<p>The manufacturing of molecular-scale computing systems requires a scalable, reliable, and economic approach to create highly interconnected, dense arrays of devices. As a candidate substrate for nanoscale logic circuits, DNA self-assembled nanostructures have the potential to fulfill these requirements. However, a number of open challenges remain, including the scalability of DNA self-assembly, long-range signal propagation, and precise patterning of functionalized components. These challenges motivate the development of theory and experimental techniques to illuminate the connections among the physical, optical, and thermodynamic properties of DNA self-assembled nanostructures. </p> <p>In this thesis, three tools are developed, validated, and applied to study the thermo-mechanical properties of DNA nanostructures: 1) a method to quantitatively measure the quality of DNA grid self-assembly, 2) a spectrofluorometer capable of capturing fluorescence and absorbance data under simultaneous multi-wavelength excitation, and 3) a Monte Carlo simulator that models the ensemble response of DNA nanostructures as simple harmonic oscillators. </p> <p>The broad contributions of this dissertation are as follows: 1) insight into the thermo-mechanical properties of DNA grid nanostructures, and 2) a categorization of self-assembly defects and their impact on proposed logic circuits. </p> <p>The results of the work presented in this dissertation show that: 1) the quality of self-assembly of DNA grid nanostructures can be quantitatively calculated to demonstrate the impact of changes in temperature or structure, 2) the optical absorbance of complex DNA nanostructures can be modeled to capture their thermo-mechanical properties (i.e., worst case within 10% of experimental melting temperatures and 70% of experimental thermodynamic parameters), 3) the structural resilience of DNA nanostructures can be quantifiably improved by chemical cross-linking with up to 60% retaining their original structure, and 4) DNA self-assembly introduces structural defects which create new fault models with respect to conventional technologies for logic circuits.</p> / Dissertation

<p>This dissertation hypothesizes,</p><p><italic>"It is possible to design a self-assembled, nanoscale, high-speed, resonance energy transfer device exhibiting non-linear gain with a few molecules."</italic></p><p>The report recognizes DNA self-assembly, a relatively inexpensive and a massively parallel fabrication process, as a strong candidate for self-assembled RET systems. It successfully investigates into the design and simulations of a novel sequential self-assembly process employed to realize the goal of creating large, scalable, fully-addressable DNA nanostructure-substrate for future molecular circuitry. </p><p>As a pre-cursor to the final device modeling various RET wire designs for interconnecting nanocircuits are presented and their modeling and simulation results are discussed. A chromophore RET system using a biomolecular sensor as a proof-of-concept argument that shows it is possible to model and characterize chromophore systems as a first step towards device modeling is also discussed. </p><p>Finally, the thesis report describes in detail the design, modeling, characterization, and fabrication of the Closed-Diffusive Exciton Valve: a self-assembled, nanoscale (area of 17.34 nm<super>2</super>), high-speed (3.5 ps to 6 ps) resonance energy transfer device exhibiting non-linear gain using only 10 molecules, thus confirming the hypothesis. It also recognized improvements that can be made in the future to facilitate better device operation and suggested various applications.</p> / Dissertation

Experiments have demonstrated that DNA molecules can compute like a machine to solve mathematical problems, which is significant because of their parallel computation ability. However, due to the nature of biochemical reactions, DNA computation suffers from errors, which are its main limitation. The abstract and kinetic Tile Assembly Models are now commonly used to simulate real DNA computing experiments, and to look for new methods to advance the accuracy of DNA-based computation. One means of controlling errors is through proofreading tile sets. Several such tile sets have been proposed in the literature, such as Chen and Goel’s snaked proofreading tile sets, the 2-way and 3-way overlay tile sets of Reif et al., and Rothemund and Cook’s n-way overlay tile sets. In the first part of this thesis, we analyze the performance of the Rothemund-Cook n-way overlay tile sets. We prove that the n-way overlay tile set contains n^2+3n+4 rule tiles. Simulation results show that these tile sets clearly perform better than tile sets without any error-control mechanism, and the performance improves as n increases. It is also proved that the error rates in assemblies formed by the 1-way and 2-way tile sets are O(epsilon^2), where epsilon is the error rate in assemblies without any error correction. In the second part of this thesis, we focus on a different error mechanism, namely,errors caused by imperfect or malformed tiles. We propose a model of malformed tiles, and consider the performance of various proofreading tile sets in the presence of malformed tiles. Our simulation results show that the Reif et al. 3-way overlay tile sets are able to best deal with malformed tiles. During the simulations, we observed that snaked proofreading tile sets always have trouble completing whole patterns when malformed tiles are present. We instead propose two modified snaked proofreading constructions, and verify through both simulations and analysis that the two modified constructions have much better performances. / Thesis (Master, Mathematics & Statistics) -- Queen's University, 2009-08-25 11:10:39.142

Les nanotechnologies ADN utilisées pour l’auto-assemblage de nanoparticules d’or ou de métaux nobles ont connu un important développement au cours des vingt dernières années, permettant l’organisation de particules agencées en nano-cristaux, grâce à la spécificité biologique inégalable de deux brins complémentaires d’ADN. L’objectif de ces travaux de thèse est d’adapter ces nanotechnologies à l’assemblage de nanoparticules d’Al et de CuO en vue d’élaborer des matériaux composites énergétiques à haute performance, grâce à l’augmentation des surfaces en contact entre réducteur (Al) et oxydant (CuO) par la maîtrise de l’organisation spatiale des nanoparticules. Ainsi, la fonctionnalisation séparée des nanoparticules d’Al et de CuO dispersées en solution colloïdale par des monobrins d’ADN complémentaires assurée ici par l’utilisation du complexe biotineStreptavidine, doit amener, après mélange des deux solutions colloïdales, à l’agrégation des particules par l’hybridation des brins d’ADN greffés en surface. La stratégie de fonctionnalisation choisie ici est générique : la protéine « Streptavidine » est d’abord greffée sur la nanoparticule, puis le brin d’ADN possédant un groupe biotine à une de ses extrémités, se fixe sur la Streptavidine. Au-delà de l’organisation de la matière à l’échelle nanométrique, l’enjeu double de ces travaux tient dans l’établissement d’un protocole de fonctionnalisation fiable et reproductible, propre aux procédés de micro-électronique, pour envisager un report de ces matériaux sur puce, mais également dans le contrôle des performances énergétiques grâce à l’ADN. Nous nous sommes donc appliqués à élaborer ce protocole en caractérisant précisément chaque étape de fonctionnalisation : la stabilisation des colloïdes et la biofonctionnalisation des nanoparticules par la Streptavidine et l’ADN. De plus, l’interaction entre ADN et surfaces oxydées des particules a été étudiée de façon à identifier les interactions non-spécifiques à l’origine d’agrégations non maîtrisées et améliorer en conséquence la qualité de la fonctionnalisation. Nous avons ensuite étudié l’agrégation des particules fonctionalisées en fonction de nombreux paramètres expérimentaux telles que la longueur de la chaîne ADN, la séquence de l’oligonucléotide, ou encore la composition saline de la solution. A cause de l’existence d’interactions non-spécifiques mise en évidence, nous avons optimisés ces paramètres de façon à assurer une agrégation dirigée uniquement par l’hybridation des brins d’ADN. Les performances énergétiques des matériaux synthétisés ont enfin été caractérisées et nous avons démontré la possibilité de contrôler les performances énergétiques des nanobiocomposites synthétisant en maîtrisant leur microstructure grâce à l’ADN. / Over the two last decades, DNA technologies have intensively been studied for the organization of matter at the nanoscale. Thanks to the bio recognition of two complementary DNA single-strands and their hybridization into the famous helicoidally structure, self-assembling of gold nanoparticles into highly ordered micrometer scale crystals has been demonstrated. The aim of this thesis is to explore this new nanotechnology for the self-assembly of Al and CuO nanoparticles driven by DNA hybridization into highly energetic nanocomposites by optimizing contact surfaces between reducer (Al) and oxidizer (CuO). We chose Streptavidin-biotin strategy to functionalize nanoparticles with DNA single strands. More precisely, the functionalization process includes four steps: (i) stabilization of Al and CuO nanoparticles into separate colloidal suspensions; (ii) Streptavidin grafting on Al and CuO nanoparticles; (iii) DNA grafting on Al and CuO Streptavidin-modified nanoparticles thanks to the addition of biotin function at the end of the DNA single strands; (iv) mixing of the two colloidal DNA-functionalized suspensions in order to realize the self-assembly. First, we precisely determined, characterized and optimized each step of the functionalization process. Then, we studied more precisely two key points of the process: we analyzed the interaction of DNA bases with technologically relevant oxide surfaces by studying the grafting of Thymidine by theoretical and experimental approaches; and we studied the influence of the coding sequence used for the DNA strands on the quality of the self-assembly, also by theoretical and experimental analyses. Finally, we optimized environmental conditions to realize the self-assembly of DNAfunctionalized nanoparticles into energetic nanobiocomposites. Morphologies and energetic properties were established as a function of synthesis conditions, and the control of energetic performances of nanobiocomposites as a function of aggregation process was demonstrated.

DNA nanotechnology is a rapidly developing field that creates nanoscale devices from DNA, which enables novel interfaces with biological material. Their therapeutic use is envisioned and applications in other areas of basic science have already been found. These devices function at physiological conditions and, owing to their molecular scale, are subject to thermal fluctuations during both preparation and operation of the device. Troubleshooting a failed device is often difficult and we develop models to characterise two separate devices: DNA walkers and DNA origami. Our framework is that of continuous-time Markov chains, abstracting away much of the underlying physics. The resulting models are coarse but enable analysis of system-level performance, such as ‘the molecular computation eventually returns the correct answer with high probability’. We examine the applicability of probabilistic model checking to provide guarantees on the behaviour of nanoscale devices, and to this end we develop novel model checking methodology. We model a DNA walker that autonomously navigates a series of junctions, and we derive design principles that increase the probability of correct computational output. We also develop a novel parameter synthesis method for continuous-time Markov chains, for which the synthesised models guarantee a predetermined level of performance. Finally, we develop a novel discrete stochastic assembly model of DNA origami from first principles. DNA origami is a widespread method for creating nanoscale structures from DNA. Our model qualitatively reproduces experimentally observed behaviour and using the model we are able to rationally steer the folding pathway of a novel polymorphic DNA origami tile, controlling the eventual shape.

Der Grundbaustein des Lebens, die Desoxyribonukleinsäure (DNS), ist aufgrund ihrer spezifischen Basenpaarung ein geeignetes Molekül, um stabile und vielfältige nano- beziehungsweise mikrometergroße Strukturen herzustellen. Diese selbstorganisierten DNS-Strukturen eignen sich als Grundeinheiten für die Ausrichtung anorganischer und organischer Materialien. Für die Synthese solcher DNS-Strukturen werden insbesondere die Kachel-basierte Assemblierung (engl. tile-based assembly, im Folgenden als Tile-basierte Assemblierung bezeichnet) oder die DNS-Origami-Methode verwendet. Die Tile-basierte Assemblierung beinhaltet die Verbindung einzelner DNS-Bausteine, den sogenannten Kacheln (engl. tiles), zu komplexeren DNS-Strukturen. Hingegen entspricht die DNS-Origami-Methode der Faltung eines langen einzelsträngigen DNS-Moleküls, dem sogenannten scaffold, anhand von hunderten kurzen Oligonukleotiden (Heftklammer-Oligomeren, engl. staple strands) hin zu einer entsprechenden Form. Hinsichtlich einer zukünftigen Erstellung von DNS-basierten, nanoelektronischen Systemen war das Ziel dieser Arbeit einheitliche zwei- (2D) und dreidimensionale (3D) DNS-Nanostrukturen herzustellen, Methoden für deren kontrollierte Vernetzung zu entwickeln sowie deren chemische Funktionalisierung mit Nanomaterialien und einer beispielhaften Integration in lithographisch gefertigten Mikrokontaktstrukturen durchzuführen. Hierfür war es notwendig, einen weiten Bogen zu spannen, welcher einerseits verschiedene Konstruktionsprinzipien der DNS-Nanotechnologie vorteilhaft miteinander vereint und der andererseits die weitreichenden Möglichkeiten der chemischen Funktionalisierung der sogenannten DNS-Templatstrukturen auslotet. Konkret wurden zur Erstellung von einheitlichen DNS-Strukturen Assemblierungskonzepte verwendet bzw. entwickelt, welche auf die Ausrichtung einzelner kurzer Oligonukleotide anhand eines langen einzelsträngigen DNS-Templates beruhen. Im ersten Teil der Arbeit ist anhand eines selbstkomplementären Einzelstranges aufgezeigt, wie sich prinzipiell die Wachstumsrichtung einer Tile-basierten Struktur durch die Verwendung eines einzelsträngigen DNS-Templates beeinflussen lässt. Bei diesem Ansatz bildet sich entlang des DNS-Templates eine 2D-Gitterstruktur aus einheitlichen und abschnittsweise selbstkomplementären hexagonalen oder tetragonalen Oligonukleotideinheiten aus. Diese gerichtete Selbstassemblierung führt schließlich zum Aufrollen und Zusammenschluss der 2D-DNS-Struktur zu einer tubulären Struktur. Die Größe und Geometrie der Oligonukleotideinheiten bestimmen dabei maßgeblich den Durchmesser dieser DNS-Nanoröhren. Zur Erklärung von experimentellen Beobachtungen wurde ein Modell entwickelt, welches die Templat-gestützte Assemblierung theoretisch beschreibt. Die erstellten, strukturellen Anforderungen genügenden Nanoröhren eignen sich für eine gleichmäßige Funktionalisierung mit Nanomaterialien, wie anhand der Ausrichtung von Gold-Nanopartikeln gezeigt wurde. In einem weiteren Teil der Arbeit wurde eine ca. 400 nm lange DNS-Nanoröhre anhand der DNS-Origami-Methode erstellt. Diese Nanoröhre diente als Modellsystem zur Untersuchung der Integration von tubulären DNS-Strukturen in Mikrokontaktstrukturen mittels der Dielektrophorese. Eine positive dielektrophoretische Antwort der 3D-DNS-Strukturen konnte im MHz-Bereich festgestellt werden. Des Weiteren wurde für mit Gold-Nanopartikeln funktionalisierte DNS-Nanoröhren eine verstärkte dielektrophoretisch Antwort beobachtet. Neben der Manipulation bzw. Ausrichtung von DNS-Nanostrukturen wurden Konzepte entwickelt, welche zusätzlich zum Aufbau komplexer DNS-Netzwerke innerhalb einer Mikrokontaktstruktur erforderlich sind. Konkret konnte eine Verbindung der 3D-Nanoröhren (i) untereinander über eine 200 nm lange kreuzartige DNS-Zwischenstruktur und (ii) endständig mit einer Goldoberfläche ermöglicht werden. Der dritte Teil dieser Arbeit befasste sich mit der Entwicklung einer modularen 2D-DNS-Struktur, welche unter anderem für eine vergleichbare Untersuchung zur Immobilisierung von Nanomaterialien auf DNS-Strukturen dienen kann. Anhand der DNS-Origami-Methode wurde eine spezifische DNS-Gerüststruktur entworfen, welche die Ausstattung mit einer funktionalisierbaren Tile-basierten Einheit erlaubt. Um die Modularität der DNS-Gerüststruktur zu verdeutlichen, wurden zwei unterschiedliche, drei-beinige Tiles entworfen und anhand eines Ein- oder Zwei-Schritt-Verfahrens in die DNS-Gerüststruktur integriert. Die Anbindung eines Gold-Nanopartikels an jedes Bein des eingebundenen Tiles demonstriert die spezifische Funktionialisierbarkeit dieses Modellsystems. Zudem wurden Methoden, welche zur Aufreinigung der funktionalisierten DNS-Gerüststrukturen dienen, wie auch Effekte der Vernetzung von DNS-Origami-Strukturen anhand unspezifischer Wechselwirkungen untersucht. Die Ermittlung der Struktureigenschaften beziehungsweise der Assemblierungsqualität der in dieser Arbeit gezeigten DNS-Strukturen erfolgte mittels elektrophoretischer und bildgebender Untersuchungsverfahren (Rasterkraftmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie).