TY - JOUR A1 - Olejko, Lydia A1 - Cywinski, Piotr J. A1 - Bald, Ilko T1 - Ion-Selective formation of a guanine quadruplex on DNA origami structures JF - Angewandte Chemie : a journal of the Gesellschaft Deutscher Chemiker ; International edition N2 - DNA origami nanostructures are a versatile tool that can be used to arrange functionalities with high local control to study molecular processes at a single-molecule level. Here, we demonstrate that DNA origami substrates can be used to suppress the formation of specific guanine (G) quadruplex structures from telomeric DNA. The folding of telomeres into G-quadruplex structures in the presence of monovalent cations (e.g. Na+ and K+) is currently used for the detection of K+ ions, however, with insufficient selectivity towards Na+. By means of FRET between two suitable dyes attached to the 3- and 5-ends of telomeric DNA we demonstrate that the formation of G-quadruplexes on DNA origami templates in the presence of sodium ions is suppressed due to steric hindrance. Hence, telomeric DNA attached to DNA origami structures represents a highly sensitive and selective detection tool for potassium ions even in the presence of high concentrations of sodium ions. KW - DNA nanotechnology KW - FRET KW - G-quadruplexes KW - nanostructures KW - self-assembly Y1 - 2015 U6 - https://doi.org/10.1002/anie.201409278 SN - 1433-7851 SN - 1521-3773 VL - 54 IS - 2 SP - 673 EP - 677 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - THES A1 - Olejko, Lydia T1 - Förster resonance energy transfer (FRET)-based nanophotonics using DNA origami structures T1 - Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) basierende Nanophotonik auf DNA Origami Strukturen N2 - The field of nanophotonics focuses on the interaction between electromagnetic radiation and matter on the nanometer scale. The elements of nanoscale photonic devices can transfer excitation energy non-radiatively from an excited donor molecule to an acceptor molecule by Förster resonance energy transfer (FRET). The efficiency of this energy transfer is highly dependent on the donor-acceptor distance. Hence, in these nanoscale photonic devices it is of high importance to have a good control over the spatial assembly of used fluorophores. Based on molecular self-assembly processes, various nanostructures can be produced. Here, DNA nanotechnology and especially the DNA origami technique are auspicious self-assembling methods. By using DNA origami nanostructures different fluorophores can be introduced with a high local control to create a variety of nanoscale photonic objects. The applications of such nanostructures range from photonic wires and logic gates for molecular computing to artificial light harvesting systems for artificial photosynthesis. In the present cumulative doctoral thesis, different FRET systems on DNA origami structures have been designed and thoroughly analyzed. Firstly, the formation of guanine (G) quadruplex structures from G rich DNA sequences has been studied based on a two-color FRET system (Fluorescein (FAM)/Cyanine3 (Cy3)). Here, the influences of different cations (Na+ and K+), of the DNA origami structure and of the DNA sequence on the G-quadruplex formation have been analyzed. In this study, an ion-selective K+ sensing scheme based on the G-quadruplex formation on DNA origami structures has been developed. Subsequently, the reversibility of the G-quadruplex formation on DNA origami structures has been evaluated. This has been done for the simple two-color FRET system which has then been advanced to a switchable photonic wire by introducing additional fluorophores (FAM/Cy3/Cyanine5 (Cy5)/IRDye®700). In the last part, the emission intensity of the acceptor molecule (Cy5) in a three-color FRET cascade has been tuned by arranging multiple donor (FAM) and transmitter (Cy3) molecules around the central acceptor molecule. In such artificial light harvesting systems, the excitation energy is absorbed by several donor and transmitter molecules followed by an energy transfer to the acceptor leading to a brighter Cy5 emission. Furthermore, the range of possible excitation wavelengths is extended by using several different fluorophores (FAM/Cy3/Cy5). In this part of the thesis, the light harvesting efficiency (antenna effect) and the FRET efficiency of different donor/transmitter/acceptor assemblies have been analyzed and the artificial light harvesting complex has been optimized in this respect. N2 - Nanotechnologie hat in den letzten Jahrzehnten durch die Herstellung von Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften für Anwendungen im Bereich der Medizin und Materialwissenschaften immer mehr an Popularität gewonnen. Die Herstellungsmethoden von Nanostrukturen sind weit gefächert. Auch Desoxyribonukleinsäure (DNS bzw. engl. DNA, deoxyribonucleic acid) kann für die Herstellung von Strukturen im Nanometerbereich genutzt werden. Diese sogenannte DNA-Nanotechnologie wurde in den frühen 1980er Jahren von Nadrian C. Seeman begründet. Ungefähr 30 Jahre später wurde eine neue Methodik für die Herstellung von DNA-Nanostrukturen von Paul W. K. Rothemund entwickelt, die er „scaffold DNA origami“ (Gerüst-DNA-Origami) nannte. DNA-Origami-Nanostrukturen können relativ einfach hergestellt werden und eignen sich perfekt für die Anordnung unterschiedlicher Moleküle (zum Beispiel Fluorophore) mit hoher räumlicher Kontrolle und Präzision. Daher können sie als Substrate genutzt werden, um verschiedene Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) Systeme zu entwerfen und zu untersuchen. FRET ist ein strahlungsloser Energietransfer, bei dem die Anregungsenergie von einem Donor- auf ein Akzeptor-Molekül übertragen wird. In dieser kumulativen Doktorarbeit wurden verschiedene FRET-Systeme auf DNA-Origami-Nanostrukturen entwickelt und mithilfe der Fluoreszenzspektroskopie untersucht. Hierbei wurde zuerst die durch einwertige Kationen (Kalium oder Natrium) induzierte Guanin-Quadruplex-Faltung von freier Telomer-DNA und Telomer-DNA auf DNA-Origami-Strukturen mittels FRET analysiert. Diese Untersuchungen haben gezeigt, dass die freie umgedrehte menschliche Telomer-Sequenz (RevHumTel, 5'-(GGG ATT)4) generell sensitiver auf K+ als auf Na+ reagiert. Durch die Immobilisierung der Telomer-DNA auf DNA-Origami-Strukturen kann eine vollständige Selektivität für K+ erreicht werden. Interessanterweise wird die Ionenselektivität aufgehoben, wenn die menschliche Telomer-Sequenz (HumTel, 5'-(TTA GGG)4) verwendet wird. Basierend auf der G-Quadruplex-Faltung konnten schaltbare FRET-Systeme entwickelt werden, da sich die G-Quadruplexe wieder entfalten, wenn die Kationen mithilfe von zum Beispiel Kryptanden entfernt werden. In den hier untersuchten FRET-Systemen konnte zwischen hoher FRET-Effizienz (gefalteter G-Quadruplex) und niedriger FRET-Effizienz (entfalteter DNA Einzelstrang) durch Zugabe KCl bzw. cryptand gewechselt werden. Da sich DNA-Origami-Strukturen recht einfach modifizieren lassen, wurde das ursprüngliche zwei-Farben-FRET-System durch Hinzufügen eines weiteren etwas rotverschobenen Farbstoffes erweitert (drei-Farben-FRET-Kaskade). Schließlich konnte ein schaltbarer photonischer Draht durch Einfügen eines vierten Farbstoffes entwickelt werden. Die Emissionsintensität des finalen Akzeptors ist in einer einfachen drei-Farben-FRET-Kaskade (ein Donor, ein Transmitter und ein Akzeptor) verhältnismäßig gering und kann durch das Anordnen von mehreren Donor- und Transmitter-Molekülen um ein zentrales Akzeptor-Molekül herum stark erhöht werden. In diesen sogenannten künstlichen Lichtsammelkomplexen absorbieren die Donor-Moleküle das Anregungslicht und übertragen dieses über mehrere FRET-Stufen zum Akzeptor-Molekül. Dadurch wird der Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung, welcher vom Akzeptor absorbiert werden kann, vergrößert und die Emissionsintensität des Akzeptors verstärkt. In diesem Teil der Arbeit wurde die Anzahl der Farbstoffe und die Anordnung dieser unterschiedlichen Farbstoffe variiert und die Lichtsammeleffizienz und FRET-Effizienz bestimmt. Hierbei wurden diese Parameter optimiert und aufgrund der gefundenen Ergebnisse konnten Design-Regeln für solche künstlichen Lichtsammelkomplexe aufgestellt werden. KW - DNA origami KW - FRET KW - Förster resonance energy transfer KW - DNA Origami KW - FRET KW - Förster-Resonanzenergietransfer Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-396747 ER - TY - JOUR A1 - Cywinski, Piotr J. A1 - Olejko, Lydia A1 - Löhmannsröben, Hans-Gerd T1 - A time-resolved luminescent competitive assay to detect L-selectin using aptamers as recognition elements JF - Analytica chimica acta : an international journal devoted to all branches of analytical chemistry N2 - L-selectin is a protein with potential importance for numerous diseases and clinical disorders. In this paper, we present a new aptamer-based luminescent assay developed to detect L-selectin. The sensing system working principle is based on Forster Resonance Energy Transfer (FRET) from a donor terbium complex (TbC) to an acceptor cyanine dye (Cy5). In the present approach, the biotinylated aptamer is combined with Cy5-labelled streptavidin (Cy5-Strep) to yield an aptamer-based acceptor construct (Apta-Cy5-Strep), while L-selectin is conjugated using luminescent TbC. Upon aptamer binding to the TbC-labelled L-selectin (L-selectin-TbC), permanent donor-acceptor proximity is established which allows for radiationless energy transfer to occur. However, when unlabelled L-selectin is added, it competes with the L-selectin-TbC and the FRET signal decreases as the L-selectin concentration increases. FRET from the TbC to Cy5 was observed with time-gated time-resolved luminescence spectroscopy. A significant change in the corrected luminescence signal was observed in the dynamic range of 10 -500 ng/mL L-selectin, the concentration range relevant for accelerated cognitive decline of Alzheimer's disease, with a limit of detection (LOD) equal to 10 ng/mL. The aptasensor-based assay is homogeneous and can be realized within one hour. Therefore, this method has the potential to become an alternative to tedious heterogeneous analytical methods, e.g. based on enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). (C) 2015 Elsevier B.V. All rights reserved. KW - Aptamer KW - FRET KW - L-selectin KW - Luminescence spectroscopy KW - Fluoroassay KW - Lanthanide Y1 - 2015 U6 - https://doi.org/10.1016/j.aca.2015.06.045 SN - 0003-2670 SN - 1873-4324 VL - 887 SP - 209 EP - 215 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Choi, Youngeun A1 - Kotthoff, Lisa A1 - Olejko, Lydia A1 - Resch-Genger, Ute A1 - Bald, Ilko T1 - DNA origami-based forster resonance energy-transfer Nanoarrays and their application as ratiometric sensors JF - ACS applied materials & interfaces N2 - DNA origami nanostructures provide a platform where dye molecules can be arranged with nanoscale accuracy allowing to assemble multiple fluorophores without dye-dye aggregation. Aiming to develop a bright and sensitive ratiometric sensor system, we systematically studied the optical properties of nanoarrays of dyes built on DNA origami platforms using a DNA template that provides a high versatility of label choice at minimum cost. The dyes are arranged at distances, at which they efficiently interact by Forster resonance energy transfer (FRET). To optimize array brightness, the FRET efficiencies between the donor fluorescein (FAM) and the acceptor cyanine 3 were determined for different sizes of the array and for different arrangements of the dye molecules within the array. By utilizing nanoarrays providing optimum FRET efficiency and brightness, we subsequently designed a ratiometric pH nanosensor using coumarin 343 as a pH-inert FRET donor and FAM as a pH responsive acceptor. Our results indicate that the sensitivity of a ratiometric sensor can be improved simply by arranging the dyes into a well-defined array. The dyes used here can be easily replaced by other analyte-responsive dyes, demonstrating the huge potential of DNA nanotechnology for light harvesting, signal enhancement, and sensing schemes in life sciences. KW - DNA origami KW - nanoarray KW - FRET KW - ratiometric sensing KW - pH sensing Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1021/acsami.8b03585 SN - 1944-8244 SN - 1944-8252 VL - 10 IS - 27 SP - 23295 EP - 23302 PB - American Chemical Society CY - Washington ER -