Formation of DNA complexes in aqueous and organic solvents

From a physical-chemical point of view, it is challenging to form complexes with polyelectrolytes, consisting of only molecule of the largest component, i.e. the component with the highest number of charges. In this study, complexes are formed with DNA because of its potential applications as an artificial vector for gene delivery. The aim of this work is to prepare complexes in aqueous solutions as well as in organic solvents containing only one DNA molecule. For this purpose, the topology, equilibrium and conformation of complexes between a supercoiled DNA pUC19 (2686 base pairs) and spermine containing hydrophilic and/or hydrophobic moieties or a polylysine with a hydrophilic block are determined by means of dynamic (DLS) and static light scattering (SLS), atomic force microscopy (AFM), and circular dichroism (CD) spectroscopy. It is demonstrated that all of these complexes consisted of only one molecule of the polyanion. Only the polylysine-b-polyethylene glycol copolymer satisfied the conditions: 1) 100% neutralization of DNA charges and with a small excess of the cation (lower than 30%) and 2) form stable complexes at every charge ratio. rnDNA complex formation is also investigated in organic solvents. Precipitation is induced by neutralizing the charge of the supercoiled DNA pUC19 with the surfactants dodecyltrimethylammonium bromide (DTAB) and tetradecyltrimethylammonium bromide (TTAB). After isolation and drying of the solids, the complexes are dissolved in organic solvents. DNA-TTA complexes are only soluble in methanol and DNA-DTA in DMF. The complexes again consisted of only one DNA molecule. The final topology of the complexes is different in methanol than in DMF. In the former case, DNA seems to be compacted whereas in the latter case, the DNA-DTA complexes seem to have an expanded conformation. Upon complex formation with polycations in organic solvents (with polyvilylpyridine brush (b-PVP) in methanol and with a protected polylysine in DMF), DNA aggregates and precipitates. rnDNA is linearized with an enzyme (SmaI) to investigate the influence of the initial topology of the polyanion on the final conformation of the complexes in organic solvents. Two main differences are evidenced: 1. Complexes in organic solvents formed with linear DNA have in general a more expanded conformation and a higher tendency to aggregate. 2. If a polycation, i.e. the b-PVP, is added to the linear DNA-TTA complexes in methanol, complexes with the polycation are formed at a higher charge ratio. In DMF, the addition of the same b-PVP and of b-PLL did not lead to the formation of complexes.rnVom physiko-chemischen Gesichtspunkt aus ist es eine große Herausforderung Polyelektrolytkomplexe aus nur einem Molekül des größten Komponenten, z.B. aus dem mit der größten Ladungsdichte, zu formen. In dieser Arbeit wurden die Komplexe aus DNA wegen ihrer möglichen Verwendung als künstliche Vektoren in der Gentherapie verwendet. Hierbei war es das Ziel Komplexe sowohl in wässrigen als auch organischen Lösungsmittel mit nur einem DNA-Molekül zu bilden. Zu diesem Zwecke wurden Topologie, Gleichgewicht und Konformation der Komplexe zwischen supercoiled DNA pUC19 (2686 Basenpaare) und Spermin mit dessen hydrophilen und hydrophoben Resten oder Polylysin mit dessen hydrophilen Block durch dynamische (DLS) und statischer Lichtstreuung (SLS), Rasterkraftmikroskopie oder CD-Spektroskopie untersucht. Ferner wurde nachgewiesen, dass alle Komplexe aus nur einem Molekül des Polyanions bestehen. Lediglich das Polylysin-b-Polyethylenglycol-Copolymer war in der Lage folgende Kriterien zu erfüllen: 1. 100% Neutralisation der DNA-Ladungen mit einem kleinen Überschuss an Kation (weniger 30%) und 2. Stabile Komplexe bei verschiedenen Ladungsverhältnissen rnDesweitern wurde die DNA-Komplexbildung auch in organischen Lösungsmitteln untersucht. Bei der Neutralisation der supercoiled pUC19 mit den Tensiden Dodecyltrimethylammoniumbromid (DTAB) und Tetradecyltrimethylammoniumbromid (TTAB) wurde diese ausgefällt. Nach Isolierung und Trocknung der Feststoffe wurden die Komplexe in organischen Lösemittel gelöst. DNA-TTA Komplexe sind nur in Methanol löslich, DNA-DTA hingegen nur in DMF. Es wurden unterschiedliche Topologien für die die verschiedenen Lösemittel gefunden. Im ersten Fall scheint es als würde die DNA kompaktiert werden während im letzteren Fall scheint es hingegen so als würden sich die Komplexe mit Dodecylammonium in DMF ausbreiten. DNA-Komplexe mit Polykationen wie Polyvinylpyridin (b-PVP) zu in Methanol oder geschützten Polylysinbürsten (b-PLL) in DMF hingegen aggregieren und fallen aus. rnFerner wurde die DNA mit Hilfe eines Restriktionsenzyms (SmaI) linerisiert und dessen Einfluss von der ursprüngliche Topologie des Polyanions auf die finale Konformation der Komplexe in organischen Lösemittel zu untersuchen. Dabei wurden zwei große Unterschied deutlich: 1. Komplexe mit linearer DNA besitzen in organischen Lösemittel generell eine größere Ausdehnung und eine höhere Tendenz zu aggregieren. 2. Wenn ein Polykation wie zum Beispiel b-PVP zu den lineare DNA-TTA-Komplexen in Methanol hinzugegeben wird werden Komplexe mit einer höheren Ladungsdichte geformt. In DMF ist dies weder für das b-PVP noch für das b-PLL der Fall.r