следствием несоответствия решеток осажденного полупроводникового материала и подложки . Образующаяся на поверхности подложки структура представляет собой трехмерную «островную» наноструктуру . Островки формируются в квантовые точки путем покрытия их другим полупроводниковым материалом в процессе, называемом квантовым ограничением. ^{[ 13 ]}^{[ 14 ]} Самособирающиеся квантовые точки открывают возможности в таких технологических приложениях, как квантовая криптография , квантовые вычисления , оптика и оптоэлектроника . ^{[ 13 ]}

Визуализация одиночных молекул

В прошлом зеленый флуоресцентный белок (GFP) использовался для отслеживания движения внутри клеток. Однако GFP плохо загорается и работает нестабильно после нанесения. Таким образом, GFP предотвратил долгосрочные исследования движения белков. Используя квантовые точки, которые более стабильны, исследователи теперь могут отслеживать белки в клетках, проходящие разные пути. ^{[ 15 ]} Чтобы преодолеть неспособность камер захватывать глубину, исследователи разработали аппарат 3D-слежения, который может точно отображать путь белков внутри клеток. ^{[ 16 ]}

Отслеживание белка в реальном времени

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

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Х. Мишале; Ф. Ф. Пино; Лос-Анджелес Бентолила; и др. (2005). «Квантовые точки для живых клеток, визуализация Vivo и диагностика» . Наука . 307 (5709): 538–544. Бибкод : 2005Sci...307..538M . дои : 10.1126/science.1104274 . ПМК 1201471 . ПМИД 15681376 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Кэтрин Дж. Мерфи; Эрик Б. Браунс; Лата Гирхарт (1996). «Квантовые точки как неорганические ДНК-связывающие белки». Дело МРС . 452 : 452–597. дои : 10.1557/PROC-452-597 .
^ Сантос, Ана Р.; Мигель, Ана С.; Маковей, Анка. (2013). «Квантовые точки CdSe/ZnS запускают системы восстановления ДНК и антиоксидантных ферментов в клетках Medicago sativa в суспензионной культуре» . БМК Биотехнология . 13 :111. дои : 10.1186/1472-6750-13-111 . ПМЦ 3901376 . ПМИД 24359290 .
^ Гао, Сяоху (2004). «Нацеливание и визуализация рака in vivo с помощью полупроводниковых квантовых точек». Природная биотехнология . 22 (8): 969–976. дои : 10.1038/nbt994 . ПМИД 15258594 . S2CID 41561027 .
^ Понг, Бун Кин; Траут, Бернхардт Л.; Ли, Джим Ян (2007). «Получение ДНК-функционализированных квантовых точек CdSe/ZnS». Химическая и фармацевтическая инженерия . 1 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Дажи Сан; Олег Банда (2013). «Квантовые точки, функционализированные ДНК: изготовление, структурные и физико-химические свойства». Ленгмюр . 29 (23): 7038–7046. дои : 10.1021/la4000186 . ПМИД 23706124 .
^ Рассел, ВБ (1989). Коллоидные дисперсии . Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780511608810 .
^ Мингён Хан; Сяоху Гао; Джек З. Су (2001). «Микробусины с квантовыми точками для мультиплексного оптического кодирования биомолекул». Природная биотехнология . 19 (7): 631–635. дои : 10.1038/90228 . ПМИД 11433273 . S2CID 3118240 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д 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. дои : 10.1016/j.addr.2008.03.015 . ПМЦ 2649798 . ПМИД 18495291 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Даниэле Герион; Фабьен Пино; Шара К. Уильямс (2001). «Синтез и свойства биосовместимых водорастворимых полупроводниковых квантовых точек CdSe/ZnS, покрытых диоксидом кремния» . Дж. Физ. хим. Б. 105 (37): 8861–8871. дои : 10.1021/jp0105488 . S2CID 8818995 .
^ Уоррен К.В. Чан; Дастин Дж. Максвелл; Сяоху Гао (2002). «Люминесцентные квантовые точки для мультиплексного биологического обнаружения и визуализации». Современное мнение в области биотехнологии . 13 (1): 40–46. дои : 10.1016/S0958-1669(02)00282-3 . ПМИД 11849956 .
^ Чхве, Ёнсон; Ким, Хва Пён; Хон, Сок Мин; Рю, Джи Ён; Хан, Сон Джун; Песня, Рита (18 сентября 2009 г.). «Визуализация экспрессии генов in situ с использованием конъюгатов квантовых точек и ДНК, покрытых полимером». Маленький . 5 (18): 2085–2091. дои : 10.1002/smll.200900116 . ПМИД 19517489 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Райман-Расмуссен, Джессика П; Ривьер, Джим Э; Монтейру-Ривьер, Нэнси А (10 августа 2006 г.). «Поверхностные покрытия определяют цитотоксичность и потенциал раздражения наночастиц квантовых точек в эпидермальных кератиноцитах» . Журнал исследовательской дерматологии . 127 (1): 143–153. дои : 10.1038/sj.jid.5700508 . ПМИД 16902417 .
^ Петров, Пьер М.; Лорке, Аксель; Имамоглу, Атач (май 2001 г.). «Эпитаксиально самособирающиеся квантовые точки» . Физика сегодня . 54 (5). Цитата: 46–52. дои : 10.1063/1.1381102 .
^ Баба, Коичи; Нисида, Коджи (2012). «Отслеживание одиночных молекул в живых клетках с использованием одиночных квантовых точек» . Тераностика . 2 (7): 655–667. дои : 10.7150/thno.3890 . ПМЦ 3418928 . ПМИД 22896768 .
^ Уэллс, Натан П.; Лессар, Гийом А.; Гудвин, Питер М.; Фиппс, Мэри Э.; Катлер, Патрик Дж.; Лидке, Дайан С.; Уилсон, Бриджит С.; Вернер, Джеймс Х. (10 ноября 2010 г.). «Трехмерное молекулярное отслеживание с разрешением во времени в живых клетках» . Нано-буквы . 10 (11): 4732–4737. Бибкод : 2010NanoL..10.4732W . дои : 10.1021/nl103247v . ПМК 3061257 . ПМИД 20957984 .
^ Пино, Фабьен; Кларк, Сэмюэл; Ситтнер, Асса; Дахан, Максим (30 марта 2010 г.). «Исследование клеточных событий, по одной квантовой точке за раз». Природные методы . 7 (4): 275–285. дои : 10.1038/NMETH.1444 . ПМИД 20354518 . S2CID 205419295 .

[QuantumDotImaging-1] Перейти обратно: ^а ^б Х. Мишале; Ф. Ф. Пино; Лос-Анджелес Бентолила; и др. (2005). «Квантовые точки для живых клеток, визуализация Vivo и диагностика» . Наука . 307 (5709): 538–544. Бибкод : 2005Sci...307..538M . дои : 10.1126/science.1104274 . ПМК 1201471 . ПМИД 15681376 .

[QuantumDotImaging2-2] Перейти обратно: ^а ^б Кэтрин Дж. Мерфи; Эрик Б. Браунс; Лата Гирхарт (1996). «Квантовые точки как неорганические ДНК-связывающие белки». Дело МРС . 452 : 452–597. дои : 10.1557/PROC-452-597 .

[toxicity-3] Сантос, Ана Р.; Мигель, Ана С.; Маковей, Анка. (2013). «Квантовые точки CdSe/ZnS запускают системы восстановления ДНК и антиоксидантных ферментов в клетках Medicago sativa в суспензионной культуре» . БМК Биотехнология . 13 :111. дои : 10.1186/1472-6750-13-111 . ПМЦ 3901376 . ПМИД 24359290 .

[4] Гао, Сяоху (2004). «Нацеливание и визуализация рака in vivo с помощью полупроводниковых квантовых точек». Природная биотехнология . 22 (8): 969–976. дои : 10.1038/nbt994 . ПМИД 15258594 . S2CID 41561027 .

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

[DNA-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Дажи Сан; Олег Банда (2013). «Квантовые точки, функционализированные ДНК: изготовление, структурные и физико-химические свойства». Ленгмюр . 29 (23): 7038–7046. дои : 10.1021/la4000186 . ПМИД 23706124 .

[7] Рассел, ВБ (1989). Коллоидные дисперсии . Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780511608810 .

[8] Мингён Хан; Сяоху Гао; Джек З. Су (2001). «Микробусины с квантовыми точками для мультиплексного оптического кодирования биомолекул». Природная биотехнология . 19 (7): 631–635. дои : 10.1038/90228 . ПМИД 11433273 . S2CID 3118240 .

[table-9] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д 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. дои : 10.1016/j.addr.2008.03.015 . ПМЦ 2649798 . ПМИД 18495291 .

[tab-10] Перейти обратно: ^а ^б Даниэле Герион; Фабьен Пино; Шара К. Уильямс (2001). «Синтез и свойства биосовместимых водорастворимых полупроводниковых квантовых точек CdSe/ZnS, покрытых диоксидом кремния» . Дж. Физ. хим. Б. 105 (37): 8861–8871. дои : 10.1021/jp0105488 . S2CID 8818995 .

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

[12] Чхве, Ёнсон; Ким, Хва Пён; Хон, Сок Мин; Рю, Джи Ён; Хан, Сон Джун; Песня, Рита (18 сентября 2009 г.). «Визуализация экспрессии генов in situ с использованием конъюгатов квантовых точек и ДНК, покрытых полимером». Маленький . 5 (18): 2085–2091. дои : 10.1002/smll.200900116 . ПМИД 19517489 .

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

[14] Петров, Пьер М.; Лорке, Аксель; Имамоглу, Атач (май 2001 г.). «Эпитаксиально самособирающиеся квантовые точки» . Физика сегодня . 54 (5). Цитата: 46–52. дои : 10.1063/1.1381102 .

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

[16] Уэллс, Натан П.; Лессар, Гийом А.; Гудвин, Питер М.; Фиппс, Мэри Э.; Катлер, Патрик Дж.; Лидке, Дайан С.; Уилсон, Бриджит С.; Вернер, Джеймс Х. (10 ноября 2010 г.). «Трехмерное молекулярное отслеживание с разрешением во времени в живых клетках» . Нано-буквы . 10 (11): 4732–4737. Бибкод : 2010NanoL..10.4732W . дои : 10.1021/nl103247v . ПМК 3061257 . ПМИД 20957984 .

[17] Пино, Фабьен; Кларк, Сэмюэл; Ситтнер, Асса; Дахан, Максим (30 марта 2010 г.). «Исследование клеточных событий, по одной квантовой точке за раз». Природные методы . 7 (4): 275–285. дои : 10.1038/NMETH.1444 . ПМИД 20354518 . S2CID 205419295 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]