The field of self-assembled DNA nanostructures has developed rapidly in the last decade. In addition to a variety of discrete structures, larger structures such as nanotubes have been reliably assembled. Furthermore, functionality has been added. Structural shapes can be made 'switchable,' polymers can be attached, and metals can be immobilized. These features all bring about an increase in design complexity, requiring an increasing number of strands with unique sequences and often the addition of synthetic molecules into the DNA itself. For proper assembly, the strands often require well-defined thermal denaturation temperatures, adding more constraints to their design. In this thesis, focus is given to understanding how small molecules interact with DNA in the context of nanostructure formation. Linkers of varying flexibility, covalently inserted into DNA, are used to tune the thermal denaturation temperature of identical strands across a wide temperature range. DNA-to-linker orientation combined with rigid linkers are used to control product distribution in similarly sequence-minimal systems. The pursuit of structural complexity with minimal sequence design is furthered by the use of intercalators as molecular chaperones during assembly. This allowed for repetitive sequences with many possible structural outcomes to be quantitatively assembled into a single structure. Finally, we apply the idea of a molecular chaperone towards a Vernier-type assembly, creating discrete structures from three strands that would previously have required eight distinct strands. Collectively, it is demonstrated that the number of strands and sequences required for complex DNA nanoassemblies can be greatly reduced using small molecules, through a combined understanding of structural effects, stabilization and strand-end alignment. / La recherche sur les nanostructures auto-assemblées à base d'ADN est un domaine en plein essor. Pendant la dernière décennie, plusieurs exemples de nanostructures ont été développés, celles-ci ayant des dimensions soit limitées ou étendues, dont les nanotubes d'ADN, en plus d'une série de nanostructures fonctionnelles. Le changement de forme par un 'switch' moléculaire, l'attachement de polymères, et l'immobilisation de métaux en sont parmi les nouveautés dans le domaine; par contre, afin de permettre ces innovations, l'augmentation du nombre de chaines d'ADN différentes, ou bien l'addition de molécules synthétiques dans les chaines d'ADN ont été nécessaire. L'auto-assemblage de ces nanostructures avancées exige aussi une sélection rigoureuse de températures de dénaturation bien-définies. Cette thèse se concentre sur l'interaction de molécules avec l'ADN dans le contexte de la formation de nanostructures. Des segments synthétiques ont été insérés dans des chaines d'ADN, ayant comme effet un changement marqué de la température de dénaturation des macromolécules hybrides qu'on a pu varier en fonction de la flexibilité du segment. Le contrôle de l'orientation ADN-segment, ainsi que le choix de segments rigides, améliorent l'homogénéité des structures auto-assemblées pour des systèmes étant, pour ce qui est du nombre de chaines d'ADN distinctes, minimalistes. De plus, l'intercalation de molécules, agissant comme 'chaperonnes' moléculaires, durant l'assemblage permet d'optimiser la production de nanostructures complexes pour en arriver à un seul résultat; cela peut être accompli avec un minimum, voire une répétition, de séquences d'ADN qui, autrement, auraient pu former une multitude de nanostructures alternatives. Enfin, en appliquant ce concept de 'chaperonnes' moléculaires, nous avons réalisé l'assemblage de type Vernier, où nous avons pu obtenir une nanostructure avec trois chaines d'ADN, cette dernière basée auparavant sur huit chaines différentes. Dans l'ensemble, cette thèse démontre le potentiel des molécules synthétiques dans l'auto-assemblage de l'ADN; ces molécules permettent une diversité accrue parmi les nanostructures, sans pour autant augmenter le niveau de complexité des séquences, grâce aux effets stabilisateurs et à l'alignement des chaines d'ADN.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.123006 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Greschner, Andrea |
| 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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