ДНК-функционализированные квантовые точки - DNA-functionalized quantum dots

ДНК-функционализация квантовые точки это прикрепление прядей ДНК на поверхность 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 с белками и биомаркеры. Способность визуализировать химические и биологические процессы ДНК позволяет оптимизировать обратную связь и узнавать об этом мелкомасштабном поведении.^[1][2]

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

Фон

Квантовые точки - это неорганические нанокристаллы. полупроводники которые ведут себя исключительно хорошо 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]

Фигура 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 модификация поверхности было сделано для ограничения токсичности, частица может быть дополнительно покрыта гидрогель или же биоконъюгат слой для избирательного связывания с ДНК, который затем может быть использован для обнаружения на клеточном или молекулярном уровне.^[2]

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

Методы модификации поверхности

Инкапсуляция квантовых точек гидрогелем

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 - взаимодействие с болтающиеся облигации, в дополнение к поддержанию силы флуоресценции функционального флуорофора с квантовыми точками. В пределах инкапсуляция 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

Другой тип модификации поверхности - биоконъюгация. В этом методе используются две биомолекулы, которые ковалентно связаны друг с другом, чтобы сформировать 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» могут быть защищены посредством биоконъюгирования с использованием координирующего лиганда и амфифильного полимера. Использовано одно исследование оксид три-н-октилфосфина (TOPO) в качестве лиганда и трехблочная полимерная структура, состоящая 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 разложению 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

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 добавлением аминогруппы для ковалентной связи с карбоксильной группой из-за амидной связи, образованной 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. PH определяет, сколько протонов доступно для образования ковалентных связей, и их количество меньше, чем выше pH. В результате 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 находятся при pH 7 и ионной силе 0M.^[6] Нейтральный pH 7 позволяет достаточно протонов из карбоксильной группы для облегчения ковалентного связывания амино-модифицированной ДНК, но недостаточно протонов для дестабилизации коллоидов.

Межмолекулярные силы

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

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 формуле DLVO уравнение^[7]

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

V_es - силы электростатического отталкивания между двумя идентичными сферическими частицами из электрический двойной слой 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:

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

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

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

Где

• ${\displaystyle A_{H}}$ эффективный 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, которое 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 были солюбилизированы 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

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 in vitro и in vivo методы тестирования 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

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

Самоорганизующиеся квантовые точки образуются спонтанно при определенных условиях во время молекулярно-лучевой эпитаксии или другой формы атомного осаждения. Это спонтанное образование является следствием рассогласования решеток между осажденным полупроводниковым материалом и лежащей ниже подложкой. Полученная структура, сформированная 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] Самостоятельно собранные квантовые точки открывают возможности для технологических приложений, таких 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 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 определять глубину, исследователи разработали устройство трехмерного отслеживания, которое может точно отображать путь белков внутри клеток.^[16]

Отслеживание белков в реальном времени

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 квантовые точки имеют два уровня: светлый и темный. Для малых количеств это проблема, поскольку исследователям необходимо проследить, куда шла молекула в темноте, которая может варьироваться от нескольких миллисекунд до часов. Явление мерцания не является проблемой при отображении более крупных объектов (например, опухолей), так как в ярком состоянии будет достаточно квантовых точек для изображения, даже если некоторые из них могут оставаться в темном состоянии.^[17]

Смотрите также

• ДНК
• Квантовые точки
• Гидрогель
• Инкапсуляция квантовых точек гидрогелем
• Биосовместимость

Рекомендации

1. X. Мишале; Ф. Ф. Пино; Л. А. Бентолила; и другие. (2005). «Квантовые точки для живых клеток, визуализация in vivo и диагностика». Наука. 307 (5709): 538–544. Bibcode:2005Наука ... 307..538М. Дои:10.1126 / science.1104274. ЧВК  1201471. PMID  15681376.
2. Кэтрин Дж. Мерфи; Эрик Б. Браунс; Лата Гирхарт (1996). «Квантовые точки как неорганические ДНК-связывающие белки». MRS Proceedings. 452: 452–597. Дои:10.1557 / PROC-452-597.
3. Сантос, Ана Р .; 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. Дои:10.1186/1472-6750-13-111. ЧВК  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. Дои: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.
6. Дажи Сун; Олег Банда (2013). «Функционализированные ДНК квантовые точки: изготовление, структурные и физико-химические свойства». Langmuir. 29 (23): 7038–7046. Дои:10.1021 / la4000186. PMID  23706124.
7. Рассел, В. Б. (1989). Коллоидные дисперсии. Издательство Кембриджского университета. ISBN  9780511608810.
8. Мингён Хан; Сяоху Гао; Джек З. Су (2001). «Микрогранулы с квантовыми точками для мультиплексного оптического кодирования биомолекул». Природа Биотехнологии. 19 (7): 631–635. Дои:10.1038/90228. PMID  11433273.
9. Эндрю М. Смит; Хунвэй Дуань; Аарон М. Моос (2008). «Биоконъюгированные квантовые точки для визуализации молекул и клеток in vivo». Доставки лекарств. 60 (11): 1226–1240. Дои:10.1016 / j.addr.2008.03.015. ЧВК  2649798. PMID  18495291.
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. Дои:10.1021 / jp0105488.
11. Уоррен Ч. В. 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. Дои:10.1016 / S0958-1669 (02) 00282-3. PMID  11849956.
12. Чхве, Ёнсон; Ким, Хва Пьюнг; Хонг, Сук Мин; Рю, Джи Ён; Хан, Сун Джун; Песня, Рита (18 сентября 2009 г.). «Визуализация экспрессии генов in situ с использованием конъюгатов квантовых точек ДНК с полимерным покрытием». Маленький. 5 (18): 2085–2091. Дои:10.1002 / smll.200900116. PMID  19517489.
13. Райман-Расмуссен, Джессика П.; Ривьер, Джим Э; Монтейро-Ривьер, Нэнси А. (10 августа 2006 г.). «Поверхностные покрытия определяют цитотоксичность и потенциал раздражения квантовых точек наночастиц в эпидермальных кератиноцитах». Журнал следственной дерматологии. 127 (1): 143–153. Дои:10.1038 / sj.jid.5700508. PMID  16902417.
14. Петров, Пьер М .; Лорке, Аксель; Имамоглу, Атак (май 2001 г.). «Эпитаксиально самоорганизующиеся квантовые точки» (5). Scitation. Дои:10.1063/1.1381102.
15. Баба, Коичи; Нисида, Коджи (2012). «Отслеживание одиночных молекул в живых клетках с использованием приложений единичных квантовых точек». Тераностика. 2 (7): 655–667. Дои:10.7150 / thno.3890. ЧВК  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. Дои:10.1021 / nl103247v. ЧВК  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. Дои:10.1038 / NMETH.1444. PMID  20354518.