DNA-based dendrimers in the bulk and at interfaces

Abstract

Dendrimere sind synthetische Makromoleküle, die durch ihre stark ver-zweigte und reguläre interne Struktur charakterisiert sind. Sogenannte“dendrimer-like DNA” (DL-DNA) Moleküle können mittels Selbst-Assemblierung von DNA-Strängen im Labor synthetisiert werden. Diese elektrisch geladenen Dendrimer sind neuartige makromolekulare Aggregate,die vielfältige Anwendungen für gezielte Selbst-Organisation im Bereich der Weichen Materie verheißen.Im Rahmen dieser Arbeit wird eine theoretische Untersuchung dieser neuartigen Makromoleküle präsentiert und mit experimentellen Ergebnissen ergänzt. Basierend auf einem “bead-spring” Modell für DL-DNAs, beidem die Basenpaare als Monomere modelliert werden, werden Simulationen dieser Teilchen durchgeführt um solche Systeme bei verschiedenen Dichten, sowie an Grenzflächen zu untersuchen. Anhand der Simulationsdaten werden strukturelle Größen, wie zum Beispiel die radiale Verteilungsfunktion und der Strukturfaktor, berechnet und mit den entsprechenden Ergebnissen von Lichtstreuexperimenten verglichen.Weiters werden effektive Potentiale dieser Moleküle mit einem Algorithmus, der auf der “Widom insertion” Methode basiert, berechnet. Mittels dieser effektiven Potentiale können größere Systeme über längere Zeiträume simuliert werden.Aufgrund der vielversprechenden Anwendungsmg̈lichkeiten in der Nanotechnologie, zum Beispiel ultra-dünne Filme und Molekülkäfige, können von Untersuchungen dieser elektrisch geladenen Dendrimere maßge- blichen Impulse in Bereichen der Nanotechnologie erwartet werden.

Dendrimers are synthetic macromolecules, characterised by a highlybranched and regular internal architecture. Recently, dendrimer-like DNAs(DL-DNAs) were synthesised via enzymatic ligation of Y-shaped DNAbuilding blocks. These electrically charged dendrimers represent a novelmacro-molecular aggregate, which holds high promise in bringing abouttargeted self-assembly of soft-matter systems in the bulk and at interfaces.In this work, a joint simulational-experimental study of these novel macro-molecules is presented. Based on a bead-spring model for the DL-DNAs,simulations are performed in order to investigate dilute and bulk systemsas well as DL-DNAs at interfaces. The results of structural quantities,e.g., the radial distribution function (RDF), extracted from simulations arecompared to the corresponding experimental results obtained via light scat-tering experiments.Furthermore, we compute in the limit of vanishing density an effective,coarse-grained potential between DL-DNAs, based on Widoms particle-insertion method. With this potential at hand, investigations of large-scalesystems of DL-DNAs at high concentrations become feasible.The study of these electrically charged dendrimer systems represents arelevant field of research in the area of soft matter due to the potential roleof such particles for various interdisciplinary applications, ranging frommolecular cages for drug delivery to the development of dendrimer-basedultra-thin films in the area of nanotechnology.