Moléculas de DNA (ácido desoxirribonucleico) na forma de uma única fita
(ssDNA) ou na forma de uma dupla fita (dsDNA) interagem fortemente com nanotubos
de carbono de parede única (SWNT) por meio de interações não covalentes. Em certas
condições a molécula de DNA se auto-organiza em um enrolamento helicoidal em torno
da estrutura tubular dos nanotubos, formando um híbrido DNA/SWNT muito estável e
solúvel em água. Este sistema tem, recentemente, recebido grande atenção, pois, além
de permitir a desagregação e a solubilização de SWNTs individuais em solução aquosa,
os híbridos DNA/SWNTs são candidatos promissores para uma série de aplicações em
nanotecnologia e biologia molecular. As possíveis aplicações para este sistema, todavia,
requerem uma compreensão mais detalhada do mecanismo de interação entre a
biomolécula e o SWNT, que ainda não está bem descrito na literatura.
Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo estudar a interação não
covalente em meio aquoso de SWNTs com segmentos sintéticos de DNA que possuam
número e seqüência de bases nitrogenadas definidos. Inicialmente os estudos se
concentraram na interação de seqüências do tipo poli d(GT)n (com n= 10, 30 e 45), que
contêm bases guanina e timina alternadas, cuja eficiência para dispersar e separar
nanotubos de carbono já foi demonstrada. Além do tamanho das seqüências, foi também
estudada para estes sistemas a influência da força iônica e do pH do meio.
Posteriormente, foi investigada a interação de moléculas de DNA contendo apenas um
tipo de base (homopolímeros de DNA) poli dA20, poli dT20, poli dC20 e da mistura poli
dA20:dT20, seqüências até o início do estudo ainda não reportadas, em detalhes, na
literatura.
A maior parte dos estudos foi realizada com SWNTs de diâmetros pequenos
(entre 0,7 - 1,2 nm), sintetizados pelo método HiPcoÒ. Em alguns estudos foram
também investigados SWNTs de diâmetro em torno de 1,4 nm produzidos pelo métodos
de ablação a laser e arco elétrico, sendo este último funcionalizado com grupos
carboxila (-COOH) devido ao processo de purificação em ácido forte. A eficiência dos
segmentos de DNA para dispersar SWNTs em água foi ainda investigada através de
comparação com agentes dispersantes conhecidos, como dodecilsulfato de sódio (SDS),
dodecilbenzenosulfanato de sódio (NaDDBS) e colato de sódio (NaC).
Em relação ao sistema HiPco/d(GT)n foi demonstrado, pela primeira vez, que a
força iônica é fator determinante na interação, existindo um valor mínimo para que ela
ocorra. A partir de certa concentração de sal (NaCl), a agregação entre as biomoléculas
é promovida, diminuindo a quantidade de nanotubos que pode ser colocada em
suspensão. Através de medidas de absorção no UV-vis-NIR foi determinada a
quantidade de NaCl ótima para os diferentes tamanhos de seqüência no pH fisiológico
(pH=7,4).
Através de medidas de dicroísmo circular (CD), foi demonstrado, pela primeira
vez, que SWNTs induzem uma mudança clara da conformação dos oligômeros d(GT)n.
Estes transitam da configuração com hélice no sentido horário (dextrógira), quando
estão livres, para a configuração de hélice no sentido antihorário (levógira), após a
interação com os tubos. Observamos que a conformação assumida pelas seqüências
d(GT)n depende fortemente da presença de grupos químicos na superfície dos SWNTs e
do potencial iônico do meio. Resultados de FT-IR, absorção no UV-Vis e CD indicaram
que grupos carboxílicos ligados à superfície do SWNT orientam a organização da fita
de d(GT)n de forma bem distinta daquela observada para os nanotubos sem
funcionalidades. Para o sistema SWNT-COOH/d(GT)20 a mudança conformacional do
sentido horário para o anti-horário só ocorreu depois da adição de HgCl2 ao sistema.
Estes resultados alertam para as modificações das propriedades químicas de nanotubos
de carbono submetidos a tratamentos drásticos de purificação. Para os
homonucleotídeos, os resultados de CD também indicam mudanças na organização
helicoidal das moléculas com pronunciada estruturação das hélices após a interação com
os SWNTs. Medidas de eletroforese em gel demonstraram que o DNA apresentava-se
na forma de fita dupla apenas no sistema poli dA20:dT20. Por medidas de absorção
óptica, demonstramos que poli dA20:dT20 foi menos eficiente na obtenção de SWNTs
em suspensão, o que sugere que a interação acontece preferencialmente com ssDNA.
Também foi demonstrado neste estudo, por meio de medidas de espalhamento
Raman ressonante e de absorção na região do IV próximo (NIR), respectivamente, que a
interação com DNA provoca deslocamentos (DE) nas energias de transição óptica E11 de
SWNTs metálicos e semicondutores maiores do que aqueles observados para os outros
agentes dispersantes investigados. Os valores de DE para a transição E11 apresentaram
relação com o diâmetro, aumentando à medida que o diâmetro dos tubos aumenta. Com
as medidas feitas, não foram observadas, entretanto, evidências de transferência de
carga do DNA para os nanotubos, como recentemente sugerido em um estudo teórico. / Single- and double-stranded DNA (deoxyribonucleic acid) molecules can strongly
bind to single-walled carbon nanotubes (SWNT) via non-covalent interactions. Under
certain conditions, the DNA molecule spontaneously self-assembles into a helical
wrapping around the tubular structure of the carbon nanotubes to form DNA/SWNT
hybrids, which are both stable and soluble in water. This system has recently received
extensive attention, since, besides rendering SWNTs dispersable in water as individual
tubes, the DNA hybrids are very promising candidates for many applications in
nanotechnology and molecular biology. All the possible applications for DNA-SWNT
hybrids require, however, a fully understanding of DNA-nanotube wrapping mechanism
which is still lacking in the literature.
In this context, the aim of this work was to investigate the non-covalent interaction
in aqueous medium between SWNTs and synthetic DNA segments having a known
nucleotide sequence. Initially, the study was focused on poly d(GT)n sequences (n = 10,
30 and 45) that contain a sequence of alternating guanine and thymine bases and for
which the efficiency to disperse and separate carbon nanotubes has already been
demonstrated. Besides the size of GT sequences, the effects of ionic strength and pH in
the interaction were also investigated. Afterwards, we studied the interaction of SWNT
with DNA molecules that contain only a single type of nitrogenous base (DNA
homopolymers), which has not been reported in details in the literature. We investigated
homopolymers of poly dA20, poly dT20, poly dC20 and the duplex poly dA20:dT20.
Most of the study was carried out with small-diameter HiPcoÒ SWNTs (with
diameters between 0.7 and 1.2 nm). In some studies, SWNTs with diameter around 1.4
nm, synthesized via laser ablation and arc-discharge methods, were also investigated.
The arc-discharge nanotubes used in this study were functionalized with carboxylic
groups (-COOH) due to their purification using strong acid solutions. The efficiency of
DNA segments to disperse SWNT was further investigated through the comparison with
known dispersant agents such as sodium dodecyl sulfate (SDS), sodium dodecylbenzene
sulfonate (NaDDBS) and sodium cholate (NaC).
Concerning to HiPco/d(GT)n system, it was demonstrated, for the first time, that
the ionic strength plays an important role in the interaction, there being a minimum
value below which the DNA wrapping does not take place. Above a certain NaCl
concentration, the aggregation of biomolecules is promoted, decreasing the number of
suspended nanotubes in the solution. Through optical absorption measurements, the
optimal NaCl concentration at physiological pH (pH=7.4) was determined for each one
of the sequences studied.
By circular dichroim (CD) measurements, it was demonstrated, for the first time,
that SWNTs induce a clear conformational change of d(GT)n oligomers. These
sequences undergo a transition from the right-handed configuration (dextrorotatory),
when they are free, to the left-handed one (laevorotatory), after the interaction with the
tubes. We further demonstrate that the conformation assumed by the d(GT)n sequences
is dependent on the chemical groups attached to the SWNT surfaces and the ionic
strength. FT-IR, UV-Vis absorption and CD results suggest that carboxilic groups drive
the poly d(GT)10 strand to assembly onto the carbon nanotube side-walls in a
completely different way than do nanotubes without functionalization. For the SWNTCOOH/
d(GT)20 system, the change from right- to left-handed conformation was only
observed after the addition of HgCl2. These results alert for the necessity to check the
chemical properties of carbon nanotubes submitted to strong purification procedures.
For homopolymeric single-stranded DNA molecules, the CD results also indicate
pronounced changes on the helical organization upon interaction with SWNTs. Agarose
gel electrophoresis study showed the presence of double-stranded DNA only in poly
dA20:dT20 system. Through optical absorption measurements, it was also demonstrated
that poly dA20:dT20 has the smallest dispersion efficiency, which provides strong
evidence that DNA/SWNT interaction is more favorable for single-stranded DNAs.
By using resonant Raman scattering and optical absorption in the near-red region, it
was demonstrated that the interaction with DNA oligonucleotides causes shifts (DE) in
the first set of optical transition energies (E11) for metallic and semiconducting SWNTs
greater than those observed for the other dispersant agents. The DE values depend on
the tube diameter, increasing with increasing SWNT diameter. However, any evidence
for charge transfer between bases and the nanotube surface, as recently suggested in a
theoretical study, could be observed.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:bdtd.cdtn.br:61 |
| Date | 31 August 2007 |
| Creators | Valdirene Sullas Teixeira Peressinotto |
| Contributors | Adelina Pinheiro Santos, Marcos Assunção Pimenta, Antônio Cláudio Herrera Braga, Clascídia Aparecida Furtado |
| Publisher | CNEN - Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear, Belo Horizonte, CTMA - Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia das Radiações, Minerais e Materiais, CDTN, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do CDTN, instname:Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear, instacron:CDTN |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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