Reprogramming the assembly of unmodified DNA with a small molecule

The ability of DNA to store and encode information arises from base pairing of the four-letter nucleobase code to form a double helix. Expanding this DNA ‘alphabet’ by synthetic incorporation of new bases can introduce new functionalities and enable the formation of novel nucleic acid structures. However, reprogramming the self-assembly of existing nucleobases presents an alternative route to expand the structural space and functionality of nucleic acids. Here we report the discovery that a small molecule, cyanuric acid, with three thymine-like faces reprogrammes the assembly of unmodified poly(adenine) (poly(A)) into stable, long and abundant fibres with a unique internal structure. Poly(A) DNA, RNA and peptide nucleic acid all form these assemblies. Our studies are consistent with the association of adenine and cyanuric acid units into a hexameric rosette, which brings together poly(A) triplexes with a subsequent cooperative polymerization. Fundamentally, this study shows that small hydrogen-bonding molecules can be used to induce the assembly of nucleic acids in water, which leads to new structures from inexpensive and readily available materials

Reprogramming and manipulating DNA assembly using simple self-assembly principles

Supramolecular chemistry is the "chemistry of molecular information". Information stored in the structural features of molecules is recognized and processed at the supramolecular level and drives the ever more complex organization of matter – from the formation of simple host-guest complexes, to the assembly of viral capsids and the emergence of life itself. The work presented in this thesis uses basic principles governing intermolecular interactions to manipulate the assembly of DNA, a molecule that exemplifies the concept of information storage in its structure. In Chapter 2, simple molecular recognition principles are applied to expand the DNA base-pairing alphabet. A small molecule, cyanuric acid, with three thymine-like faces, is determined to reprogram the assembly of poly(adenine) strands into micron-long fibers with a unique internal structure. Adenine residues and cyanuric acid molecules are shown to associate into hexameric rosettes that bring about the formation of poly(adenine) triplexes and subsequent polymerization into nanofibers. Fundamentally, this finding demonstrates that a small molecule can induce nucleic acid assembly, giving rise to a new type of structure from inexpensive, readily available materials. Further examination of the mechanisms involved in nanofiber formation in Chapter 3 uncovers that the supramolecular polymerization of poly(adenine) strands proceeds through a cooperative mechanism. A new methodology to analyse thermal hysteresis profiles provides a quantitative understanding of the kinetics and thermodynamics of the assembly process. In addition, key parameters influencing assembly are identified and can be tuned to modify nanofiber properties in potential nanomaterials applications. While hydrogen bonding and π-stacking interactions dominate the co-assembly of poly(adenine) and cyanuric acid described in Chapters 2 and 3, a different combination of intermolecular interactions is used to manipulate the long-range assembly of DNA nanostructures into ordered networks in Chapter 4. Blunt-ended DNA tiles, or tiles lacking complementary single-stranded portions at the duplex ends, with and without a cholesterol anchoring moiety, are interfaced with lipid bilayers, a soft support with composition-dependent properties. The balance of pi-stacking interactions between DNA duplex ends, cholesterol-mediated nanostructure anchoring, electrostatic DNA binding to the bilayer surface, and the fluid nature of the lipid bilayer enable the formation of dynamic materials with long-range order and tunable morphology on a cell membrane-like support. In turn, these lattices represent a tool for organizing materials such as nanoparticles or proteins at a biological interface, with potential applications in cellular recognition, development of model systems for study of membrane proteins or plasmonics. Altogether, this thesis demonstrates that information encoded in molecular building blocks and the interplay between intermolecular interactions can be used to manipulate the assembly and long-range organization of DNA to achieve new structures and higher complexity.La chimie supramoléculaire est aussi appelée la « chimie de l'information moléculaire ». L'information structurelle des molécules est reconnue et traitée au niveau supramoléculaire, entraînant ainsi la complexification de l'organisation de la matière – de la formation de simples composés d'inclusion à l'émergence de la vie elle-même. Le travail présenté dans cette thèse applique les principes fondamentaux régissant les interactions intermoléculaires pour manipuler l'assemblage de l'ADN, un archétype du stockage de l'information dans la structure moléculaire. Dans le Chapitre 2, des principes élémentaires de reconnaissance moléculaire sont appliqués pour élargir l'alphabet d'appariement de bases d'ADN. L'acide cyanurique, une petite molécule à trois faces de type thymine, est utilisé pour reprogrammer l'assemblage de brins de poly(adénine) en fibres d'une longueur de l'ordre du micromètre avec une structure interne unique. Nos résultats indiquent que l'association des unités d'adénine et d'acide cyanurique forme des rosettes hexamériques, entraînant ainsi la formation de triple-hélices de poly(adénine) et leur polymérisation subséquente en nanofibres. Fondamentalement, cette découverte démontre qu'une petite molécule peut induire l'assemblage de brins d'ADN, formant ainsi une nouvelle structure à partir de matériaux peu coûteux et abondants. Dans le Chapitre 3, des études visant les mécanismes impliqués dans la formation des nanofibres révèlent que la polymérisation supramoléculaire des brins de poly(adénine) avec l'acide cyanurique passe par un mécanisme coopératif. Une nouvelle méthodologie d'analyse de profils d'hystérèse thermique fournit une compréhension quantitative plus approfondie de la cinétique et de la thermodynamique du processus d'assemblage. Certains paramètres clés qui influencent l'assemblage sont également identifiés et peuvent être modifiés afin d'ajuster les propriétés des nanofibres et de développer des applications potentielles en tant que nanomatériaux. Alors que les liaisons hydrogène et les interactions entre cycles aromatiques dominent le co-assemblage de poly(adénine) et d'acide cyanurique décrit dans les Chapitres 2 et 3, une combinaison différente d'interactions intermoléculaires est utilisée pour manipuler l'assemblage de tuiles d'ADN en réseaux ordonnés à grande échelle dans le 4e Chapitre. Ainsi, des tuiles d'ADN à extrémités franches, c'est-à-dire sans ajout de portions d'ADN complémentaire aux extrémités, sont modifiées avec une molécule de cholestérol servant d'ancre hydrophobe. L'étude de l'interface entre ces tuiles, modifiées ou non, et des bicouches lipidiques, supports souples avec des propriétés dépendantes de la composition, est entreprise. L'équilibre des interactions entre cycles aromatiques joignant les extrémités des duplex, l'ancrage de la nanostructure médié par le cholestérol et les liaisons électrostatiques de l'ADN à la surface de la bicouche permet de construire des matériaux dynamiques ordonnés à grande échelle, permettant aussi d'obtenir des morphologies ajustables. À leur tour, ces réseaux représentent un outil pour organiser des matériaux tels que des nanoparticules ou des protéines à une interface biologique, avec des applications potentielles dans la reconnaissance cellulaire, le développement de systèmes modèles pour l'étude de protéines membranaires ou les systèmes plasmoniques. En somme, cette thèse démontre que l'information structurelle codée dans des blocs de construction moléculaires et un juste équilibre d'interactions intermoléculaires peuvent être utilisés pour manipuler l'assemblage de l'ADN et son organisation à plus grande échelle

Long-Range Ordering of Blunt-Ended DNA Tiles on Supported Lipid Bilayers

Long-range ordering of DNA crossover tiles with blunt ends on lipid bilayers is investigated using atomic force microscopy. “Blunt-ended” tiles do not have single-stranded complementary ends, and thus instead of assembling via base-pairing, they can interact by π-stacking of their duplex ends. This work demonstrates that the balance of base π-stacking interactions between the ends of DNA duplexes, cholesterol-mediated DNA anchoring, and electrostatic DNA binding to supported lipid bilayers (SLBs) presents an opportunity to build dynamic materials with long-range order on a soft support. The tiles are shown to organize into novel tunable surface packing morphologies on the micrometer scale. This work focuses on three-point star (3PS) tiles that are either unmodified or modified with a cholesterol unit and investigates their interactions on supported lipid bilayers. On fluid bilayers, the cholesterol tiles form extended hexagonal arrays with few defects, while the unmodified tiles do not bind. In contrast, both modified and unmodified tiles bind to gel-phase bilayers and produce arrays of new organized morphologies. With increasing tile concentration, we observe a range of motifs, that progressively favor tile–tile packing over duplex-end π-stacking. These structures can selectively pattern domains of phase-separated lipid bilayers, and the patterning is also observed for four-arm cross-tiles. Dynamic blunt end contacts promote error correction and network reconfiguration to maximize favorable interactions with the substrate and are required for the observed tile organization. These results suggest that small blunt-ended tiles can be used as a platform to organize oligonucleotides, nanoparticles, and proteins into extensive networks at the interface with biologically relevant membrane systems or other soft surface materials for applications in cellular recognition, plasmonics, light harvesting, model systems for membrane protein assemblies, or analytical devices