Transfer of molecular recognition information from DNA nanostructures to gold nanoparticles

DNA nanotechnology offers unparalleled precision and programmability for the bottom-up organization of materials. This approach relies on pre-assembling a DNA scaffold, typically containing hundreds of different strands, and using it to position functional components. A particularly attractive strategy is to employ DNA nanostructures not as permanent scaffolds, but as transient, reusable templates to transfer essential information to other materials. To our knowledge, this approach, akin to top-down lithography, has not been examined. Here we report a molecular printing strategy that chemically transfers a discrete pattern of DNA strands from a three-dimensional DNA structure to a gold nanoparticle. We show that the particles inherit the DNA sequence configuration encoded in the parent template with high fidelity. This provides control over the number of DNA strands and their relative placement, directionality and sequence asymmetry. Importantly, the nanoparticles produced exhibit the site-specific addressability of DNA nanostructures, and are promising components for energy, information and biomedical applications

Sequence-defined DNA polymers: Applications in drug delivery and supramolecular assembly

DNA has gained great attention both as a biological molecule and structural building block due to its well-defined structure, molecular recognition properties and programmability. The marriage of DNA with synthetic polymers, creating DNA-polymer hybrids, has allowed the realization of novel materials with added functionalities, that could not be achieved otherwise. To date, different synthetic routes have been proposed for the generation of DNA block copolymers. However, the generation of monodisperse DNA-polymer conjugates with control over the sequence of monomer and length of strand has been a challenge. These limitations have impacted the potential applications of DNA-polymer conjugates, where structural polydispersity has limited their use in drug delivery and materials science. Recently, a new class of monodisperse sequence-defined DNA-polymers has been reported. This thesis examines this new class of DNA-polymer hybrids in the context of drug delivery and supramolecular assembly. Using this DNA-polymer platform, different strategies that address key challenges of self-assembled materials in drug delivery are investigated. Firstly, the examination of DNA nanoparticles as a structurally monodisperse drug delivery platform is described. Detailed investigation of the stability of structures, cellular uptake, and in vitro activity demonstrates the high efficacy of drug-loaded structures. Additionally, in vivo studies of this system show full-body biodistribution, long circulation times and tumor accumulation in mouse models. The great potential of these DNA-polymer vehicles as a general platform for chemotherapeutic drug delivery is highlighted. Secondly, different approaches to tackle limitations of nanocarrier-based delivery systems are investigated. Through a range of optimization studies to our first-generation DNA nanoparticle system, we show progress towards creating a highly functional "smart" delivery platform for biomedical applications. Thirdly, an application of sequence-defined DNA polymers in supramolecular assembly in described. A discovery is reported where the site-specific introduction of a single cyanine dye into DNA-polymer conjugates causes a complete morphological shift from spheres to 1D nanofibers with controlled length and dimensionality. DNA fibers are formed through a seeded growth mechanism and can also be used as bioanalytical tools due to changes in their optical properties upon assembly. These structures also form complex hierarchical hybrid structures when combined with other nanomaterials. Overall, this thesis provides a critical evaluation of the exciting applications of this new class of DNA-polymers, highlighting approaches to tackle the challenges of nanomaterials at the interface of biomedicine and materials science.L'ADN éveille la curiosité des scientifiques au-delà de ses propriétés biologiques : des groupes de recherches utilisent la molécule d'ADN comme un matériau de construction moléculaire. En effet, l'information contenue dans sa structure lui confère des propriétés de reconnaissance moléculaire et une très grande programmabilité. L'ajout de polymères synthétiques sur des brins d'ADN a permis la création de nouveaux matériaux et de structures auto-assemblées aux propriétés uniques. Jusqu'à aujourd'hui, différentes voies ont été développées pour la synthèses de ces matériaux hybrides. Cependant, il reste encore difficile de contrôler précisément, lors de la synthèse, la séquence et la longueur du copolymère. La polydispersité du produit obtenu a ainsi limité l'utilisation de ces conjugués en chimie des matériaux ou pour des applications thérapeutiques. Récemment, nous avons développé une méthode de synthèse de polymères hybrides qui permet de contrôler précisément la séquence à l'échelle moléculaire. Ces polymères forment des structures monodisperses. Dans cette thèse, nous proposons d'examiner les propriétés d'auto-assemblage de ces matériaux hybrides à la séquence connue et définie, ainsi que leur utilisation comme système d'administration de médicaments. Dans le premier chapitre, nous présentons une méthode pour encapsuler un agent anti-cancéreux dans des structures micellaires. Nous avons étudié la stabilité de ces nanoparticules en milieu biologique ainsi que leur internalisation dans les cellules. Les résultats in vitro ont montré que les particules pouvaient détruire les cellules cancéreuses en libérant le principe actif. Enfin, des expériences sur des modèles de souris ont révélées que la particule circulait à travers tout le corps, possédait une grande stabilité et s'accumulait dans les tissus cancéreux. Dans une deuxième partie, nous avons cherché à améliorer les propriétés du système d'encapsulation développé précédemment, afin de créer une particule intelligente. Les expériences ont révélé le potentiel de ces véhicules de seconde-génération dans l'administration de médicaments. Enfin, nous avons étudié les propriétés d'assemblage de polymères à séquence contrôlée. Nous avons introduit une molécule de cyanine dans le conjugué ADN-polymère causant un changement de morphologie. L'insertion de la molécule dans la séquence conduit à la formation de nanofibres, au lieu de sphères, dont on peut contrôler la longueur et la dimension. Une étude mécanistique a révélé que ces fibres d'ADN se formaient à partir d'un noyau moléculaire (mécanisme par nucléation). Lors de l'assemblage, les propriétés optiques de la structure changent, ce qui rend ces matériaux intéressants pour des applications bio-analytiques. Finalement, nous avons utilisé ces structures en combinaison avec d'autres nanomatériaux afin de créer des structures hybrides d'une très grande complexité. En conclusion, cette thèse propose d'étudier différentes applications des conjugués ADN-polymères, en apportant de nouvelles solutions aux défis actuels dans le développement de nanomatériaux utilisés en biomédecine et en chimie des matériaux

Cyanine-Mediated DNA Nanofiber Growth with Controlled Dimensionality

Supramolecular one-dimensional (1D) architectures are of high interest in drug delivery and templation of complex linear arrays due to their high aspect ratio and rigidity. A particular desire is the access of 1D nanostructures with high functionality and biorelevance, which opens the door to  their applications in materials science and nanomedicine. Here we report the discovery that the site-specific introduction of a cyanine (Cy3) dye unit in sequence-defined DNA amphiphiles causes a complete shift of the overall structure from spheres to 1D DNA nanofibers in aqueous media. We show that the generation of DNA nanofibers is dependent on the presence of cyanine units and their position within the DNA–polymer hybrid. We further demonstrate an example of stimuli-responsive shape-shifting DNA nanofibers to highlight the role of the dye in the overall assembly. Notably, we show the preparation of fibers with controlled length by seeded-growth mechanism. Additionally, the DNA nanofibers exhibit a change in Cy3 dye optical properties upon assembly, typical of cyanine dye aggregation, which can be used to monitor the fiber growth process. To demonstrate the functionality of these structures, we show the templation of gold nanoparticles (AuNP) along the fiber length and demonstrate the directional templation of DNA nanofibers on rectangular DNA origami. Our findings provide a method for generating functional nanomaterials and hierarchical complex architectures and show promise as a platform for biosensing and targeted drug delivery