Phthalocyanine-fullerene dyads and DNA interstrand cross-linking on surface
Véliz Montes, Cinthya Yamila
Nanotechnology deals with structures and components of nanoscale size in order to create new properties or to improve significantly their physical, chemical and biological properties, processes and phenomena. Many efforts of molecular nanotechnology are directed to design artificial nanostructures on surfaces due to their potential applications in nanodevices and biosensors. This thesis includes two areas of application, phthalocyanine-based photovoltaic dyads and using phthalocyanine-based photosensitation in creating a stable biosensor chip surface.
To date, phthalocyanine (Pc)-C60 fullerene arrays have shown interesting electrochemical, photophysical and photovoltaic properties. In this case the systems are constituted by an unsubstituted phthalocyanine (donor) and a fullerene (acceptor) unit. As a result of the absence of any substituent at the Pc peripheral positions, these building blocks show a better organization at supramolecular level. This results in important changes in some physical properties of these systems with respect to their individual counterparts. Assembling of Pc-C60 nanostructures on substrate surfaces and their photo-induced energy/electron transfer properties were also studied.
The fabrication of biosensor chips for clinical diagnosis is becoming an increasingly important topic. A large number of biosensors are aimed to the diagnosis of cardiovascular diseases, which represent 45% of all deaths in Europe. DNA-directed immobilization (DDI) is a technique that allows the preparation of protein immunoarrays by forming a selfassembled monolayer (SAM) of DNA target molecules with DNA probes previously immobilized on a surface. One of the drawbacks of DDI is that it requires long oligonucleotides (ODNs) for recognition and stable duplex formation. Shorter ODNs would be sufficient for antibody addressing but they are not stable enough during storage and handling (e.g. rinsing) steps.
Chemical interstrand crosslinking (ICL) of short ODNs in solution has been studied before by several groups due to its important clinical applications. The furan-based ICL strategy has been widely studied in solution and presents the advantage of selective oxidation of the furan-modified ODN which leads to the fast formation of a covalent bond with the complementary ODN sequence. This very stable DNA duplex showed extraordinary resistance towards enzymatic digestion and higher melting temperatures in comparison with the non-cross-linked DNA duplex. One studied oxidant is singlet oxygen, produced in a photosensitised reaction involving a phthalocyanine. On this basis this thesis also describes as an application the development of a novel platform based on DDI to detect three cardiac biomarkers in a multiplex immunoarray, requiring only short dodecamer (12mer) ODNs for addressing the antibody, as a consequence of the increased DNA duplex stability after cross-linking. Methylene blue and a phthalocyanine were used as photosensitisers for the ICL formation.
This thesis reports on recent experiments on both Pc-C60 and immobilized DNA ICL. Open problems and future applications are also discussed.
Nanotechnologie untersucht Bestandteile und Strukturen von Materialien im Nanobereich, um Prozesse und Phänomene besser zu verstehen beziehungsweise neue oder verbesserte physikalische, chemische sowie biologische Eigenschaften zu erzeugen. Viel Forschungsarbeit im Bereich der molekularen Nanotechnologie wurde geleistet, um künstliche Oberflächennanostrukturen zu erzeugen um diese als Biosensoren oder Nanoröhren zu verwenden. Diese Arbeit beinhaltet zwei Anwendungsbereiche, Phthalocyanin-basierte Photovoltaik-Dyaden und Phthalocyanin-basierte Photosensibilisatoren, um eine stabile Chipoberfläche zu generieren und diese als Biosensor zu verwenden.
Phthalocyanin-Fullerene (Pc)-C60 haben interessante elektrochemische, photophysikalische und photovoltaische Eigenschaften. In diesem Fall besteht das System aus einer unsubstituierten Phthalocyanin- (Donor) und einer Fulleren-Einheit (Akzeptor). Durch Abwesenheit einer peripheren Substitution am Pc, zeigen diese Gebilde eine höhere Ordnung auf supramolekularer Ebene. Daraus resultiert ein entscheidender Wechsel einiger physikalischer Eigenschaften. Der Aufbau der Pc-C60 Nanostrukturen und ihre photoinduzierten Energie- beziehungsweise Elektronentransfereigenschaften wurden ebenfalls untersucht.
Die Herstellung von Biosensorchips zur Anwendung in der klinischen Diagnostik wird ein immer wichtigeres Thema. Eine Großzahl von Biosensoren werden angewendet zur Diagnostizierung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen, welche verantwortlich für 45% aller Todesfälle in Europa sind. Die DNA-vermittelte Immobilisierung (DDI) ist eine Technik, welche die Herstellung von Protein-Immunoassays durch Bildung einer selbstorganisierten Monoschicht von spezifischer DNA mit zuvor auf einer Oberfläche immobilisierten, komplementären DNA, ermöglicht. Ein Nachteil von DDI ist, dass lange Oligonukleotide (ODNs) für die Bildung von stabilen Duplexformen notwendig sind. Kurze ODNs wären ausreichend stabil zur Immobilisierung der Antikörper, jedoch nicht für die Lagerung und Waschschritte.
Chemische intra-Strang Kreuzvernetzungen (ICL) von kurzen ODNs in Lösung wurden aufgrund ihrer Wichtigkeit für die klinische Diagnostik bereits häufiger untersucht. Die Furan-basierte ICL-Strategie stellt den Vorteil der selektiven Oxidation von Furan-modifizierten ODNs dar, welche eine schnelle kovalente Verknüpfung mit dem komplementären ODN-Strang ermöglicht. Dieser sehr stabile DNA-Duplex weist außergewöhnliche Robustheit gegenüber enzymatischem Verdau und eine höhere Schmelztemperatur im Vergleich zum nicht verknüpften DNA-Komplex auf. Ein untersuchtes Oxidationsmittel ist Singulett-Sauerstoff, welcher durch eine Photoreaktion vom Phthalocyanin produziert wird.
Auf dieser Grundlage beschreibt diese Arbeit auch die Anwendung einer neuartigen Plattform, basierend auf DDI, um drei Herzinfarkt-Biomarker in einem Multiplex-Immunoarray zu messen. Dabei sind, aufgrund der hohen Stabilität des DNA-Duplex nach Verknüpfung, nur Dodecamere (12mere) von ODNs zur Immobilisierung der Antikörper notwendig. Methylenblau und ein Phthalocyanin wurden als Photosensibilisatoren für die ICL benutzt.
Diese Arbeit berichtet über neue Experimente sowohl an Pc-C60 als auch an Oberflächen-DNA-ICL. Offene Fragen und zukünftige Anwendungen werden ebenfalls diskutiert.
