Multivalent DNA-Traptavidin Bioconjugates for Programmable Nano-Assembly

Abstract

DNA와 Protein은 응용가능한 나노구조체를 만들 수 있는 프로그램 가능한 물질이다. 비록 DNA와 Protein는 프로그램가능하며 쉽게 조작용이한 나노구조체를 제작할 수 있는 장점이 있지만, 이들은 재료 자체의 특성에 기인한 몇몇 단점을 수반하고 있다. 따라서 잘 디자인 된 DNA-Protein 혼성 물질은 각각의 장점을 이용하면서 서로의 단점을 보완해 줄 수 있는 강력한 도구가 될 수 있다. 우리는 D2 대칭성을 가지는 Traptavidin protein과 이와 높은 친화력을 가지는 서로 다른 4개의 Biotinylated DNA를 기본 재료로 사용하였고, DNA의 base-paring 상호작용을 이용하여 4번의 자성 분리방법을 통해 다수의 결합 가능한 protein-DNA 복합체를 제작하였다. 이는 4nm의 한 protein몸체에 4개 중 선택적으로 기능성을 부여할 수 있는 probe를 가진 새로운 기본단위이다. 이 복합체를 바탕으로, 우리는 DNA를 직접적으로 결합하는 방법을 이용하여 정확한 공간적 선택성으로 높은 수율의 금속성 plasmonic 구조체를 제작하였다. 기존의 DNA-mediated 방법과 달리 Traptavidin의 결합위치가 정해진 특성을 이용하여 정확하고 선택적인 addressability을 통해 asymmetrical/symmetrical plasmonic structure도 쉽게 제작하였다. 또한, 복합체를 periodic metallic nanostructure 를 만들 기 위한 template로서의 가능성을 보여주기 위하여, 우리는 복합체간의 연결을 통해 확장 된 조립체를 구현하였다. 그러므로, 우리는 예측가능하고 복잡한 구조체를 설계하기 위한 개념적으로 간단한 방법을 제시했다. 다수의 결합가능한 protein-DNA 복합체는 서로 다른 4개의 DNA의 선택성과 3차원 대칭을 가지는 Traptavidin의 구조와 함께 더 많은 조합가능성을 부여할 것이다. 이처럼, Buildingblock으로서 새로운 분류는 다기능, 프로그램가능성 그리고 동시성을 부여할 뿐만 아니라 2차원의 나노배열체 그리고 3차원의 나노구조체룰 수월하게 만들 수 있도록 할 것이다.

DNA and Protein are programmable matter for fabricating complicated nanostructures. Despite of their great potential as building-block, they have some disadvantages from their own properties. Therefore, well-designed DNA-protein hybrid material can be a synergistic tool by complementing their limitations. We choose a tetrameric protein, Traptavidin(TV), protein and four different biotinylated DNAs to conjugate identical tetrahedral binding site of TV. By conducting four magnetic separation steps through Watson-Crick base-paring interaction, we fabricated multivalent protein-DNA complexes. It is novel subunit having four different probes on one protein body which enables selective and simultaneous functionalities. From this complex, we reported a DNA-directed approach for accurate spatial positioning to make metallic plasmonic structures with high yield. We easily demonstrated asymmetrical symmetrical plasmonic nanostructures assisted by addressability specified binding sites in a TV-DNA complex. In order to show the possibility of the complex as templates for highly-ordered metallic plasmonic structures, we also demonstrated extended assembly by connecting one complex to another with well-designed DNA sequences. Thus, we proposed a conceptually simple method for predictable and complicated nanostructures. We expect that this multivalent TV-DNA complex will offer excellent platform as a buildingblock in nano-scale with addressable interaction of four different DNAs and three dimensionally symmetriccal structure of TV. As such, this novel class of buildingblocks can not only provide multifunctional,programmable and simultaneous but also platform to make 2D nanoarray and 3D nanoarchitecture.