DNA serves as the essential biomacromolecule responsible for encoding, transmitting and expressing genetic information in all forms of life. However, when taken out of this biological role, the unique self-assembling properties, information rich content and easy means of chemical synthesis make DNA an ideal material for solving some of the challenging problems in chemical construction at the nanometer length scale. The emerging field of supramolecular DNA assembly presents chemical solutions to DNA construction, by synthetically modifying DNA with small molecules and supramolecular motifs. This thesis specifically examines how DNA building blocks modified with synthetic organic, inorganic and polymeric molecules can be designed to efficiently assemble into well-defined 3D structures. In part 1, a modular assembly strategy is developed whereby 2D DNA triangles are efficiently prepared and connected to create the first triangular prismatic structure that can be site-specifically coordinated with transition metals. In part 2, selective introduction of sequence symmetry is utilized to both simplify design and generate an expanded set of 3D DNA geometries in a mild, facile and high yield manner. In parts 3 and 4, a 3D DNA construction method that assembles a minimum number of DNA strands in near quantitative yield, to give a scaffold with a large number of single-stranded arms, is introduced. As demonstrated in part 3, site-specific hybridization of DNA-polymer conjugates to the single-stranded arms of this 3D-DNA scaffold gives efficient access to nanostructured DNA-block copolymer cages with enhanced nuclease resistance. In part 4, it is demonstrated that unfunctionalized 3D DNA cubes efficiently accumulate in the cytoplasm of human cervical cancer cells (HeLa) without the aid of any transfection agent. Collectively, this work develops 'DNA-economic' strategies to assemble 3D DNA structures in a facile manner and excellent yield. These assembly methods lay the foundation for fundamental assessment and future integration of 3D DNA structures as cellular probes or drug delivery tools and as a means to help solve some of the challenges facing researchers in biophysics and nanoscience. / L'ADN est une biomacromolécule essentielle qui sert à encoder, transmettre et exprimer l'information génétique contenue dans toutes les formes de vie. Toutefois, al'extérieur de ce contexte biologique, les propriétés uniques d'auto-assemblage, le contenu riche en information et les méthodes de synthèse chimique simples qui sont associées à l'ADN en font un matériau idéal pour résoudre certains des grands défis dans la construction à l'échelle nanométrique. Le domaine émergent de l'assemblage supramoléculaire de l'ADN présente des solutions chimiques pour la construction de nanostructures au moyen de l'ADN, en modifiant celui-ci synthétiquement avec des molécules organiques et des motifs supramoléculaires. Cette thèse examine spécifiquement comment des blocs de construction d'ADN modifiés avec des molécules synthétiques organiques, inorganiques et des polymères peuvent être conçus pour s'assembler en structures 3D bien définies et de manière efficace. Dans la 1e partie, une stratégie d'assemblage modulaire est développée. Celle-ci permet de relier des triangles d'ADN bidimensionnels préparés de façon efficace pour créer la première structure prismatique triangulaire en 3D qui peut être coordonnée en des lieux spécifiques avec des métaux de transition. Dans la 2e partie, l'introduction sélective de symétrie dans les séquences est utilisée pour à la fois simplifier la conception et pour générer un ensemble élargi de géométries d'ADN en 3D d'une manière simple et haute en rendement. Dans les 3e et 4e parties, une méthode de construction d'ADN en 3D qui assemble un nombre minimal de brins dans un rendement presque quantitatif pour donner une structure comportant un grand nombre de sections en ADN simple-brin est introduite. Comme démontré dans la 3e partie, l'hybridation spécifique de conjugués d'ADN-polymère aux sections en simple-brin de cet échafaudage d'ADN tridimensionnel permet l'assemblage efficace de cages nanostructurées d'ADN-copolymère séquencé avec une résistance améliorée aux nucléases. Dans la 4e partie, il est démontré que des cubes d'ADN en 3D non- fonctionnalisés s'accumulent efficacement dans le cytoplasme de cellules humaines du cancer du col de l'utérus (HeLa) sans l'aide d'un agent de transfection. Collectivement, ce travail développe des stratégies «économiques en ADN» pour assembler des structures d'ADN en 3D d'une manière simple et avec un excellent rendement. Ces méthodes d'assemblage jettent les bases pour l'évaluation fondamentale et l'intégration future de structures d'ADN en 3D en tant que sondes cellulaires, outils d'administration de médicaments et moyens pour aider à résoudre certains des défis auxquels sont confrontés les chercheurs en biophysique et nanosciences.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.117027 |
| Date | January 2013 |
| Creators | McLaughlin, Christopher |
| 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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