DNA nanostructures as templates for hybrid supramolecular assemblies

DNA is used for the storage and propagation of genetic information in all living organisms. It is the programmability and molecular recognition properties of DNA which make this possible. Taking advantage of these properties, researchers have developed DNA self-assembly as a highly predictable method of bottom-up nanofabrication. The resulting nanostructures have the potential to solve important problems in diverse fields, from nanophotonics to gene therapy. To date most DNA nanostructures have been made purely from unmodified, natural DNA. To achieve structural complexity needed for functional devices, researchers have created intricate designs which often require a large number of DNA strands of different sequence,with increased cost and assembly error rates. This thesis examines the chemical modification of nucleic acids and their integration into DNA nanostructures. This approach is expected to simplify design and significantly reduce the number of DNA components, while adding functional complexity. Specifically, the introduction of orthogonal supramolecular interactions to DNA nanostructures and the resultant properties of these hybrid systems is investigated. Firstly, the synthesis of novel dendritic DNA amphiphiles and their self-assembly properties are investigated. The site-specific positioning of the amphiphiles on a cubic DNA scaffold allows the anisotropic organization of hydrophobic ‘residues’, in a manner similar to the side-chains on a protein backbone. A new set of self-assembly rules is discovered, in which these nanostructures show a geometry-dependent inter- or intra-molecular association. This is used to create the first example of a DNA nanostructure which can encapsulate and release small molecule drugs, an important challenge in nanomedicine. Secondly, this synthetic methodology is developed to produce a family of DNA-polymer conjugates, with sequence-defined polymers appended to DNA. These conjugates exhibit tunable self-assembly properties, dependent on the sequence of monomers in the polymer portion. Finally, the modular synthetic approaches developed are used to produce novel gold-binding DNA conjugates. The organization of these on prismatic DNA scaffolds creates patterns of DNA strands which can be efficiently transferred to gold nanoparticles. This template-guided ‘printing’ approach provides control over the number, directionality, geometry and sequence asymmetry of DNA strands bound to gold nanoparticle. Overall, the development of new synthetically modified oligonucleotides and their incorporation into nanostructures is shown to augment the field of DNA nanotechnology, introducing protein-inspired interactions and providing new tools for the creation of functional nanodevices for applications in the fields of nanophotonics, nanoelectronics and biological sensing, as well as drug and oligonucleotide delivery.L’ADN est utilisé pour stocker et propager l'information génétique dans tous les organismes vivants. Ce sont les propriétés de programmabilité et de reconnaissance moléculaire de l’ADN qui rendent cela possible. Ces propriétés ont été mises à profit par les chercheurs qui utilisent l’auto-assemblage de l’ADN comme méthode hautement prévisible pour la nanofabrication ascendante. Les nanostructures résultantes ont le potentiel de résoudre des problèmes importants dans divers domaines, de la nanophotonique à la thérapie génique. A ce jour, la plupart des nanostructures d'ADN ont été faites uniquement à partir d’ADN non-modifié et naturel. Pour atteindre le niveau de complexité structurelle nécessaire pour des dispositifs fonctionnels, les chercheurs ont créé des modèles complexes qui nécessitent souvent un grand nombre de brins d'ADN de séquences différentes, ce qui est associé à une augmentation du taux d'erreur et du coût d'assemblage. Cette thèse examine la modification chimique des acides nucléiques et leur intégration dans des nanostructures d'ADN. Cette approche devrait simplifier la conception et réduire considérablement le nombre de composants ADN, tout en augmentant la complexité fonctionnelle. Plus précisément, cette thèse porte sur la mise en place d'intéractions supramoléculaires orthogonales dans les nanostructures d'ADN et les propriétés résultantes de ces systèmes hybrides. La première partie de cette thèse est dédiée à la synthèse de nouveaux amphiphiles d'ADN dendritique et à l’étude de leurs propriétés d'auto-assemblage. Le positionnement des amphiphiles sur certains sites spécifiques d’un échafaudage cubique d'ADN permet aux «résidus» hydrophobes de s’organiser de façon anisotrope, plus précisément d’une manière similaire aux chaines latérales sur un squelette de protéine. Les nanostructures qui ont été générées ont une géométrie qui est dépendante des associations intermoléculaires et intramoléculaires, ce qui fait parti d’un nouvel ensemble de règles d'auto-assemblage. Grâce à cette découverte, le premier exemple de nanostructure d'ADN ayant la capacité d’encapsuler et de libérer des médicaments à petites molécules a été créé. Ceci représente un défi majeur dans le domaine de la nanomédecine. De plus, cette méthodologie synthétique a aussi été développée pour produire une famille de conjugués polymères-ADN, avec des polymères à séquences définies attachés à l'ADN. Ces conjugués possèdent des propriétés d'auto-assemblage modifiables selon la séquence de monomères présente dans les polymères. Enfin, les approches synthétiques modulaires développées ont aussi été utilisées pour produire de nouveaux conjugués d'ADN qui ont la capacité de se lier à l’or. L'organisation de ces derniers sur des échafaudages d'ADN prismatiques crée des motifs de brins d'ADN qui peuvent être efficacement transférés à des nanoparticules d'or. Cette approche qui est basée sur « l’impression » guidée par une matrice permet de contrôler le nombre, la directivité, la géométrie et l’asymétrie de la séquence des brins d'ADN liés aux nanoparticules d'or. Dans l’ensemble, l’élaboration de nouvelles modifications synthétiques d’acides nucléiques, et l’incorporation de celles-ci dans des nanostructures, a permis de contribuer au domaine de la nanotechnologie de l'ADN. Ceci a notamment débouché à l'instauration d’interactions semblables à celles généralement propres aux protéines et à la mise en place de nouveaux outils pour la création de nano-dispositifs fonctionnels qui pourront être appliqués dans les domaines de la nanophotonique, la nanoélectronique, la détection biologique et l'administration de médicaments et d’oligonucléotides