Synthesis and Application of Nucleolipids for the Lipophilization of Nucleic Acids and Their Interaction and Duplex Formation at Horizontal Lipid-Bilayers and Phase Boundaries for the Development of a Novel RNA/DNA Analytics

Ziel der vorgestellten Arbeit war die Synthese von Nucleolipiden zur Lipophilisierung von Oligonucleotiden sowie deren Untersuchung im Hinblick auf ihre Wechselwirkung und Duplex-Bildung an horizontalen Lipidmembranen und verschiedenen Phasengrenzen zur Entwicklung eines neuartigen Bio-Chips für die RNA/DNA-Analyse. Mit der Synthese N(3)-prenylierter und 2’,3’-O-ketalisierter Pyrimidinbasen Uridin und Methyluridin wurden Nucleolipid-Bausteine dargestellt, die auch als terminale Kopfgruppen eines Oligonucleotid-Dodecamers den lipophilen Charakter dieser Oligonucleotid-Sequenz erhöhten. Für den Einsatz solcher LONs (Lipo-Oligonucleotide) in einer vereinfachten RNA/DNA-Analytik wurde eine Vielzahl von Lipo-Oligonucleotiden mit diversen Nucleolipid-Kopfgruppen synthetisiert und auf ihr Einlagerungsverhalten in künstliche Lipid-Bilayer untersucht. Fluoreszenz-spektroskopische Untersuchungen zeigten, dass alle Lipo-Oligonucleotide in der Lage sind, sich in künstliche Lipid-Bilayer einzulagern. Abhängig von der Struktur, der Länge und der Anzahl der C-Atom-Ketten dieser lipophilen Anker-Bausteine wurden die Geschwindigkeit und die Festigkeit der Verankerung im Lipid-Bilayer beeinflusst. Des Weiteren wurde die Hybridisierung von LONs mit komplementären Oligomeren an Lipidmembranen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die im Bilayer verankerten Lipo-Oligonucleotide mit komplementären Oligomeren DNA-Duplexe bilden. Die hybridisierte DNA wurde nicht nur über einen kovalent gebundenen Cy5-Fluorophor am Gegenstrang nachgewiesen, sondern auch über den DNA-Interkalator SYBR Green I (SG). Am Beispiel von zwei Lipo-Oligonucleotiden (LON 20 und 23), die sich schnell und fest in der Bilayermembran verankern, konnte eine spontane Akkumulation dieser LONs an CHCl3/H2O sowie H2O/n-Decan Grenzflächen direkt nach der Probenzugabe beobachtet werden. Diese und andere Ergebnisse stützen den Einsatz von Lipo-Oligonucleotiden als Ziel-Oligomere in einem neuartigen RNA/DNA-Nachweisverfahren an Phasengrenzen

Terminal lipophilization of a unique DNA dodecamer by various nucleolipid headgroups: Their incorporation into artificial lipid bilayers and hydrodynamic properties

A series of six cyanine-5-labeled oligonucleotides (LONs 10–15), each terminally lipophilized with different nucleolipid head groups, were synthesized using the recently prepared phosphoramidites 4b–9b. The insertion of the LONs within an artificial lipid bilayer, composed of 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC) and 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (POPE), was studied by single molecule fluorescence spectroscopy and microscopy with the help of an optically transparent microfluidic sample carrier with perfusion capabilities. The incorporation of the lipo-oligonucleotides into the bilayer was studied with respect to efficiency (maximal bilayer brightness) as well as stability against perfusion (final stable bilayer brightness). Attempts to correlate these parameters with the log P values of the corresponding nucleolipid head groups failed, a result which clearly demonstrates that not only the lipophilicity but mainly the chemical structure and topology of the head group is of decisive importance for the optimal interaction of a lipo-oligonucleotide with an artificial lipid bilayer. Moreover, fluorescence half-live and diffusion time values were measured to determine the diffusion coefficients of the lipo-oligonucleotides

Spontane Akkumulation lipophiler Oligonucleotide an der flüssig/flüssig-Phasengrenze

Assembly of lipo-oligonucleotide at a phase boundary of water and n-decane

Specific DNA duplex formation at an artificial lipid bilayer: fluorescence microscopy after Sybr Green I staining

The article describes the immobilization of different probe oligonucleotides (4, 7, 10) carrying each a racemic mixture of 2,3-bis(hexadecyloxy)propan-1-ol (1a) at the 5’-terminus on a stable artificial lipid bilayer composed of 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (POPE) and 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC). The bilayer separates two compartments (cis/trans channel) of an optical transparent microfluidic sample carrier with perfusion capabilities. Injection of unlabeled target DNA sequences (6, 8, or 9), differing in sequence and length, leads in the case of complementarity to the formation of stable DNA duplexes at the bilayer surface. This could be verified by Sybr Green I double strand staining, followed by incubation periods and thorough perfusions, and was visualized by single molecule fluorescence spectroscopy and microscopy. The different bilayer-immobilized complexes consisting of various DNA duplexes and the fluorescent dye were studied with respect to the kinetics of their formation as well as to their stability against perfusion

Incorporation of lipophilic nucleic acid single strands with different nucleolipid head groups into an artificial lipid bilayer

The video presents a new bilayer technique used for the insertion and immobilization of Cy-5 - labelled lipo oligonucleotides (LONs) into artificial lipid membranes. The structure and lipophilicity of the nucleolipid head group is varied