DNA nanotechnology has revolutionised our capability to shape and control three-dimensional structures at sub-nanometre length scales. In this thesis, we use DNA to build synthetic membrane-inserting channels. Porphyrin and cholesterol tags serve as membrane anchors to facilitate insertion into the lipid membrane. With atomic force microscopy, confocal imaging and ionic current recordings we characterise our DNA nanochannels that mimic their natural protein-based counterparts in form and function. We find that they exhibit voltage-dependent conductance states. Amongst other architectures, we create the largest man-made pore in a lipid membrane to date approaching the electrical diameter of the nuclear pore complex. Pushing the boundaries on the other end of the spectrum, we demonstrate the ultimately smallest DNA membrane pore made from a single membrane-spanning DNA duplex. Thereby, we proof that ion conduction across lipid membranes does not always require a physical channel. With experiments and MD simulations we show that ions flow through a toroidal pore emerging at the DNA-lipid interface around the duplex. Our DNA pores spanning two orders of magnitude in conductance and molecular weight showcase the rational design of synthetic channels inspired by the diversity of nature - from ion channels to porins.

DNA provides an ideal substrate for nanoscale construction and programmable dynamic mechanisms. DNA mechanisms can be used to produce DNA motors which do mechanical work, e.g. transportation of a substrate along a track. I explore a method for control of a DNA mechanism ubiquitous in DNA motor designs, toehold-mediated strand displacement, by which one strand in a duplex can be swapped for another. My method uses a mismatch between a pair of nucleotides in the duplex, which is repaired by displacement. I find that displacement rate can be fine-tuned by adjusting the position of the mismatch in the duplex, enabling the design of complex kinetic behaviours. A bipedal motor [1, 2] is designed to walk along a single-stranded DNA track. Previously the motor has only taken a single step, due to a lack of designs to extend the single-stranded track. I present a novel design for track held under tension using a 3D DNA origami tightrope, and verify its assembly. The bipedal motor design is adapted and a method to specifically place motors on tightropes is demonstrated. Motor operation is investigated on truncated tracks and tightrope tracks by electrophoresis and spectrofluorometry. The motor does not accumulate appreciably at the track end; this is tentatively attributed to rearrangement of the motor between track sites without interaction with fuel. Tightrope origami can hold single-stranded DNA under pN tension. I use tightropes to study hybridization kinetics under tension and find dramatic, non-monotonic changes in hybridization rate constants and dissociation constants with tension in the range ∼0-15 pN. Extended tracks for a 'burnt-bridges' motor which destroys its track as it moves [3] are created on the inside of DNA nanotubes, which can be polymerised to create tracks up to a few mm in length, and on tiles which I attempt to join in a specific order. Crossing of the motor between tubes is verified, and microscopy experiments provide some evidence that track is being cleaved by the motor, a requirement for movement along the track. Tile based tracks are imaged by super-resolution DNA PAINT [4], providing proof-of-principle for track observation to infer motor movement.

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.

This dissertation focuses on rationalised DNA design as a tool for the discovery and development of new therapeutic entities, as well as understanding the biological function of DNA beyond the storage of genetic information. The study is comprised of two main areas of study: (i) the use of DNA as a coding unit to illustrate the relationship between code-diversity and dynamics of self-assembly; and (ii) the use of DNA as an active unit that interacts and regulates a target protein. In the study of DNA as a coding unit in code-diversity and dynamics of self-assembly, we developed the DNA-Based Diversity Modelling and Analysis (DDMA) method. Using Polymerase Chain Reaction (PCR) and Real Time Polymerase Chain Reaction (RT-PCR), we studied the diversity and evolution of synthetic oligonucleotide populations. The manipulation of critical conditions, with monitoring and interpretation of their effects, lead to understanding how PCR amplification unfolding could reshape a population. This new take on an old technology has great value for the study of: (a) code-diversity, convenient in a DNA-based selection method, so semi-quantitation can evaluate a selection development and the population\'s behaviour can indicate the quality; (b) self-assembly dynamics, for the simulation of a real evolution, emulating a society where selective pressures direct the population's adaptation; and (c) development of high-entropy DNA structures, in order to understand how similar unspecific DNA structures are formed in certain pathologies, such as in auto-immune diseases. To explore DNA as an active unit in Tumour Necrosis Factor α (TNF-α) interaction and activity modulation, we investigate DNA's influence on its spatial conformation by physical environment regulation. Active TNF-α is a trimer and the protein-protein interactions between its monomers are a promising target for drug development. It has been hypothesised that TNF-α forms a very intricate network after its activation between its subunits and receptors, but the mechanism is still not completely clear. During our research, we estimate the non-specific DNA binding to TNF-α in the low micro-molar range. Cell toxicity assays confirm this interaction, where DNA consistently enhances TNF-α's cytotoxic effect. Further binding and structural studies lead to the same conclusion that DNA binds and interferes with TNF-α structure. From this protein-DNA interaction study, a new set of tools to regulate TNF-α's biological activity can be developed and its own biology can be unveiled.

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).

Manipulating light by controlling surface plasmons on metals is being discussed as a means for bridging the size gap between micrometer-sized photonic circuits and nanometer-sized integrated electronics. Plasmonic waveguides based on metal nanoparticles are of particular interest for circumventing the diffraction limit, thereby enabling high-speed communication over short-range distances in miniaturized micro-components. However, scalable, inexpensive fine-tuning of particle assemblies remains a challenge and near-field probing is required to reveal plasmonic interactions. In this thesis, self-assembled waveguides should be produced on DNA scaffolds. DNA origami is an extremely versatile and robust self-assembly method which allows scalable production of nanostructures with a fine control of assemblies at the nanoscale. To form the plasmonic waveguides, six-helix bundle DNA origami nanotubes are used as templates for attachment of highly monodisperse and monocrystalline gold nanoparticles with an inter-particle distance of 1-2 nm. In the first part of this thesis, the effects of parameters which are involved in assembly reactions are systematically investigated. The assembly yield and binding occupancy of the gold nanoparticles are determined by an automated, high-throughput image analysis of electron micrographs of the formed complexes. As a result, unprecedented binding site occupancy and assembly yield are achieved with the optimized synthesis protocol. In addition, waveguides with different sizes of gold nanoparticles and different inter-particle distances, quantum dots attachments to the waveguides and multimerization of the waveguides are successfully realized. In the second part of this thesis, direct observation of energy transport through a self-assembled waveguide towards a fluorescent nanodiamond is demonstrated. High-resolution, near-field mapping of the waveguides are studied by electron energy loss spectroscopy and cathodoluminescence imaging spectroscopy. The experimental and simulation results reveal that energy propagation through the waveguides is enabled by coupled surface plasmon modes. These surface plasmon modes are probed at high spatial and spectral resolutions. The scalable self-assembly approach presented here will enable the construction of complex, sub diffraction plasmonic devices for applications in high-speed optical data transmission, quantum information technology, and sensing. / Die Manipulation des Lichts durch die Kontrolle von Oberflächenplasmonen auf metallischen Oberflächen und Nanopartikeln gilt als vielversprechende Methode zur Überbrückung der Größen-Lücke zwischen Mikrometer-großen photonischen und nanometer-großen elektronischen Schaltkreisen. Plasmonische Wellenleiter basierend auf metallischen Nanopartikeln sind vom besonderen Interesse, da sie die Umgehung des Beugungslimits und somit eine Hochgeschwindigkeitskommunikation über kurze Distanzen in immer kleiner werdenden Schaltkreisen ermöglichen könnten. Allerdings ist die skalierbare und kostengünstige Anordnung von Partikeln eine große Herausforderung und es werden Nahfelduntersuchungen benötigt um plasmonische Interaktionen detektieren zu können. Das Ziel dieser Arbeit ist die Selbstassemblierung von multi-partikel Wellenleitern auf DNA Gerüsten. Die Verwendung von DNA-Origami bietet eine äußerst vielseitige Plattform zur skalierbaren Herstellung von Nanostrukturen mittels Selbstassemblierung und ermöglicht eine präzise Kontrolle der Anordnungen im Nanobereich. Für den Aufbau der plasmonischen Wellenleiter werden DNA-Origami Nanoröhren, bestehend aus sechs Helices als Templat für die Anbindung von monodispersen und monokristallinen Goldnanopartikeln mit einem interpartikulären Abstand von 1-2 nm verwendet. Im ersten Abschnitt dieser Arbeit werden die beeinflussenden Faktoren dieser Assemblierungsreaktion systematisch untersucht. Die Ausbeute der assemblierten Strukturen und die Besetzung der Bindungsstellen werden durch eine automatisierte und effiziente Bildanalyse von Elektronenmikroskopieaufnahmen ausgewertet. Durch die Entwicklung eines optimierten Syntheseprotokolls werden bisher unerreichte Assemblierungsausbeuten ermöglicht. Zusätzlich erfolgen die experimentelle Realisierung von Strukturen mit verschieden großen Goldnanopartikeln und unterschiedlichen interpartikulären Abständen, sowie die Anbindung von Quantenpunkten an die Wellenleiter und eine Verknüpfung der assemblierten Strukturen. Der zweite Abschnitt dieser Dissertation befasst sich mit der Untersuchung des Energietransports in selbstassemblierten Wellenleitern über einen fluoreszierenden Nanodiamanten. Dazu erfolgen hochaufgelöste Nahfeldmessungen der Wellenleiter mittels Elektronenenergieverlustspektroskopie und Kathodolumineszenz-mikroskopie. Die experimentellen Ergebnisse und zusätzlich durchgeführte Simulationen bestätigen eine durch gekoppelte Oberflächenplasmonenmoden induzierte Weitergabe der Energie innerhalb des Wellenleiters. Diese Oberflächenplasmonenmoden werden bei hoher räumlicher und spektraler Auflösung untersucht. Das hier umgesetzte Konzept der Selbstassemblierung wird den Aufbau komplexer plasmonischer Geräte für Anwendungen im Bereich der optischen Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung, der Quanteninformations-technolgie und der Sensorik ermöglichen.