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Abstrakt

Entwicklung der DNA-Nanotechnologie und Anwendungen in der Molekularmedizin und Biologie

Chakraborty AK, Roy T und Mondal S

DNA ist Erbmaterial mit einfachen und stabilen Bausteinen aus Phosphat-2'-Desoxyribose-organischen stickstoffhaltigen Basen mit einer einzigartigen 3D-Struktur mit AT-GC-Paarung zweier antiparalleler Stränge. DNA ist in fester Form oder in Lösung ein guter Elektronenträger und biokompatibel und bindet effizient viele Proteine, organische Moleküle und Metallionen. Mit dem Aufkommen der Nanotechnologie mit Silber-Gold-Nanopartikeln und Kohlenstoff-Nanopartikeln wird DNA nun als gute Quelle für nanotechnologisches Material genutzt. In der DNA-Nanotechnologie werden Watson-Crick-DNA-Moleküle unter besonderen physikalischen Bedingungen aufgrund der elektrostatischen Anziehung zwischen den freien Elektronen von Zucker- und Phosphatsauerstoff und Basenstickstoff in verschiedene Nanostrukturen mit einer Größe von 10 bis 100 nm angeordnet. Allerdings haben verschiedene kohäsive oder klebrige Enden oder Schleifenstrukturen zwischen den Oligonukleotid-Klammersträngen zur Herstellung von 3D-DNA-Nanostrukturen mit unterschiedlichen Formen beigetragen. Die Bildung von Urlaubsverbindungen während der Kreuzung von Chromosomen ist die Grundlage der DNA-Nanotechnologie, da die millionenfach komprimierte 3D-Struktur der DNA in der DNA selbst vererbt wird. DNA-Kacheln bestehen aus wenigen durch Wasserstoffbrücken verbundenen Oligonukleotiden, die an beiden Enden untereinander Kreuzungspunkte aufweisen. DNA-Origami ist das Prinzip, bei dem sich ein großer einzelsträngiger zirkulärer DNA-Strang mit Hunderten von kurzen Antisense-Oligonukleotid-Klammersträngen an verschiedenen Positionen kreuzt, wodurch unterschiedliche Formen entstehen. Im Prinzip werden DNA-Nanokristalle gebildet, wenn man DNA-Kacheln oder DNA-Origami bei einer Temperatur von 90 °C auf 4 °C in Gegenwart von 10–20 mM MgCl2 kristallisieren lässt _. So konnten Gold und Silber sowie zahlreiche Medikamente in die DNA-Nanokäfige imprägniert werden, die auf zahlreiche Krankheitserreger und Krebszellen abzielten. Ein solches co-kristallisiertes Nano-Medikamenten-Abgabesystem wurde auch in die Antisense-/Ribozym-/Dicer-Molekularmedizin integriert. In jüngster Zeit werden Festkörper-DNA-Nanotechnologieanwendungen, bei denen DNA mit Proteinen oder Zellulose kombiniert und mit Streptavidin-Biotin vernetzt wird, in Nanochip-, Nanosensor- und Nanorobotiktechnologien eingesetzt.