First As Probe, Then As Function - Fluorescence in Bio-inspired Nanotechnology
Doktorsavhandling, 2012

In this thesis, I demonstrate how fluorescence can be used in the context of bio-inspired nanotechnology, both as an indirect probe and as a function in itself. By combining principles and molecules from three different bio-molecular systems, DNA, bacterial light-harvesting complexes and cell membranes, I have constructed nano- and microscale systems for long-range excitation energy transfer, light-harvesting and reaction control. In the first part of the work, DNA is utilized as a scaffold for fluorophores, arranged in a manner that facilitates excitation energy transfer from either one end of a wire to the other, or from a single input to two separate outputs in a nanoscale DNA network. These photonic assemblies use Pacific Blue and Cy3 as input and output fluorophores, respectively. The network also comprises fluorescein as an alternative output. Both systems rely on the intercalator YO-PRO-1 to mediate energy transfer between input and output. With this design, it is possible to construct a 20-mer wire with over 90% end-to-end efficiency and a longer 50-mer wire that enables energy transfer over more than 20 nm. In the network, it is possible to regulate the flow of excitation energy between the two spatially and spectrally separate outputs. In the second part, a DNA-based light-harvesting complex is presented. By loading the DNA scaffold with intercalators it is possible to enhance the excitation of a membrane-anchored porphyrin acceptor through energy transfer from the YO-PRO-1 donors. Using a linear and a hexagonal light-harvesting complex the excitation of the acceptor porphyrin can be enhanced by a factor of 13 and 18, respectively. Finally in the third part, lipid monolayer films with incorporated DNA molecules are created on hydrophobic substrates. DNA moves inside the film and can therefore interact and form duplexes with complementary strands also incorporated in the film. This process is studied in patterned surfaces where the mixing of lipid films is restricted by the shape of the hydrophobic support. The hybridization mechanism is investigated using single molecule fluorescence spectroscopy, showing that the duplex formation rate depends on the length of the DNA strand.

self-assembly

lipid membrane

bio-inspired

FRET

light-harvesting

spectroscopy.

fluorescence

nanotechnology

single molecule fluorescence spectroscopy

DNA

HA4
Opponent: Professor Markus Sauer, Julius-Maximilians-Universität Würzburg, Tyskland.

Författare

Jonas Hannestad

Chalmers, Kemi- och bioteknik, Fysikalisk kemi

Self-Assembled DNA-Based Fluorescence Waveguide with Selectable Output

Small,; Vol. 7(2011)p. 3178-3185

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Platform for Controlled Supramolecular Nano-Assembly

Nano Letters,; Vol. 9(2009)p. 2482-2486

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Self-Assembled DNA Photonic Wire for Long-Range Energy Transfer

Journal of the American Chemical Society,; Vol. 130(2008)p. 15889-15895

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Nanotekniken syftar till att skapa teknologi på nanometerskala (1 nm = 0,000000001 m), just den längdskala som är relevant inom biologin. Förhoppningen är att skapa teknologi som medför nya funktioner, men som också förbrukar mindre resurser, både i form av energi och material. Ett nyttjande av biologiska system för tekniska tillämpningar medför ett nytt sätt att se på teknologi. I stället för att skapa system utifrån en övergripande ritning sätts biologiska system samman på ett sätt som bestäms av växelverkan mellan de ingående delarna, utan någon ritning. Denna självorganisering underifrån skulle kunna användas för att skapa tekniska tillämningar på en skala som i dag är otillgänglig med konventionella metoder. I denna avhandling utgår jag från tre olika biologiska system och visar hur de kan användas tillsammans för att på så vis skapa nya tekniska tillämpningar. Jag har utgått ifrån de sätt som organismer som använder sig av fotosyntes gör för att samla ljus för att konstruera system för informationsöverföring på korta avstånd. Jag har också använt DNA, som är den molekyl som lagrar vår genetiska information, för att bygga nanometerstora strukturer. Slutligen har jag använt det membran som omger celler för att styra kemiska reaktioner på en yta. Cellmembran är, likt flytande kristaller, som tvådimensionella vätskor. Genom att ankra molekyler i ett sådant membran och sedan sprida ut det på en yta går det exempelvis att styra hur molekylerna rör sig i membranet.

Styrkeområden

Nanovetenskap och nanoteknik

Ämneskategorier

Fysikalisk kemi

Kemi

ISBN

978-91-7385-756-7

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie

HA4

Opponent: Professor Markus Sauer, Julius-Maximilians-Universität Würzburg, Tyskland.