Self-assembled nanostructures provide an exciting opportunity to generate new materials with molecular resolution, and in a massively parallel fashion. Nanomaterials often display unique properties relative to their bulk analogues, giving them attractive potential in fields like electronics, photonics, structural biology, and therapeutics. DNA, beyond its role in genetics, is also one of the best self-assembling molecules known. It uses specific base-pairing interactions to come together into a well-defined, rigid double helix. We can therefore predict exactly how two different strands of DNA will interact in solution with impressive accuracy. DNA nanotechnology applies this ability to the generation of complex nanostructures using DNA as a building material. One of the key challenges facing DNA nanotechnology is to find a practical balance between structural complexity and ease of synthesis. This thesis develops simplified methods to build and control DNA nanostructures, in an effort to make them more practical and viable for future applications. Conceptually, this research can be divided into three main parts. First, a method to build discrete 3D prisms from a minimal number of components is developed. These structures incorporate new strand connectivity and a balance of symmetric and unique sequence to generate a library of well-defined geometries from a minimal amount of DNA. Second, DNA nanotubes are generated using a long, continuous, enzymatically produced backbone strand, and from a simplified set of component strands. Together, these methods provide templated length, enhanced stability in biological settings, efficient cellular penetration, and the ability to generate long linear patterns of various cargo molecules using a DNA-minimal approach. Third, a method to produce monodisperse DNA strands with user-defined patterns of sequence domains is developed. Using temporal control and in situ ligation, complex patterns can be generated and amplified from a small number of building blocks, and used as template strands in the construction of DNA nanostructures. Together, the concepts developed in this work can be used to make functional DNA nanostructures in a practical manner, with an emphasis on reducing synthetic effort while retaining structural complexity. / Les structures auto-assemblées offrent une excellente occasion de créer de nouveaux matériaux disposant d'une résolution moléculaire et d'un procédé de fabrication massivement parallèle. Les nanomatériaux présentent souvent des propriétés uniques lorsque comparés à leur analogues de plus grande échelle ce qui leur confère un potentiel attrayant dans des domaines tels que l'électronique, la photonique, la biologie structurale et le développement de produits thérapeutiques. L'ADN, au-delà de son rôle en génétique, est aussi l'une des meilleures molécules auto-assemblantes connues. Les liaisons spécifiques entre les bases de l'ADN permettent la formation d'une double hélice rigide et bien définie. Nous pouvons donc prédire exactement la façon dont deux brins différents d'ADN vont interagir en solution et ce, avec une impressionnante exactitude. La nanotechnologie en ADN se sert cette propriété afin de générer des nanostructures complexes qui utilisent l'ADN en tant que matériau de construction. L'un des principaux défis auxquels la nanotechnologie en ADN doit faire face est de trouver une balance fonctionnelle entre la complexité structurale et la facilité de synthèse. Cette thèse présente des procédés simplifiés pour construire et contrôler des nanostructures en ADN dans le but de les rendre plus pratiques et viables en vue d'applications futures. Conceptuellement, cette recherche peut être divisée en trois parties principales. En premier lieu, une méthode pour construire des prismes tridimensionnels distincts à partir d'un nombre minimal de composantes est élaborée. Ces structures intègrent de nouvelles connectivités entre les brins, de même qu'une balance entre la symétrie et l'unicité des séquences utilisées, afin de créer un ensemble de géométries bien définies à partir d'une quantité minimale d'ADN. En second lieu, des nanotubes d'ADN sont générés en utilisant une longue séquence continue d'ADN produite de façon enzymatique en tant que squelette, ainsi qu'un ensemble simplifié de brins constitutifs. Collectivement, ces procédures assurent l'obtention de nanotubes possédant une longueur contrôlée au moyen de séquences utilisées en tant que gabarits, une stabilité accrue dans des milieux biologiques, une pénétration cellulaire efficace et permettent d'introduire de longs motifs linéaires lors de l'arrangement de molécules cargo, tout en profitant d'une approche minimale en ADN. En troisième lieu, un procédé produisant des séquences d'ADN monodisperses qui comprennent des domaines de séquences avec des motifs définis par l'utilisateur est décrit. En se servant d'un contrôle temporel et d'un protocole de ligation in situ, des motifs complexes peuvent être générés et amplifiés à partir d'un nombre minimal de composantes pour ensuite être utilisés en tant que brins-gabarit dans la construction de nanostructures d'ADN. Collectivement, les concepts développés dans cette thèse peuvent être exploités afin de fabriquer des nanostructures d'ADN fonctionnelles de manière pratique avec une emphase mise sur la réduction de l'effort synthétique et la conservation de la complexité structurale.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.123134 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Hamblin, Graham |
| Contributors | Hanadi Sleiman (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Chemistry) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically submitted theses |
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