Aufgrund ihrer Selbstorganisationseigenschaften besitzt DNA ein großes Potential für den Einsatz in Bottom-up-Techniken der Nanotechnologie. So erlaubt DNA eine genau definierte Anordnung von Bauelementen im Abstand von nur wenigen Nanometern. Zum Beispiel kann ein regelmäßig mit Metallclustern oder Proteinen bestücktes DNA-Netz als Katalysator oder in Sensoren eingesetzt werden. DNA wird außerdem als Templat für Nanodrähte benutzt und kann deshalb eine wichtige Rolle in einer zukünftigen Nanoelektronik spielen. DNA-Strukturen entstehen meist durch Selbsassemblierung von Einzelstrangmolekülen während einer Hybridisierung. Die Assemblierung wird dabei durch die Basensequenzen der beteiligten Einzelstränge gesteuert. Das bedeutet: Die Basensequenzen der Einzelstränge definieren die Gestalt der entstehenden Struktur. Diese Dissertation stellt Regeln für Sequenzkonfigurationen vor, welche DNA-Einzelstränge erfüllen müssen, damit die erfolgreiche Selbstassemblierung einer gewünschten Zielstruktur erfolgreich sein kann. Das Grundprinzip dieser Regeln ist eine Minimierung der Länge von Basenfehlpaarungen. Es wird ein Algorithmus entwickelt, welcher diese Regeln umsetzt und für beliebige Zielstrukturen passende Sequenzkonfigurationen erzeugt. Der Algorithmus arbeitet vollautomatisch und ist für die meisten Strukturgrößen sehr schnell. Eine Java-Implementierung des Algorithmus mit Namen Seed ist unter http://nano.tu-dresden.de/~jseiffert/Seed/ frei erhältlich. Abschließend präsentiert diese Arbeit ein Experiment, in welchem eine Reihe von Double-Crossover-(DX)-Molekülen zu einer langen Kette verbunden werden. Die Sequenzkonfiguration für dieses Experiment wurde mit Seed erstellt und zeigt die Anwendungsfähigkeit des vorgestellten Algorithmus. / Due to its self-recognition abilities, DNA has a great potential to disclose new bottom-up routes towards nanofabrication. DNA allows well-defined arrangements of building blocks with only a few nanometer distance. For example, a DNA network with regulary attached metal beeds or proteins can be placed on a surface to act as a catalyst or a sensor. DNA can also be used as template for nanowires and, therefore, might play a major role in future nanoelectronics. DNA structures mostly assemble themselves by hybridization of single stranded DNA molecules. The self-assemby process is controlled by the base sequences of the single strands: The sequence configuration defines the shape of the resulting structure. This thesis introduces rules for sequence configuration that DNA strands must fullfill to produce a desired target structure in a hybridazation process. The basic principle of these rules is a mismatch minimization. An algorithm is presented, which generates suitable sequence configurations according to the introduced rules. The algorithm can handle any DNA structures, works full-automatically, and for most structure dimensions, is very fast. A Java-implementation of the algorithm called Seed is freely available at http://nano.tu-dresden.de/~jseiffert/Seed/. Finally, this work describes a structure building experiment, where a number of double crossover (DX) molecules were concatenated into a long chain. The sequence configuration for this experiment was generated by the developed program Seed showing the use of the presented algorithm.

Die vorliegende Dissertation beschreibt die Erarbeitung anwendbarer Methoden zum Aufbau Oberflächenplasmonenresonanz (SPR)-basierter DNA-Mikroarrays. Es werden die Beziehungen zwischen allen Teilschritten der Entwicklung eines DNA-Biosensors aufgezeigt. Die Sondendichte auf der Sensoroberfläche ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit eines DNA-Chips. In dieser Arbeit werden thiolmodifizierte Sonden und solche mit Phosphorothioatgruppen verwendet und verglichen. Der Aufbau selbstorganisierender Monoschichten, bestehend aus Mercaptoalkoholen und thiolmodifizierten DNA-Einzelsträngen, wird mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie untersucht. Es werden bis zu 180 Spots auf einem SPR-Chip aufgetragen. Eine weitere Erhöhung der Anzahl an Sondenorten pro Chip wird mit einer hydrophil/hydrophoben Strukturierung der Arrayoberfläche erreicht. Dies erfolgt durch das Mikrokontaktdrucken mit Alkanthiolen. Die selektiven Hybridisierungen der Produkte der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) werden bei SPR-Messungen auf DNA-Mikroarrays detektiert. Eine schnelle markierungsfreie Echtzeitanalyse wird bei Hybridisierungen im mikrofluidischen Kanal innerhalb weniger Minuten erzielt. Die Anwendbarkeit dieser Methoden wurde anhand der Mutationsanalyse der Fusionsgene AML1-ETO und CBFB-MYH11 bei der akuten myeloischen Leukämie bestätigt. Die Hybridisierungseffizienz auf DNA-Mikroarrays hängt stark von der Sodensequenz ab. SPR-Experimente zeigen, dass die Ausbildung der Haarnadelstrukturen die Ursache dafür ist. Ein Computerprogramm (EGNAS) auf Grundlage eines neu entwickelten Nucleobasen-Sequenzentwurf-Algorithmus, ermöglicht die Generierung vollständiger Sequenzsätze. Die Intra- und Interstrangeigenschaften dieser Sequenzen können kontrolliert werden, um Haarnadelstrukturen und Kreuzhybridisierungen zu vermeiden. Dadurch können optimierte Sequenzen für Anwendungen auf DNA-Chips oder in der DNA-Nanobiotechnologie entworfen werden.

Die vorliegende Dissertation beschreibt die Erarbeitung anwendbarer Methoden zum Aufbau Oberflächenplasmonenresonanz (SPR)-basierter DNA-Mikroarrays. Es werden die Beziehungen zwischen allen Teilschritten der Entwicklung eines DNA-Biosensors aufgezeigt. Die Sondendichte auf der Sensoroberfläche ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit eines DNA-Chips. In dieser Arbeit werden thiolmodifizierte Sonden und solche mit Phosphorothioatgruppen verwendet und verglichen. Der Aufbau selbstorganisierender Monoschichten, bestehend aus Mercaptoalkoholen und thiolmodifizierten DNA-Einzelsträngen, wird mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie untersucht. Es werden bis zu 180 Spots auf einem SPR-Chip aufgetragen. Eine weitere Erhöhung der Anzahl an Sondenorten pro Chip wird mit einer hydrophil/hydrophoben Strukturierung der Arrayoberfläche erreicht. Dies erfolgt durch das Mikrokontaktdrucken mit Alkanthiolen. Die selektiven Hybridisierungen der Produkte der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) werden bei SPR-Messungen auf DNA-Mikroarrays detektiert. Eine schnelle markierungsfreie Echtzeitanalyse wird bei Hybridisierungen im mikrofluidischen Kanal innerhalb weniger Minuten erzielt. Die Anwendbarkeit dieser Methoden wurde anhand der Mutationsanalyse der Fusionsgene AML1-ETO und CBFB-MYH11 bei der akuten myeloischen Leukämie bestätigt. Die Hybridisierungseffizienz auf DNA-Mikroarrays hängt stark von der Sodensequenz ab. SPR-Experimente zeigen, dass die Ausbildung der Haarnadelstrukturen die Ursache dafür ist. Ein Computerprogramm (EGNAS) auf Grundlage eines neu entwickelten Nucleobasen-Sequenzentwurf-Algorithmus, ermöglicht die Generierung vollständiger Sequenzsätze. Die Intra- und Interstrangeigenschaften dieser Sequenzen können kontrolliert werden, um Haarnadelstrukturen und Kreuzhybridisierungen zu vermeiden. Dadurch können optimierte Sequenzen für Anwendungen auf DNA-Chips oder in der DNA-Nanobiotechnologie entworfen werden.