Molecular diagnostics is a fast growing field with new technologies being developed constantly. There is a demand for more sophisticated molecular tools able to detect a multitude of molecules on a single molecule level with high specificity, able to distinguish them from other similar molecules. This becomes very important for infectious diagnostics with the increasing antibiotic resistant viruses and bacteria, in gene based diagnostics and for early detection and more targeted treatments of cancer. For increased sensitivity, simplicity, speed and user friendliness, novel readouts are emerging, taking advantage of new technologies being discovered in the field of nanotechnology.  This thesis, based upon four papers, examines two novel electrical readouts for amplified single molecule detection. Target probing is based upon the highly specific amplification technique rolling circle amplification (RCA). RCA enables localized amplification resulting in a long single stranded DNA molecule containing tandem repeats of the probing sequence as product. Paper I demonstrates sensitive detection of bacterial genomic DNA using a magnetic nanoparticles-based substrate-free method where as few as 50 bacteria can be detected. Paper II illustrates a new sensor concept based on the formation of conducting molecular nanowires forming a low resistance circuit. The rolling circle products are stretched to bridge an electrode gap and upon metallization the resistance drops by several orders of magnitude, resulting in an extremely high signal to noise ratio. Paper III explores a novel metallization technique, demonstrating the efficient incorporation of boranephosphonate modified nucleotides during RCA.  In the presence of a silver ion solution, defined metal nanoparticles are formed along the DNA molecule with high spatial specificity. Paper IV demonstrates the ability to manipulate rolling circle products by dielectrophoresis. In the presence of a high AC electric field the rolling circle products stretch to bridge a 10 µm electrode gap.

<p>This thesis is based on six papers, Papers I-VI, focusing on the interplay between the stabilizing elements of nucleic acids self-assembly; hydrogen bonding, stacking and solvent effects. In Paper I we investigate how the substitution of the O4' for CH₂ in the sugar moiety of adenosine (2'-deoxyaristeromycin) at the A⁶ position of the Dickerson-Drew dodecamer makes the two modified bases exist in a dynamic equilibrium between Hoogsteen and Watson-Crick base pairing in the NMR time scale. Paper II is a structural study of the incorporation of 1-(1',3'-<i>O</i>-anhydro-<i>β</i>-D-psicofuranosyl)thymine in the T⁷ position of the Dickerson-Drew dodecamer. NMR constrained molecular dynamics and hydration studies show the base-base distortions caused by the introduction of a North-type locked sugar in an otherwise B-type DNA•DNA duplex. Paper III shows that the stacking distortion caused by the 1-(1',3'-<i>O</i>-anhydro-<i>β</i>-D-psicofuranosyl)thymine building block perturbs the charge transfer similar to a DNA mismatch. Paper IV highlights how the sequence context affects the physico-chemical properties, monitored by the p<i>K</i><i>a</i> of guanine itself as well as how the charge perturbation is experienced by the neighboring bases, in ssDNA and ssRNA. Paper V focuses on the differences between the structural equilibria of single-stranded ssDNA and ssRNA. Directional differences in single-stranded stacking between ssDNA and ssRNA are identified and provide a basis to explain directional differences in p<i>K</i><i>a</i> modulation and dangling-end stabilization. In Paper VI the thermodynamic gains of dangling ends on DNA and RNA core duplexes are found to correlate with the X-ray geometries of dangling nucleobases relative to the hydrogen bonds of the closing base pairs.</p>

This thesis is based on six papers, Papers I-VI, focusing on the interplay between the stabilizing elements of nucleic acids self-assembly; hydrogen bonding, stacking and solvent effects. In Paper I we investigate how the substitution of the O4' for CH2 in the sugar moiety of adenosine (2'-deoxyaristeromycin) at the A6 position of the Dickerson-Drew dodecamer makes the two modified bases exist in a dynamic equilibrium between Hoogsteen and Watson-Crick base pairing in the NMR time scale. Paper II is a structural study of the incorporation of 1-(1',3'-O-anhydro-β-D-psicofuranosyl)thymine in the T7 position of the Dickerson-Drew dodecamer. NMR constrained molecular dynamics and hydration studies show the base-base distortions caused by the introduction of a North-type locked sugar in an otherwise B-type DNA•DNA duplex. Paper III shows that the stacking distortion caused by the 1-(1',3'-O-anhydro-β-D-psicofuranosyl)thymine building block perturbs the charge transfer similar to a DNA mismatch. Paper IV highlights how the sequence context affects the physico-chemical properties, monitored by the pKa of guanine itself as well as how the charge perturbation is experienced by the neighboring bases, in ssDNA and ssRNA. Paper V focuses on the differences between the structural equilibria of single-stranded ssDNA and ssRNA. Directional differences in single-stranded stacking between ssDNA and ssRNA are identified and provide a basis to explain directional differences in pKa modulation and dangling-end stabilization. In Paper VI the thermodynamic gains of dangling ends on DNA and RNA core duplexes are found to correlate with the X-ray geometries of dangling nucleobases relative to the hydrogen bonds of the closing base pairs.

Thema dieser Arbeit ist die evolutive Optimierung der T7-RNA-Polymerase. Zur Stabilisierung technischer oder therapeutischer RNA-Moleküle gegenüber RNAsen wäre es wünschenswert eine RNA-Polymerase zu generieren, welche RNA vollständig aus 2’- modifizierten Nucleotiden synthetisieren kann. Zu diesem Zweck wurde ein kombiniertes Selektions- und Screeningverfahren zur Durchmusterung von Variantenbibliotheken der T7- RNA-Polymerase hinsichtlich des Einbaus von 2’-Methoxy-modifizierten Nucleotiden in RNA entwickelt. Es wurden ein gut handhabbarer, cis-regulierter Expressionsvektor sowie ein Selektionsplasmid erzeugt, die zusammen in E. coli ein in-vivo-Selektionssystem bilden, mit dessen Hilfe man Zellen, welche T7-RNA-Polymerase-Aktivität zeigen anhand ihrer grünen Fluoreszenz identifizieren konnte. Durch error-prone PCR wurden Mutantenbibliotheken generiert, und diese in das Selektionssystem eingesetzt. So konnte die Anzahl der potentiell zu testenden Varianten erheblich gesenkt werden. Zur Bestimmung der T7-RNA-Polymerase- Aktivität mit 2’-Methoxy-modifizierten Nucleotiden wurde ein Fluoreszenz-basierendes Assay etabliert. Dieses Assay, das nicht mit radioaktiv-markierten Nucleotiden arbeitete und keinen gelelektrophoretischen Separationsschritt benötigte, konnte in allen Schritten zur parallelen Bearbeitung von 96 Proben in einem Mikrotiterplatten-Format angepasst werden, so dass es prinzipiell hochdurchsatzfähig war und sich zum Screening umfangreicher Variantenbibliotheken eignete. Die Assay-Reaktion kann dabei auch unkompliziert auf ein Screening von RNA- oder DNA-Polymerase-Bibliotheken hinsichtlich anderer Eigenschaften der Polymerase-Aktivität übertragen werden.

Thema dieser Arbeit ist die evolutive Optimierung der T7-RNA-Polymerase. Zur Stabilisierung technischer oder therapeutischer RNA-Moleküle gegenüber RNAsen wäre es wünschenswert eine RNA-Polymerase zu generieren, welche RNA vollständig aus 2’- modifizierten Nucleotiden synthetisieren kann. Zu diesem Zweck wurde ein kombiniertes Selektions- und Screeningverfahren zur Durchmusterung von Variantenbibliotheken der T7- RNA-Polymerase hinsichtlich des Einbaus von 2’-Methoxy-modifizierten Nucleotiden in RNA entwickelt. Es wurden ein gut handhabbarer, cis-regulierter Expressionsvektor sowie ein Selektionsplasmid erzeugt, die zusammen in E. coli ein in-vivo-Selektionssystem bilden, mit dessen Hilfe man Zellen, welche T7-RNA-Polymerase-Aktivität zeigen anhand ihrer grünen Fluoreszenz identifizieren konnte. Durch error-prone PCR wurden Mutantenbibliotheken generiert, und diese in das Selektionssystem eingesetzt. So konnte die Anzahl der potentiell zu testenden Varianten erheblich gesenkt werden. Zur Bestimmung der T7-RNA-Polymerase- Aktivität mit 2’-Methoxy-modifizierten Nucleotiden wurde ein Fluoreszenz-basierendes Assay etabliert. Dieses Assay, das nicht mit radioaktiv-markierten Nucleotiden arbeitete und keinen gelelektrophoretischen Separationsschritt benötigte, konnte in allen Schritten zur parallelen Bearbeitung von 96 Proben in einem Mikrotiterplatten-Format angepasst werden, so dass es prinzipiell hochdurchsatzfähig war und sich zum Screening umfangreicher Variantenbibliotheken eignete. Die Assay-Reaktion kann dabei auch unkompliziert auf ein Screening von RNA- oder DNA-Polymerase-Bibliotheken hinsichtlich anderer Eigenschaften der Polymerase-Aktivität übertragen werden.

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