DNA관능화양자점

양자 점의 DNA 기능화는 DNA 가닥이 양자 점의 표면에 부착되는 것이다.카드뮴(Cd)을 가진 양자 도트는 세포독성 방출이 있지만, 연구자들은 생체적합성을 위해 양자 도트를 기능화하고 두 물질의 장점을 결합하기 위해 그것들을 DNA에 결합시켰다.양자 점은 빛에 의해 흥분될 때 뛰어난 광학 특성 때문에 생체외 및 생체내 생물 시스템을 촬영하는 데 일반적으로 사용되는 반면, DNA는 유전 공학, 자기 조립 나노 구조, 단백질 결합 및 바이오 마커를 포함한 수많은 생물 공학 응용 분야를 가지고 있습니다.DNA의 화학적, 생물학적 과정을 시각화하는 능력은 피드백이 이러한 작은 규모의 ^[1]^[2]행동을 최적화하고 학습할 수 있도록 한다.

그림 1: 자외선에 의해 들뜬 노란색과 밝은 파란색 빛을 내는 퀀텀 도트 솔루션(캘리포니아 폴리테크닉 San Luis Obispo에서 제조)

배경

양자 도트는 형광체뿐만 아니라 매우 잘 작동하는 무기 나노 결정 반도체입니다.생물학 분야에서 형광체는 세포 수준에서 살아있는 생물학적 시스템 내부를 들여다볼 수 있는 몇 안 되는 도구 중 하나입니다.형광체로서 퀀텀닷의 크기는 방출되는 빛의 파장을 직접 반영하기 때문에 매우 조정성이 높은 색 스펙트럼을 가능하게 한다.양자 닷의 크기는 조절할 수 있고 크기가 커지면 파장 범위가 커지기 때문에, 연구자들은 이 기술로 세포와 세포 이하의 수준에서 그림을 그릴 수 있다.일반적인 CdSe-ZnS 양자 닷의 현재 문제는 Cd가 세포에 독성이 있다는 것입니다.^[3]

그림 2: 클린룸에서 사용하는 방독면

이 문제를 방지하기 위해 연구진은 CD가 없는 양자 도트("CFQD")의 개발 외에도 생체적합성을 위해 양자 도트 표면을 수정하는 방법을 개발하고 있습니다.독성을 제한하기 위한 표면 개조가 이루어진 후, 입자는 하이드로겔 또는 생체공역층으로 한층 더 피복되어 선택적으로 DNA에 결합할 수 있으며, 이는 세포 또는 분자 레벨 ^[2]검출에 사용될 수 있다.

그림 3: DNA에 결합된 유기 단백질로 코팅된 퀀텀 닷의 개요

표면 수정 방법

양자 도트의 하이드로겔 캡슐화

CdSe 코어의 독성 카드뮴 이온을 코팅하기 위해 하이드로겔층을 사용하여 생체적합성을 위한 양자 닷을 코팅할 수 있다.이 경우 외부 ZnS 쉘의 목적은 기능성 양자 도트 불소 포자의 형광 강도를 유지하는 것 외에 매달링 결합과 상호작용하는 것입니다.하이드로겔 캡슐화 내에서 ZnSe 쉘 표면은 미셀의 소수성 내부에 결합하도록 대전되어 친수성 외관이 수용액(즉 인체 및 대부분의 다른 생물학적 시스템)과 접촉할 수 있다.하이드로겔층은 DNA 또는 다른 유기물질의 단순화된 중간 결합으로 작용합니다.

양자 점의 생물 결합

또 다른 표면 수식 유형은 생체 결합이다.이 방법은 양자점 주위에 보호막을 형성하기 위해 서로 공유 결합되어 있는 두 개의 생체 분자를 사용합니다.소수성 생물결합은 분해를 일으킬 수 있는 체내 공급원에 의한 양자 닷 구조의 분해를 억제한다.생체공역체는 구조물의 표면에 친화성 리간드를 부착함으로써 더욱 맞춤화할 수 있다.이러한 배위자는 양자점이 다양한 항원에 결합할 수 있도록 하며 특정 세포를 목표로 하는 데 사용될 수 있습니다.이게 종양 타겟팅의 구동 장치야

배위배위자 및 양친매성 폴리머를 이용하여 생체결합을 통해 코어셸 CdSe-ZnS 양자점을 보호할 수 있다.한 연구는 트리-n-옥틸포스핀 산화물(TOPO)을 배위자로 사용했으며, 소수성 탄화수소 측쇄를 가진 2개의 소수성 세그먼트와 1개의 친수성 세그먼트로 구성된 트리블록 폴리머 구조를 사용했다.TOPIx와 고분자 탄화수소 간의 강한 소수성 상호작용은 두 층이 서로 "접합"되어 소수성 보호 구조를 형성합니다.이 구조는 생체 내 분해의 일반적인 방법인 가수분해와 효소에 의한 분해에 저항한다.이 생체결합층은 1.0M ^[4]염산처리 후에도 광범위한 pH(1~14), 염분조건(0.01~1.0M)에서 양자점광학적 특성을 보호한다.

카르복실 부속품

그림 4: 산화아연, 카르복실기 및 올리고뉴클레오티드로 코팅된 퀀텀 닷으로 DNA 결합 가능.

카르복실기는 산화아연으로 코팅된 양자 점의 표면에 고정될 수 있다.카르복실기와 아미노기 사이에 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)-카르보디이미드(EDC)^[5]의 존재 하에서 형성된 아미드 결합에 의해 카르복실기에 공유 결합하기 위해 첨가된 아미노기로 DNA의 단일 가닥을 수식할 수 있다.카르복실기에 대한 단일 가닥 DNA의 결합에 영향을 미칠 수 있는 인자는 pH와 이온 강도이다.pH는 공유 결합을 형성할 수 있는 양성자 수를 결정하며, pH가 높아질수록 존재하는 양성자는 줄어듭니다.이것은 각 양자점에 결합하는 DNA 가닥의 수를 줄여줍니다.이온 강도가 낮을수록 더 안정적인 양자 점이 생기지만, DNA 가닥이 서로 밀어내는 원인이 되기도 합니다.양자 도트당 10개 이상의 DNA 가닥에 대한 최적의 결합 조건은 pH가 7이고 이온 강도가 0M이다.^[6]중성 pH가 7이면 아미노변형 DNA의 공유 결합을 촉진할 수 있는 카르복실기의 양성자가 충분하지만 콜로이드를 불안정하게 만들 수 있는 양성자는 충분하지 않다.

분자간 힘

양자 점의 표면에 DNA를 추가하는 것은 비결합 양자 점 사이에서 일어나는 분자 간 힘을 변화시킨다.양자점 사이의 분자간 힘을 변화시키면 수성 조건에서의 양자점 사용에 중요한 많은 특성이 바뀔 수 있다.양자 닷의 표면이 DNA와 결합함에 따라 콜로이드 안정성 및 용해성에 영향을 준다.

콜로이드 안정성

DNA와 결합된 양자 도트는 양자 도트-DNA 결합체의 콜로이드 안정성에 영향을 미치는 정전기 반발력과 반데르발스 힘을 받는다.DNA를 양자 닷의 표면에 결합하면 양자 닷의 안정성이 높아집니다.DNA 사슬은 양자 점의 표면보다 더 많은 정전기적 반발을 제공하며, 이는 점들이 모여 용액에서 떨어지는 것을 방지합니다.콜로이드 안정성은 DLVO^[7] 방정식으로 계산한 두 입자 사이의 총 상호작용 에너지로부터 추정됩니다.

$\ displaystyle \ V _ { t } = V _ { vdW } + V _ { es }$

V는_es 각 입자의 전기 이중층에서 두 개의 동일한 구면 입자 사이의 정전 반발력입니다.그것은 다음과 같이^[6] 계산된다.

$\displaystyle \ V_{es}=2\pi \ilon _{0}\ilon R_{P}\psi ^{2}ln[1+exp(\kappa h)]}$

장소:

$(\displaystyle$ h $)$ 는 $h$ 두 입자 사이의 분리입니다.
$R_{P}$ P $(\$ 는 $R_{P}$ 입자의 반지름입니다.
$\epsilon \epsilon _{0}$ 0 $($ 0 $\epsilon \epsilon _{0}$ }은 물의 유전율이다.
$§$ $(\displaystyle$ \psi $)$ 는 $\psi$ 표면 전위입니다.
$§$ ${\displaystyle$ \kappa $}$ 는 $\kappa$ 역 데비 길이입니다.

V는_vdW 모든 입자 사이의 인력이다.반데르발스 힘은 다음 방정식으로^[6] 계산된다.

${\displaystyle\V_{vdW}={A_{H} \over 6} [ln{h(4R_{P}+h) \over (2R_{P}+h)^{2} + {(2R_{P}^{2}) \over h(4R_{P}+h) + {(2R_{P}^2} \over (2R_{P}^{2)$

어디에

$\$ $H}}$ 은 $A_{H}$ (는) 유효한 해머 상수입니다.

양자 닷의 콜로이드 안정성은 pH 및 이온 강도의 변화에 따라 달라질 수 있습니다.전반적으로, DNA 결합은 정전기 및 입체적 반발을 제공함으로써 양자 닷의 안정성을 증가시켜 판데르발스 ^[6]힘에 의한 입자 집적을 방지한다.

용해성

많은 생물학 관련 응용 분야에서 양자점을 사용하기 위해서는 양자점이 수용성 환경에서 용해되어야 한다.양자점이 물에 용해되기 위해서는 양친매성 배위자가 양자점 표면에 있어야 한다.DNA는 ^[1]양친매성이기 때문에 가용화 배위자로 사용될 수 있다.이것은 DNA로 기능하는 양자점을 생물학 및 의학 연구에서 종종 발견되는 수성 조건에서 사용할 수 있게 한다.생물학적 시스템에서 양자점을 DNA 영상 탐침으로 사용하기 위해서는 용해도가 높아져야 합니다.

적용들

양자점은 강력한 이미징 도구가 되어 인간과 다른 살아있는 생물학적 시스템을 성공적으로 이미징하기 위해 생체적합성을 위해 지속적으로 진화하고 있습니다.세포 주위에 방출되는 Cd의 양을 줄임으로써 연구자들은 나노 및 마이크로스케일 구조를 촬영하기 위한 시험관내 및 생체내 테스트 방법을 만들기 위해 노력해 왔다.나노미터 범위의 높은 분해능은 생체 공학 피드백과 생물학적, 화학적 관찰 및 분석 모두에서 DNA 행동을 영상화하는 데 유용함을 보여줍니다.양자 점의 크기를 바꿈으로써 방출 스펙트럼을 제어하는 능력은 연구자들이 많은 다른 목표물들을 ^[8]색상으로 코드화할 수 있게 해준다.

크기(nm)	배출 피크(nm)	색.
2.2 ^[9]	495	파랑색
2.9 ^[9]	550	초록의
3.1 ^[10]	576	노란 색
4.1 ^[9]	595	오렌지색
4.4 ^[11]	611	오렌지색
4.8^[10]	644	빨간.
7.3 ^[9]	655	검붉은색

유전자 발현 정량화 및 이미징

양자점은 광안정성과 발광성이 높아 연구진은 이를 이용해 세포 내 mRNA를 밝혀 유전자 발현을 촬영하고 있다.양자 닷 상의 카르복실기에 부착된 아민 수식 올리고뉴클레오티드 프로브는 배열 특이적 교잡화를 나타낸다.이 탐침들은 또한 낮은 발현 유전자를 ^[12]탐지할 수 있다.이것은 잠재적으로 연구자들이 언제 어디서 특정 단백질이 만들어지는지를 이해할 수 있게 해준다.

자기조립 나노구조

자기집합 양자점은 분자선 에피택시 또는 다른 형태의 원자 증착 중에 특정 조건 하에서 자발적으로 형성된다.이러한 자발적 형성은 퇴적된 반도체 재료와 기초 기판 사이의 격자 불일치의 결과입니다.그 결과 기판 표면에 형성된 구조는 3차원 "섬" 나노구조입니다.이 섬들은 양자 ^[13]^[14]구속이라고 불리는 다른 반도체 물질로 덮여 양자 점으로 형성된다.자체 조립형 양자 도트는 양자 암호학, 양자 컴퓨팅, 광학 및 광전자 ^[13]공학 등의 기술 응용 분야에서 기회를 제공합니다.

단일 분자 이미징

과거에는 녹색 형광 단백질(GFP)이 세포 내부의 움직임을 추적하는데 사용되었다.다만, GFP는 점등하지 않고, 사용 후에 불안정합니다.따라서, GFP는 단백질 이동에 대한 장기적인 연구를 막았다.보다 안정적인 양자점을 사용함으로써, 연구자들은 이제 다른 경로를 ^[15]거치는 세포를 통해 단백질을 추적할 수 있다.카메라가 깊이를 포착할 수 없는 상황을 극복하기 위해,^[16] 연구원들은 세포 내부의 단백질 경로를 정확하게 매핑할 수 있는 3D 추적 장치를 개발했다.

실시간 단백질 추적

양자점은 높은 방출 강도, 작은 크기와 함께 파장 스펙트럼이 미세 조정되기 때문에 양자점은 분자 추적의 표준이 되었다.하지만 양자점에는 밝은 것과 어두운 것의 두 가지 레벨이 있습니다.적은 양의 경우, 이것은 연구자들이 몇 밀리초에서 몇 시간 동안 변화할 수 있는 어두운 단계에서 분자가 어디로 갔는지를 거슬러 올라가야 하기 때문에 문제가 된다.여러 개가 어두운 ^[17]단계에 있더라도 밝은 상태의 양자 점이 충분히 있기 때문에 더 큰 물체(종양)를 촬영할 때 깜박임 현상은 문제가 되지 않습니다.

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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