DE60014678T2 - Verfahren zur selektiven Metallisierung von Nukleinsäuren durch in-situ hergestellter metallischen Nanopartikeln - Google Patents

Verfahren zur selektiven Metallisierung von Nukleinsäuren durch in-situ hergestellter metallischen Nanopartikeln Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die direkte und selektive Metallisierung von Nukleinsäuren über Metall-Nanopartikel, die in-situ hergestellt werden, die bei der Bildung von Nanodrähten, für elektronische Netzwerke und Schaltkreise verwendet werden können, was eine Anordnung mit hoher Dichte ermöglicht.
  • Die elektronische Industrie zeigt ein konstantes Bemühen bei dem Erhalt von Leitungen und Schaltkreisen mit hoher Dichte. Ein Schlüsselpunkt zur Erreichung dieses Ziels ist es, die einzelnen Leitungen so klein wie möglich zu machen. Ein im Stand der Technik bekannter Ansatz ist die Metallisierung von Nukleinsäuren, die, sobald metallisiert, als ein elektrisch leitender Draht dienen.
  • Zusätzlich ist die "Metallierung" von Nukleinsäuren bekannt, die den Prozeß der direkten Bindung zwischen einem Metallatom und einer Stelle innerhalb der Nukleinsäure, insbesondere an den N-7-Atomen der Purin-Nukleotide (G und A) betrifft. Solche Reaktionen wurden aufgrund ihrer Relevanz für die Mechanismen von anti-Krebswirkstoffen, am herkömmlichsten bei Pt (II) oder Pt (IV)-Komplexen ("Platinierung") untersucht. Andere Metallkomplexe, die dieses Verhalten zeigen, schließen die Komplexe von Pd, Ru, Au, Rh ein. Der Komplex erfordert mindestens einen "labilen" Liganden als eine "Abspaltungsgruppe", um auf diese Weise zu binden.
  • Weiterhin wurden Nukleinsäure-bindende Mittel als anti-Krebswirkstoffe großflächig untersucht. Nicht kovalente Bindungsmittel schließen "Interkalatoren" und "Furchen-Binder" ein. Mittel, die kovalent binden, werden im allgemeinen "Alkylatoren" genannt. Viele Beispiele dieser Klasse von Mitteln sind bekannt, sowie Moleküle mit kombinierten Funktionen. Die Selektivität in Richtung spezifischer Basenpaarkombinationen oder Sequenzen oder anderer "Erkennungsstellen" ist in einem hohen Ausmaß einstellbar (z.B. "Wirkstoff-Targeting").
  • WO 99/04440, veröffentlicht am 28. Januar 1999, beschreibt ein 3-Schritt-Verfahren für die Metallisierung von DNA. Zuerst werden Silberionen (Ag+) entlang der DNA durch Ag+/Na+ Ionenaustausch und Bildung von Komplexen zwischen dem Ag+ und den DNA-Nukleotidbasen angeordnet. Der Silberionen/DNA-Komplex wird dann unter der Verwendung einer basischen Hydrochinonlösung reduziert, um Silber-Nanopartikel zu bilden, die an das DNA-Gerüst gebunden sind. Die Silber-Nanopartikel werden anschließend unter Verwendung einer sauren Lösung von Hydrochinon und Ag+ unter abgedunkelten Bedingungen "entwickelt", ähnlich wie photographische Standardverahren. Dieses Verfahren produziert Silberdrähte mit einer Breite von ungefähr 100 nm mit einem differentiellen Widerstand von ungefähr 10 MΩ.
  • Jedoch erfüllen eine Breite von 100 nm und insbesondere ein differentieller Widerstand von ungefähr 10 MΩ von Silberdrähten, die gemäß dem in WO 99/04440 beschriebenen Verfahren hergestellt werden, nicht den Bedarf der Industrie im Hinblick auf Leitungen mit hoher Dichte und Schaltkreisen mit hoher Dichte.
  • Das in WO 99/04440 beschriebene Metallisierungsverfahren ist ähnlich zu Verfahren zum Nachweis von DNA-Fragmenten mittels Silberfärbung. Von solchen Verfahren ist bekannt, daß sie zu unspezifischer Färbung von DNA-Fragmenten führen und nicht zwischen verschiedene DNA-Sequenzen unterscheiden. Die Fähigkeit, bestimmte Regionen des Nukleinsäurestranges und nicht andere zu metallisieren, kann für die Entwicklung von DNA-basierten nanoelektischen Vorrichtungen wichtig sein.
  • Weiterhin beschreiben Pompe et al. (Pompe et al. (1999) Z. Metallkd. 90, 1085; Richter et al. (2000) Adv. Mater. 12, 507) DNA als ein Templat für die Metallisierung, um metallische Nanodrähte herzustellen. Ihr Metallisierungsverfahren schließt eine Behandlung der DNA mit einer wäßrigen Lösung von Pd(CH3COO)2 für 2 Stunden ein, dann Hinzufügen einer Lösung von Dimethylboran (DMAB) als reduzierendem Mittel. Paladium-Nanopartikel mit einem Durchmesser von 3–5 nm wachsen innerhalb von ein paar Sekunden auf der DNA, nachdem das reduzierende Mittel hinzugefügt wurde. Nach ungefähr 1 Minute wird eine quasidurchgehende Bedeckung erreicht, wobei die metallischen Aggregate in ihrer Größe 20 nm betragen.
  • Die Techniken der Nukleinsäuresynthese und -modifikation waren Gegenstand von zahlreichen Publikationen. Insbesondere sind diese Verfahren in den Büchern Bioorganic Chemistry: Nucleic Acids (herausgegeben von S. M. Hecht, Oxford University Press, 1996) und Bioconjugate Techniques (von G. T. Hermanson, Academic Press, 1996) beschrieben. Genauer gesagt beschreibt das Kapitel von M. van Cleve in Bioorganic Chemistry: Nucleic Acids (Kapitel 3, Seiten 75–104) die Techniken von "Annealing" und "Ligation" zur Zusammenfügung von doppelsträngigen Nukleinsäuren aus kleineren Einheiten. Das Kapitel von M. J. O'Donnell und L. W. McLaughlin in dem selben Buch (Kapitel 8, Seiten 216–243) und ein Kapitel in Bioconjugate Techniques (Kapitel 17, Seiten 639–671) beschreibt Verfahren für die chemische Modifikation von Nukleinsäuren und Oligonukleotiden und die kovalente Anbringung von Reportergruppen (Fluorophoren, Zentrifugationsmarkern, usw.). Diese Techniken wurden auch dazu verwendet, um Metallkomplexe anzubringen, die zum Beispiel als redoxaktive Mittel und Katalysatoren für die Bindungsspaltung dienen, jedoch wurden sie nicht für Metallisierungszwecke verwendet.
  • Ein Beispiel der chemischen Modifikation ist die "Bromaktivierung". Die Reaktion mit N-Bromsuccinimid bewirkt zum Beispiel die Bromierung an der C-8-Position von Guaninresten und C-5 von Cytosin (7). Amin-Nukleophile können dann an diese Positionen durch nukleophilen Ersatz gekoppelt werden, um verschiedene funktionelle Gruppen in die Nukleinsäuren einzuführen. Die Stellen der Veränderung unter Verwendung dieses Verfahrens sind nicht an der Wasserstoffbrückenbildung während der Basenpaarung beteiligt, daher werden die Hybridisierungseigenschaften nicht wesentlich gestört.
  • Die zwei oben angegebenen Beispiele der DNA-Metallisierung des Standes der Technik, sowie der vorliegenden Erfindung wenden ein Prinzip an, das sowohl in der photographischen Filmentwicklung als auch der elektrofreien Beschichtung vorhanden ist. Die Verfahren schließen zwei Schritte ein: (1) Bildung von kleinen Metall-Nanopartikeln (oder Clustern) und (2) Vergrößerung der Partikel durch die elektrofreie Abscheidung von Metall, das Dasselbe oder verschieden von dem Ersten sein kann. Die anfänglich gebildeten Partikel dienen daher als Kernstellen für die anschließende Metallabscheidung.
  • "Zwei-Schritt" elektrofreie Überziehungsverfahren sind zum Beispiel aus US 5,503,877 und US 5,560,960 bekannt. Das zu überziehende Substrat wird zuerst gegenüber einer Lösung ausgesetzt, die Metallionenspezies enthält und dann gegenüber einer Lösung eines reduzie renden Mittels, das die Metallionenspezies zu einem Metallkatalysator reduziert. Das katalytische Metall ist gewöhnlicherweise Pd, kann aber auch mindestens eines von Pd, Cu, Ag, Au, Ni, Pt, Ru, Rh, Os und Ir sein und wird gewöhnlicherweise mit einem organischen Liganden kombiniert, der mindestens ein Stickstoffatom enthält. Das abgelagerte Metall kann magnetisch sein, z.B. Co, Ni, Fe und Legierungen, die durch das reduzierende Mittel eingeführtes B oder P enthalten können (z.B. Borhydrid oder Hypophosphit, siehe US 3,986,901 ; US 4,177,253 ).
  • Demzufolge ist es die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein verbessertes Verfahren für die direkte und selektive Metallisierung von Nukleinsäuren über Metall-Nanopartikel, die in-situ hergestellt werden, die z.B. bei der Bildung von Nanodrähten, für elektronische Netzwerke und Schaltkreise verwendet werden können, zur Verfügung zu stellen, was eine Anordnung mit hoher Dichte ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Metall-Nanopartikel-Nukleinsäure-Kompositstrukturen gelöst, wobei ein Nukleinsäure-spezifischer Metallkomplex mit einer Nukleinsäure reagiert wird, um ein Metallkomplex-Nukleinsäure-Konjugat zu bilden, nicht-konjugierter Metallkomplex und/oder nicht-konjugierte Nebenprodukte entfernt werden, und das Metallkomplex-Nukleinsäure-Konjugat mit einem reduzierenden Mittel reagiert wird, um eine Metall-Nanopartikel-Nukleinsäure-Kompositstruktur herzustellen.
  • Die Erfindung stellt ein verbessertes Verfahren für die direkte und selektive Metallisierung von Nukleinsäuren, wie z. B. DNA, zur Verfügung. Nach der Hinzufigung des Reduktionsmittels kann keine Clusterbildung auf der DNA unter der Verwendung von AFM beobachtet werden. Dies steht im Gegensatz zu dem durch Richter et al. beschriebenen Verfahren, wobei unregelmäßige Cluster auf der DNA gebildet werden, die eine minimale Größe von ungefähr demselben Durchmesser der DNA selber aufweisen, was das unkontrollierte Wachstum der Metallpartikel auf der DNA unter der Verwendung dieses Verfahrens anzeigt. Die GoldEnhance®-Behandlung der DNA, die gemäß der Erfindung metallisiert wurde, zeigt weiter, daß die Metallisierung hauptsächlich auf die DNA begrenzt ist und daher sehr eng ist. Nichtsdestotrotz kann die metallisierte DNA immer noch für eine elektrofreie Metallaufbringung verwendet werden, um Nanodrähte oder andere Nanokomponenten herzustellen.
  • Obwohl das durch Pompe et al. beschriebene Metallisierungsverfahren einen signifikanten Fortschritt über das in WO 99/04440 darstellt, sind die anfänglich wachsenden Palladium-Nanopartikel nichtsdestotrotz wesentlich breiter als die DNA selber (ca. 2 nm für doppelsträngige DNA). Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Mittel zur Herstellung von Platin-Nanopartikeln auf doppelsträngiger DNA, die nicht breiter als die DNA sind; diese Partikel sind katalytisch gegenüber elektrofreier Abscheidung von Gold und können dadurch auf eine kontrollierte Weise vergrößert werden. Im Unterschied zu auch dem Verfahren von Pompe et al. ist die Sub-Nanometergröße der Platinpartikel in der Nanopartikel/DNA-Kompositstruktur wie hergestellt gemäß der vorliegenden Erfindung über die Zeit hinweg stabil, mindestens für Wochen oder Monate. Daher kann eine einzelne Präparation der Kompositstruktur für, z. B., die Nanodrahtproduktion zu verschiedenen Zeiten unter verschiedenen Bedingungen verwendet werden. Weiterhin erweitert die vorliegende Erfindung die Möglichkeiten für Metallisierungen von vorherdefinierten Stellen oder Segmenten innerhalb von Nukleinsäuren durch ein zur Verfügung stellen von verschiedenen Typen von Nanopartikel-Vorläufern und -Mitteln, um diese an Nukleinsäuren zu binden.
  • Gemäß der Erfindung kann die Nukleinsäurekomponente gelöst in einer Lösung, immobilisiert auf einem Substrat oder in einem semi-festen Zustand, z.B. in einem Gel, reagiert werden.
  • Die Nukleinsäure für die Metallisierung kann ausgewählt sein aus DNA, RNA, PNA, CNA, Oligonukleotiden, Oligonukleotiden von DNA, Oligonukleotiden von RNA, Primern, A-DNA, B-DNA, Z-DNA, Polynukleotiden von DNA, Polynukleotiden von RNA, T-Verbindungen von Nukleinsäuren, Triplexen und Quadruplexen von Nukleinsäuren, Domänen von nicht-Nukleinsäurepolymer-Nukleinsäureblockkopolymeren und Kombinationen davon. Geeignete nicht-Nukleinsäurepolymere für die Blockkopolymere können Polypeptide, Polysaccharide, wie zum Beispiel Dextrose, oder künstliche Polymere, wie zum Beispiel Polyethylenglykol (PEG) sein und sind dem Fachmann allgemein bekannt. Die Nukleinsäuren können entweder doppelsträngig oder einzelsträngig sein.
  • In einem bevorzugten Verfahren gemäß der Erfindung wird das Metallkomplex-Nukleinsäure-Konjugat durch Metallierung und/oder interaktive Ligandenbindung gebildet.
  • Noch weiter bevorzugt ist ein Verfahren gemäß der Erfindung, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Nukleinsäure-spezifische Metallkomplex ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Dichlor(2,2':6',2"-terpyridin)platin(II), Cis-diaminodichlorplatin(II) und Metallkomplexen mit angebrachten oder integrierten Nukleinsäure-interagierenden Gruppen, wie interkalierenden, Furchenbindungs- und alkylierenden Mittel.
  • In einer noch weiter bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung wird das Metallkomplex-Nukleinsäure-Konjugat von nicht konjugiertem Metallkomplex und/oder nicht-konjugierten Nebenprodukten durch Chromatographie, wie z.B. Gelfiltration oder Ionenaustausch, Ausfällen, wie z.B. Ethanolfällung, oder Spülen, z.B. mit Wasser oder einer wäßrigen Salzlösung, abgetrennt.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung wird das Metallkomplex-Nukleinsäure-Konjugat mit mindestens einem reduzierenden Mittel ausgewählt aus der Gruppe umfassend Borhydride, Borhydridsalze, Lewisbase:Borankomplexe der allgemeinen Formel L:BH3, worin L Amin, Ether, Phosphin oder Sulfid sein kann, Hydrazin und Derivate, Hydroxylamin und Derivate, Hypophosphitsalzen, Formatsalze, Dithionitsalze und H2 reagiert.
  • Eine noch weiter bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß das reduzierende Mittel in Form eines gasförmigen reduzierenden Mittels verwendet wird.
  • Allgemein kann das Verfahren gemäß der Erfindung für die selektive Metallisierung einer Nukleinsäure verwendet werden. Bevorzugte Metall-Nanopartikel sind diejenigen, die mindestens ein Metall ausgewählt aus der Gruppe von Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, Au oder Kombinationen (z.B. Legierungen) dieser Metalle enthalten.
  • Bevorzugt ist ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Metall-Nanopartikel katalytisch aktiv gegenüber elektrofreier Metallisierung ist. Weiter bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem der Metall-Nanopartikel nicht durch Rasterkraftmikroskopie sichtbar gemacht werden kann und/oder das der Durchmesser des Metall-Nanopartikels kleiner als 3 nm ist.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren gelöst, das weiter den Schritt von Behandeln der Metall-Nanopartikel innerhalb der Metall-Nanopartikel-Nukleinsäure-Kompositstruktur mit einer elektrofreien Überzugslösung umfaßt, um die Metall-Nanopartikel zu vergrößern.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird die Metall-Nanopartikel-Nukleinsäure-Kompositstruktur in einer Lösung gelöst, immobilisiert auf einem Substrat oder in einem semi-festen Zustand, z.B. in einem Gel, behandelt.
  • In einer noch weiter bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung werden die Metall-Komplexe mit einer elektrofreien Überzugslösung behandelt, umfassend ein Gemisch der Metalle ausgewählt aus der Gruppe umfassend Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Ag, Pt, Au oder Kombinationen (z.B. Legierungen) dieser Metalle oder magnetisches und/oder magnetisiertes Fe, Co, Ni oder Kombinationen (z.B. Legierungen) dieser Metalle oder Kombinationen (z.B. Legierungen) dieser Metalle mit B oder P.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird weiterhin durch eine Metall-Nanopartikel-Nukleinsäure-Kompositstruktur gelöst, die mittels eines der erfindungsgemäßen Verfahren erhalten werden kann.
  • Bevorzugt ist die Metall-Nanopartikel-Nukleinsäure-Kompositstruktur dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der Metall-Nanopartikel kleiner als 3 nm sind. Weiter bevorzugt ist eine Metall-Nanopartikel-Nukleinsäure-Kompositstruktur, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Nanopartikel nicht durch Rasterkraftmikroskopie sichtbar gemacht werden können.
  • In einem noch weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Nanodrahts gelöst, das durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist: a) Zur Verfügung stellen einer Metall-Nanopartikel-Nukleinsäure-Kompositstruktur gemäß der Erfindung und b) Wachstum, bevorzugt kontrolliertes Wachstum, des Nanopartikel durch elektrofreies Aufbingen eines Metalls gemäß der Erfindung.
  • In einem noch weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine lineare Anordnung von metallischen Nanopartikeln oder einem Nanodraht gelöst, erhältlich gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die metallischen Nanopartikel können katalytisch oder magnetisiert sein. In einem noch weiteren Aspekt wird die Aufgabe durch einen Nanodraht gelöst, der durch eines der erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich ist. Die erfindungsgemäßen Nanodrähte können ein elektrisches Netzwerk bilden, umfassend mindestens einen Nanodraht oder einen elektronischen Schaltkreis, umfassend mindestens ein elektrisches Netzwerk gemäß der Erfindung. Zusätzlich können die erfindungsgemäßen Nanodrähte als elektronische Komponenten in ihrer nicht vollständig metallisierten Form verwendet werden, wobei mehr oder weniger isolierende Zwischenräume zwischen den einzelnen Nanopartikeln vorhanden sind, die entlang dem Nukleinsäurestrang angeordnet sind. In einem anderen Aspekt können die Nanodrähte vollständig leitend sein oder können entweder an einem oder beiden Enden isolierende Teile enthalten oder die isolierenden Teile können innerhalb des Drahtes selber vorhanden sein, so daß der Nanodraht aus einzelnen leitfähigen Inseln zusammengesetzt ist. Diese erfindungsgemäße Strukturen können ein elektrisches Netzwerk oder einen elektronischen Schaltkreis bilden, der mindestens einen Nanodraht umfaßt, oder ein Teil davon sein. In solch elektronischen Netzwerken oder elektronischen Schaltkreisen können Kreuzungen zwischen zwei oder mehr Drähten gebildet werden, wobei jeder der Drähte ein leitfähiges Segment proximal zu der Kreuzung aufweist, die den Nanodraht umfaßt. Weiterhin können die Nanodraht-umfassenden Netzwerke Teile von Hybrid-elektrischen Strukturen sein.
  • Weiterhin wird die Aufgabe durch eine Kreuzung zwischen zwei oder mehr Drähten eines elektrischen Schaltkreises gelöst, wobei jeder der Drähte ein Endsegment, proximal zu der Kreuzung aufweist, umfassend einen Nanodraht gemäß der Erfindung.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schließen im wesentlichen vier Schritte ein:
  • Schritt (1): Bindung eines Metallkomplexes an eine Nukleinsäure, um ein Metallkomplex-Nukleinsäure-Konjugat herzustellen.
  • Die Spezifität des Metallisierungsverfahrens für Nukleinsäuren und für spezifische Domänen darin wird vorherrschend durch die An der Bindung in diesem Schritt bestimmt. Der direkteste Bindungsansatz ist die "Metallierung". Dieses Verfahren betrifft die direkte ("kovalente") Bindung zwischen einem Metallatom und einer Stelle auf der Nukleinsäure, insbesondere den N-7-Atomen der Purin-Nukleotide (G und A). Diese Positionen sind in 7 angegeben. Solche Reaktionen wurden aufgrund ihrer Relevanz für die Mechanismen von anti- Krebswirkstoffen weit untersucht, meistens bei Pt (II)- oder Pt (IV)-Komplexen ("Platinierung"). Die Pt (IV)-Komplexe werden allgemein als "pro-Wirkstoffe" angesehen, da sie in vivo zu den entsprechenden PT (II)-Komplexen reduziert werden, bevor sie aktiv werden.
  • Pt (II)-Komplexe, von denen bekannt ist, daß sie kovalent an Nukleinsäuren binden, sind im allgemeinen quadratische, planare, 4-Koordinatenspezies, die die allgemeine Formel Pt(L1)(L2)(X)(Z) und Pt (L1)(L2)(L3)(X) aufweisen, worin L1, L2 und L3 Liganden darstellen, die relativ inert gegenüber Ersetzen sind ("nicht-labil") und X und Z stellen Liganden dar, die relativ reaktiv gegenüber Ersetzen sind ("labil"). In diesen allgemeinen Formeln können die Liganden L1, L2 und L3 dieselben oder verschieden sein und die Liganden X und Z können dieselben oder verschieden sein. Weiterhin können die Liganden L1, L2 und L3 durch eine überbrückende Gruppe miteinander oder an die Liganden X oder Z verbunden sein. Weiterhin können die Liganden X und Z "cis"- oder "trans"-Positionen relativ zueinander im Hinblick auf das Pt (II)-Atom einnehmen. Noch weiter kann der Komplex zwei oder mehr Pt (II)-Atome enthalten. Einige dieser Variationen sind in 8 gezeigt.
  • Die Atome in den nicht-labilen Liganden (L1, L2 und L3), die direkt mit Pt (II) koordiniert sind, sind im allgemeinen N, P oder S. Liganden, die nicht durch überbrückende Gruppen verbunden sind, werden "Monodentat" genannt. Wenn zwei Liganden verbunden sind, werden sie "Bidentat" genannt, und wenn drei miteinander verbunden sind, sind sie "Tridentate". Monodentat-N-Liganden sind typischerweise Amine, Monodentat-P-Liganden sind typischerweise Phosphine, und Monodentat-S-Liganden sind typischerweise Thiole, Thioester oder Thiocarbonyle. Die Aminliganden können Ammonium, primäre Amine, sekundäre Amine oder tertiäre Amine sein. Diese schließen aromatische Amine, wie zum Beispiel Pyridine und Anilin, ein. Es gibt ähnlich viele Beispiele von Bidentat N-N-Liganden in Pt (II)-Komplexen, von denen bekannt ist, das sie kovalent an Nukleinsäuren binden. Diese schließen, zum Beispiel, 1,2-Diaminoethan, 1,2-Diaminopropan, 1,3-Diaminopropan, 1,2-Diaminocyclohexan und 2,2'-Bipyridin ein. Beispiele von Bidentat N-P- und N-S-Liganden sind auch bekannt, sowie Tridentat N-N-N-Liganden, wie zum Beispiel 2,2':6',2"-Terpyridin(terpy) und Diethylentriamin(dien).
  • Beispiele der labilen Liganden X und Z, die allgemein als gute abspaltbare Gruppen dienen, schließen Halid, Wasser, (Dialkyl)sulfoxide, Nitrat, Sulfat, Carboxylate, Dicarboxylate, Carbonat, Phosphat, Pyrophosphat, Phosphatester, Phosphonat, Nitrit, Sulfat, Sulfonate, β- Diketonate, Alkene, Selenat, Squarat, Ascorbat und Hydroxid ein. Diese Liganden können Bidentat sein, wie im Fall von Selenat und den Dicarboxylaten Oxalat und 1,1-Cyclobutandicarboxylat, zum Beispiel. Sie können auch Teil eines Moleküls sein, das nicht-labile Ligand(en) enthält, wie zum Beispiel in Aminosäuren (Carboxylat- und primäre Amingruppen) und Picolinsäure (Carboxylat- und Pyridingruppen).
  • Von Komplexen mit anderen Metallen neben Platin wurde gezeigt, daß sie Potential zur Verwendung als ein anti-Krebswirkstoff aufweisen. Diese schließen Komplexe von Pd, Ru, Au und Rh ein, die dazu neigen, entweder 4-koordiniert (z. B. quadratische planare Geometrie) oder 6-koordiniert (z.B. oktahedrale Geometrie) zu sein. Wie im Fall von Pt (II)-anti-Krebswirkstoffen besitzen sie auch mindestens eine abspaltbare Gruppe, durch die die Metallierung von Nukleinsäure stattfindet. Aufgrund der stringenten Kriterien für anti-Krebswirkstoffe waren wenige dieser anderen Metallkomplexe klinisch erfolgreich. Falls der Komplex zu labil ist, ist es wahrscheinlich, daß er mit physiologischen Nukleophilen (Proteinen usw.) interagiert, bevor er seine Wirkungsstelle im Tumor erreicht, wodurch er deaktiviert wird oder anders das Risiko von Toxizität erhöht. Auf der anderen Seite, wenn der Komplex zu inert ist, kann er dabei versagen, mit seinem biomolekularen Ziel zu interagieren, was erforderlich ist, um die anti-Krebswirkung herzustellen. Komplexe von Pd(II) sind im allgemeinen zu labil, während diejenigen von Rh(III) im allgemeinen zu inert sind; ein Problem mit Au(III)-Komplexen ist die Tatsache, daß sie durch physiologische Reduktionsmittel leicht reduziert werden. Während diese Eigenschaften für die Anwendung der Komplexe als anti-Krebswirkstoffe problematisch sind, ist dies viel weniger so für die Anwendung in Richtung der Metallisierung von Nukleinsäuren. In der Tat kann die erhöhte Reaktivität von Pd(II)-Komplexen, verglichen mit ihren Pt (II)-Analoga, für diese Anwendung vorteilhaft sein, und zusätzliche Reduktionsmittel können im Fall von Au(III)-Komplexen vermieden werden.
  • Neben dem Aufweisen von mindestens einer Abspaltungsgruppe, sollte der Metallationskomplex in der Lage sein, zu einem metallischen Zustand reduziert zu werden, der eine katalytische Aktivität in Richtung auf elektrofreie Beschichtungsverfahren aufweist. Zusätzlich zu Pt werden diese Kriterien im allgemeinen am wahrscheinlichsten durch Komplexe von Pd und Au erfüllt. Komplexe von Ru und Rh können jedoch auch verwendet werden. Die Verwendung dieser Metallationsmittel erweitert die Selektivität in Richtung Sequenzen oder Segmen-
  • In einer weiteren Ausführungsform von Schritt (I) der Erfindung werden spezifische Basen innerhalb von Oligonukleotid-Untereinheiten metalliert. Diese Untereinheiten werden durch Hybridisierung auf komplementären Abschnitte von längeren Nukleinsäuren zusammengesetzt. Die Metallierung der abgezielten Basen in den Oligonukleotid-Untereinheiten kann entweder vor oder nach Hybridisierung durchgeführt werden. Nicht-komplementäre Segmente der längeren Nukleinsäurekomponente werden nicht durch die metallierten Oligonukleotide hybridisiert, diese Lücken können mit anderen komplementären Oligonukleotiden aufgefüllt werden, die, zum Beispiel, nicht metalliert sind. Zwei Variationen dieser Ausführungsform sind schematisch in den 9 und 10 verdeutlicht. In einem Fall (9) findet die Metallisierung an einer Stelle statt, die inhärent in Nukleinsäuren vorhanden ist, und im anderen Fall (10) findet die Metallierung an einer Stelle statt, die durch chemische Modifizierung eingeführt wurde. Die chemische Modifizierung von spezifischen Basen in den Oligonukleotid-Untereinheiten kann entweder vor oder nach der Hybridisierung durchgeführt werden.
  • In dem schematisch in 9 gezeigten Beispiel wird ein Pentanukleotid, das die Sequenz TTGTT aufweist, als eine Untereinheit verwendet, die der Metallierung unterzogen wird, und ein Metallkomplex, der einen Tridentat (N-N-N)-Liganden und eine abspaltbare Gruppe (X) aufweist, wird als ein Metallierungsmittel verwendet. Unter milden Bedingungen, (z. B. Raumtemperatur und neutralem pH) ist der Thymin (T)-Rest im wesentlichen inert und nur der Guanin (G)-Rest wird metalliert: Zwei Routen der Zusammenfügung des metallierten hybridisierten Konstrukts sind in der Figur gezeigt. In einem Verfahren wird das Oligonukleotid metalliert (i) und dann an die längere Nukleinsäurekomponente (ii) hybridisiert. In dem anderen Verfahren wird das Oligonukleotid zuerst hybridisiert (iii) und dann metalliert (iv). Dieses zweite Verfahren kann die Verwendung von modifizierten Basen in der längeren Nukleinsäurekomponente erforderlich machen, um eine Metallierung dieser Komponente während Schritt (iv) zu verhindern. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Oligonukleotid-Untereinheiten aus 4–20 Basen zusammengesetzt und die Metallierungsmittel sind Komplexe von Pt, Pd, Au, Ru oder Rh.
  • In dem schematisch in 10 gezeigten Beispiel wird ein Pentanukleotid, das die Sequenz TTC*TT aufweist, als die Untereinheit verwendet die der Metallierung unterzogen wird, wobei C* einen Cytosin-Rest darstellt, der chemisch modifiziert wurde, um eine Imidazol (Im)-
  • In dem schematisch in 10 gezeigten Beispiel wird ein Pentanukleotid, das die Sequenz TTC*TT aufweist, als die Untereinheit verwendet die der Metallierung unterzogen wird, wobei C* einen Cytosin-Rest darstellt, der chemisch modifiziert wurde, um eine Imidazol (Im)-Gruppe als einen Metall-Liganden anzubringen. Die Imidazolgruppe könnte zum Beispiel an die C-5-Position des Cytosins durch Bromaktivierung und nukleophile Verdrängung mit 1-(3-Aminopropyl)imidazol,, angebracht werden. Ein Metallkomplex, der einen Tridentat (N-N-N)-Liganden und eine abspaltbare Gruppe (X) aufweist, wird als Metallierungsmittel verwendet, wie in dem Beispiel in 9. Wie in diesem Beispiel sind zwei Routen der Zusammenfügung des metallierten hybridisierten Konstrukts möglich. In einem Verfahren wird das Oligonukleotid metalliert (i) und dann hybridisiert (ii). In dem anderen Verfahren wird zuerst das Oligonukleotid hybridisiert (iii) und dann metalliert (iv). Dieses zweite Verfahren kann die Verwendung von modifizierten Basen in der längeren Nukleinsäurekomponente erforderlich machen, um eine Metallierung dieser Komponente während Schritt (iv) zu verhindern. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Oligonukeotid-Untereinheiten aus 4–20 Basen zusammengesetzt, und die Metallierungsmittel sind Komplexe von Pt, Pd, Au, Ru oder Rh.
  • In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird Schritt (1) durch ein Verfahren erreicht, wobei in dem Komplex an das Metall-koordinierte Liganden nach der Bindung nicht ersetzt werden. Dieser Typ von Bindung kann als ein Verfahren "äußerer Sphäre" klassifiziert werden. Gegen-Ionenaustausch, wodurch ein Metallion (z.B. Mg2+) durch einen ähnlich geladenen Metallkomplex (z.B. [Pt(NH3)4]2+ ersetzt wird, ist ein Beispiel, jedoch stellt solch ein einfacher Austauschungsprozeß wenig, falls überhaupt, Unterscheidung zwischen Nukleotid-Basensequenzen innerhalb der Nukleinsäure oder zwischen der Nukleinsäure und anderen negativ geladenen Substanzen zur Verfügung. Die Spezifität für Nukleinsäuren und spezifische Domänen darin wird durch Anbringen von Nukleinsäure-interaktiven Gruppen an den Metallkomplex erreicht. Solche Gruppen schließen interkalierende, Furchenbindungs- und alkylierende Mittel ein, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Die Nukleinsäureinteraktive Gruppe kann ein integraler Teil eines Liganden sein, der mit dem Metallion koordiniert ist (wie in "Metallointerkalatoren") oder anders kann sie auch kovalent an einen Liganden angebracht sein. Die hauptsächlichen Erfordernisse eines Metallkomplexes, der gemäß der Erfindung verwendet wird, sind, daß er relativ stabil gegenüber Ligandenaustausch ist, so daß der Komplex intakt zu abgezielten Nukleinsäure-Bindungsstellen zugeführt werden kann. Weiterhin sollte er in der Lage sein, zu einem metallischen Zustand reduziert zu werden, der eine katalytische Aktivität in Richtung auf elektrofreie Beschichtungsverfahren zeigt.
  • Beide Erfordernisse werden zum größten Teil durch Komplexe der Metalle der Gruppe 8 und 1B des Periodensystems erfüllt.
  • Verbindungen, die für diese Ausführungsform von Schritt (1) brauchbar sind, weisen die allgemeine Struktur INT-CON-LIG-M(L)n auf, worin INT eine Nukleinsäure-interaktive Gruppe ist, LIG ein nicht-labiler Ligand ist und M(L)n ein koordinativ-ungesättigter Metall-Ligandkomplex, der an LIG bindet, um die Koordinationserfordernisse des Metalls M zu vervollständigen. Die Gruppe CON verbindet die INT- und LIG-Gruppen und kann dazu dienen, um die INT- und LIG-Gruppen spatial zu trennen und/oder ihre relativen Orientierungen auszurichten.
  • Metallinterkalator-Komplexe, die zur Verwendung gemäß dieser Ausführungsform brauchbar sind, stellen einen speziellen Fall der allgemeinen Struktur INT-CON-LIG-M(L)n dar. Da die Funktionen von INT und LIG integriert sind, ist CON nicht als eine getrennte Gruppe definierbar. Geeignete Metallinterkalatoren schließen Komplexe ein, die die folgende allgemeine Formel (ICL)M(L)n aufweisen, worin ICL ein planarer aromatischer Ligand ist und M(L)n ein koordinativ-ungesättigter Metall-Ligandenkomplex ist, der an ICL bindet, um die Koordinationserfordernisse des Metalls M zu vervollständigen. Geeignete Metalle M schließen Pt, Pd und Au ein. Planare aromatische Bidentat-Liganden, von deren Metallkomplexen bekannt ist, daß sie mit Nukleinsäuren durch Interkalation interagieren, schließen 8-Hydroxychinolin und α-Diimine, wie zum Beispiel 2,2'-Bipyridin, 1,10-Phenanthrolin, 2,2-Bichinolin, Dipyrido[3,2-α:2'3'-c]phenazin und Derivate davon ein. 2,2':6',2"-Terpyridin (terpy) ist ein Beispiel eines Tridentat-Interkalator-Liganden. Die Funktion des/der Ligand(en) L in der Gruppe M(L)n ist es hauptsächlich, eine relativ substitutionsinerte Koordinationsumgebung für das Metall zur Verfügung zu stellen, so sind eine Vielzahl von nicht-labilen Monodentat oder Polydentat N-, P- oder S-Liganden möglich. Geeignete Bidentat-Liganden schließen Diamine, wie zum Beispiel 1,2-Diaminoethan, 1,2-Diaminopropan, 1,3-Diaminopropan und 1,2-Diaminocyclohexan ein.
  • Spezifische Beispiele von solchen Verbindungen, die Komplexe von Pt(II), Pd(II) oder Au(III) inkorporiert haben, sind in 11 gezeigt. Diese Verbindungen werden durch kova lentes Kuppeln des Reagenz 1-(3-Aminopropyl)imidazol an eine Nukleinsäure-interagierende Gruppe hergestellt, um Beispiele von INT-CON-LIG zu produzieren, worin der Ligand das N-3-Atom der angefügten Imidazolgruppe ist. Die INT-CON-LIG-Verbindungen werden dann mit dem Metallkomplex der Form M(Dien)(X) reagiert, worin Dien Diethylentriamin ist und X eine abspaltbare Gruppe, wie zum Beispiel Nitrat. Die Nukleinsäure-interagierenden Gruppen in den Beispielen bestehen aus Anthrachinon (einem interkalierenden Mittel), einem kationischen Porphyrin (einem Furchen-bindenden Mittel) und einem Stickstofflost (einem alkylierenden Mittel).
  • In einer weiteren Ausführungsform von Schritt (1) der Erfindung werden substitutionsinerte Metallkomplexe kovalent an spezifische Basen innerhalb von Oligonukleotid-Untereinheiten angebracht. Diese Untereinheiten werden durch Hybridisierung auf komplementäre Segmente von längeren Nukleinsäuren zusammengesetzt. Die kovalente Modifikation der spezifischen Basen in dem Oligonukleotid kann entweder vor oder nach der Hybridisierung durchgeführt werden. Nichtkomplementäre Segmente der längeren Nukleinsäurekomponente werden nicht durch das so modifizierte Oligonukleotid hybridisiert; diese Lücken können mit anderen komplementären Oligonukleotiden aufgefüllt werden, an die zum Beispiel keine Metallkomplexe angebracht sind. In dem schematisch in 12 gezeigten Beispiel wird ein Pentanukleotid, das die Sequenz TTG*TT aufweist, als die Untereinheit verwendet, die der Metallierung unterzogen wird, worin G* einen Guaninrest darstellt, der chemisch modifiziert wurde, um eine Amingruppe (-NH2) als eine kovalente Bindungsstelle anzubringen. Die Amingruppe könnte zum Beispiel an die C8-Position des Guanins durch Bromaktivierung und nukleophiles Ersetzen mit 1,4-Diaminobutan angebracht werden. Der substitutionsinerte Metallkomplex in diesem Beispiel weist einen Tridentat-(N-N-N)-Liganden und einen Monodentat-Aminliganden auf. Der Monodentat-Aminligand wird zur Anbringung einer freien Carboxylsäuregruppe (-COOH) an einen Metallkomplex verwendet. Die Kondensation der Carbonsäuregruppe an den Metallkomplex mit der Amingruppe auf der Oligonukleotid-Untereinheit, um eine Amidgruppe -(CONH-) zu bilden, stellt eine Verbindung zwischen diesen Komponenten zur Verfügung. Diese Kondensation kann zum Beispiel unter der Verwendung von Carbodiimid als dem Kupplungsreagenz erreicht werden.
  • Zwei mögliche Routen des Zusammensetzens des hybridisierten Konstrukts sind in 12 gezeigt. In einem Verfahren wird das Oligonukleotid an den Metallkomplex (i) gekuppelt und dann an die längere Nukleinsäurekomponente (ii) hybridisiert. In dem anderen Verfahren wird das Oligonukleotid zuerst hybridisiert (iii) und dann an den Metallkomplex (iv) gekoppelt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Oligonukleotid-Untereinheiten aus 4–20 Basen zusammengesetzt und die Metallkomplexe sind Komplexe von Pt, Pd, Ru, Au oder Rh.
  • Bevorzugte Ausführungsformen für Schritt (2) hängen davon ab, ob das Metallkomplex-Nukleinsäure-Konjugat in Lösung gelöst ist oder auf einem Substrat immobilisiert ist. Wenn in Lösung vorhanden, kann das Konjugat von nicht gebundenem Metallkomplex durch einige Form von Chromatographie (z.B. Gelfiltration oder Ionenaustausch) oder durch Ausfällen (z.B. Ethanolfällung des Konjugats) abgetrennt werden. Wenn das Konjugat immobilisiert vorliegt, kann nicht gebundener Metallkomplex durch Spülen (z.B. mit Wasser oder einer wäßrigen Salzlösung) entfernt werden.
  • Relativ stark reduzierende Mittel können für Schritt (3) erforderlich sein. Geeignete Verbindungen sind Borhydride, insbesondere Borhydrid-(BH4)-Salze, Lewis-Base: Boran-Komplexe der allgemeinen Formel L:BH3 in denen L Amin, Ether, Phosphin oder Sulfid, Hydrazin und Derivate, Hydroxylamin und Derivate, Hypophosphitsalze, Dithionitsalze, Formatsalze und H2 sein kann. Einige dieser Reagenzien sind als gasförmige Reduktionsmittel für nicht-Lösungsphase-Behandlungen geeignet.
  • Verfahren, die mit Schritt (4) zusammenhängen, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Kurz gesagt, wirken die Metall-Nanopartikel in der Kompositstruktur als katalytische Stellen für die Reduktion von Metallionen in Lösung, die sich darauf ablagern und die Nanopartikel vergrößern. Das abgelagerte Metall kann dasselbe oder verschieden von dem im Nanopartikel sein. Das Verfahren kann dazu verwendet werden, um die elektrische Leitfähigkeit der Kompositstruktur zu verbessern oder die Partikel mit magnetischen Eigenschaften zu versehen.
  • Die Erfindung wird nun in weiteren Einzelheiten im Hinblick auf die beigefügten Figuren beschrieben, worin
  • 1 das UV-sichtbare Absorptionsspektrum des Pt(II)-Terpyridin-DNA-Konjugats und der Pt-DNA-Kompositstruktur zeigt, die gemäß Beispiel 1 hergestellt wurde.
  • 2 ein AFM-Bild einer Pt-DNA-Kompositstruktur, hergestellt gemäß Beispiel 1, vor der Behandlung mit einer Lösung von GoldEnhance® gemäß Beispiel 4 zeigt.
  • 3 ein AFM-Bild einer Pt-DNA-Kompositstruktur hergestellt gemäß Beispiel 1 nach der Behandlung mit einer Lösung von GoldEnhance® gemäß Beispiel 4 zeigt.
  • 4 ein AFM-Bild eines weiteren Bereichs der Probe zeigt, die in 3 gezeigt wird.
  • 5 ein AFM-Bild einer Pt-DNA-Kompositstruktur, hergestellt gemäß Beispiel 2, vor der Behandlung mit einer Lösung von GoldEnhance® gemäß Beispiel 5 zeigt.
  • 6 ein AFM-Bild einer Pt-DNA-Kompositstruktur, hergestellt gemäß Beispiel 2, nach der Behandlung mit einer Lösung von GoldEnhance® gemäß Beispiel 6 zeigt.
  • 7 die wahrscheinlichsten Positionen für die "Metallierung" an den N-7-Atomen der Purin-Nukleotide (G und A) einer Nukleinsäure zeigt.
  • 8 verschiedene Variationen von Metall (M)-Ligand (L1, L2 und L3, X oder Z)-Komplexen zeigt (die Ladungen wurden zur Vereinfachung weggelassen);
  • 9 schematisch die Metallierung von spezifischen Basen mit Oligonukleotid-Untereinheiten an Stellen zeigt, die inhärent vorhanden sind (die Ladungen wurden zur Vereinfachung weggelassen);
  • 10 schematisch die Metallierung von spezifischen Basen innerhalb von Oligonukleotid-Untereinheiten an Stellen zeigt, die durch chemische Modifikation eingeführt wurden (die Ladungen wurden zur Vereinfachung weggelassen);
  • 11 Beispiele von substitutionsinerten Metall (M)-Komplexen zeigt, die an Nukleinsäure-interagierende Gruppen der allgemeinen Formel INT-CON-LIG-M(L)n angebracht sind.
  • 12 schematisch die kovalente Anbringung von substitutionsinerten Metallkomplexen an spezifische Basen innerhalb von Oligonukleotid-Untereinheiten vor oder nach der Hybridisierung an komplementäre Segmente von längeren Nukleinsäuren zeigt (die Ladungen wurden zur Vereinfachung weggelassen); und
  • 13 ein AFM-Bild einer unmodifizierten nicht-platinierten DANN nach Behandlung mit einer Lösung von GoldEnhance® zeigt.
  • 14 ein AFM-Bild einer unmodifizierten nicht-platinierten DANN nach Behandlung mit einer Lösung von GoldEnhance® zeigt.
  • Zwei Bilder von Pt(terpy)-metallisierten DNA-Molekülen sind in 3 und 4 gezeigt. 3 zeigt die Anwesenheit von kontinuierlicher Metallbeschichtung, die die verlängerten Segmente an DNA überlagert. Die Gesamtdicke dieser Strukturen ist an den meisten Stellen zwischen 3 nm und 6 nm, es gibt jedoch auch Inseln, wo die Dicke ca. 50 nm erreicht. 4 ist dieselbe Probe, wobei diskontinuierliche Stränge von Metallpartikeln entlang der verlängerten Segmente an DNA gezeigt werden.
  • Ähnliche Ergebnisse wurden mit cis-Pt(NH3)2-metallisierter DNA erhalten, wie in 6 gezeigt.
  • Nanopartikel-DNA-Kompositstrukturen über platiniertes Natriumborhydrid
  • Beispiel 1.
  • DNA (Kalbsthymus, Sigma Aldrich, Produkt Nummer D-1501) wurde in einer wäßrigen Lösung gelöst, die 0,02 M HEPES/NaOH-Puffer, pH 7,5 enthielt. Die äquivalente Konzentration von Nukleotidbasen in der Lösung, abgeschätzt durch UV-sichtbare Absorptions-Spektroskopie, war 80 μM. Zu 2,5 ml dieser Lösung wurden 2,5 μl einer 0,020 M Lösung von Dichlor(2,2':6',2"-terpyridin)platin (II) hinzugefügt (Sigma-Aldrich Produktnummer 28, 809-8) in Wasser. Von diesem Komplex ist bekannt, das er die DNA durch einen Zwei-Schritt-Prozeß bindet, einen schnelleren, der die Interkalierung des Terpyridin-(terpy)-Liganden einschließt und einem langsameren, der die kovalente Bindungsbildung (Platinierung) einschließt [Peyratout et al. (1995) Inorg. Chem. 34, 4484]. Die erhaltene Lösung wurde im Dunkeln bei Raumtemperatur für 24 Stunden gelagert. Sie wurde dann durch eine Säule von kationischem Austauschgel (Sephadex-Schutzbereich C-25, Sigma-Aldrich Produktnummer 27, 131-4) unter der Verwendung von 0,02 M HEPES/NaOH-Puffer als ein Lösungsmittel passiert, um Pt-Komplexe zu entfernen, die nicht an die DNA konjugiert waren. Das UV-sichtbare Absorptionsspektrum der Lösung nach dieser Behandlung, dargestellt in 1, zeigt distinkte Ma ximanahe 340 nm aufgrund des Terpy-Liganden, der an Pt koordiniert ist, und 260 nm hauptsächlich aufgrund der DNA. Durch Vergleich der Intensität der Absorption bei 340 nm zu dem vor Ionenaustausch gemessen Wert wurde abgeschätzt, daß 30 % der anfänglichen Menge von (Terpy)Pt-Komplex in dem sich ergebenden (Terpy)Pt-DNA-Konjugat enthalten war.
  • Natriumborhydrid (2 mg, Sigma-Aldrich Produktnummer 21, 346-2) wurde in 0,002 M HEPES/NaOH-Puffer (100 μl) gelöst, und 20 μl dieser Lösung wurden zu 2,0 ml der Lösung von (Terpy)Pt-DNA-Konjugat hinzugefügt. Die Farbe der Lösung veränderte sich unmittelbar von blaßgelb zu blaßgrau, jedoch blieb die Lösung optisch klar. Die sich ergebende Veränderung in dem UV-sichtbaren Absorptionsspektrum, das nach 30 Minuten erhalten wurde, ist mit der Bildung an kolloidalem Pt (1) konsistent. Der pH der Lösung war 7,8.
  • Beispiel 2.
  • Im wesentlichen das selbe Verfahren wie in Beispiel 1 wurde verwendet, mit der Ausnahme, daß statt dessen 3,8 μl einer 0,013 M Lösung von cis-Diamindichlorplatin(II) ("Cis-Platin", Sigma-Aldrich Produktnummer P-4394) in 67%-Wasser-33%-Dimethylsulfoxid verwendet wurden und nur 2,5 Stunden vor der Isolierung des (Diamin)Pt-DNA-Konjugats durch Kationenaustausch ermöglicht wurden. Von Cis-Platin ist bekannt, das es kovalent an DNA bindet, wobei vorherrschend die bifunktionellen Intrastrangaddukte zwischen N-7-Atomen von aneinanderliegenden G-G-Paaren oder G-A-Paaren gebildet werden [Kelland (2000) Drugs 59 Suppl. 4,1].
  • Rasterkraftmikroskopie vor und nach Behandlung mit GoldEnhance®
  • Beispiel 3.
  • Die polierte Oberfläche eines Stücks eines Silizium-Wafers (Halbleitergrad, p-Typ, Bordotiert, mit einem nativen Oberfächen-Oxid) wurde mit einem O2-Plasma für 4 Minuten (0,4 mbar, bei ungefähr 33 Watt, geringe Leistung) behandelt (Gala Instruments PlasmaPrep-5). Der behandelte Wafer wurde dann auf einen Spin-Beschichter (Mikasa Spin-Coater 1H-D3) montiert. Mehrere Tropfen der Lösung von Pt-DNA-Komposit, das in Beispiel 1 erhalten wurde, wurden auf das Substrat aufgetragen. Nach 2 Minuten wurde die Probe bei 1000 U/min gedreht, dann unmittelbar danach bei 5000 U/min für 90 Sekunden. Zwei Tropfen Wasser wurden auf die Probe während der zweiten Drehphase getropft, um Salze zu entfernen. Die Probe wurde durch Tapping-Modus AFM (Digital Instruments, Multi-Mode Atomic Force Microscope) unter der Verwendung von Siliziumnitrit-Trägern (Olympus Optical, Micro Cantilever OMCL-AC160TS-W, ungefähr 250 kHz Resonanzfrequenz, ungefähr 25 N/m Federkonstante) untersucht. Die Bilder (z.B. in 2 gezeigt) zeigten verlängerte Segmente an DNA ohne jeglichen Hinweis von Pt-Partikeln.
  • Beispiel 4.
  • Eine Lösung von GoldEnhance® (Nanoprobes, Katalognummer 2113) wurde auf die Oberfläche des Substrats aus Beispiel 3 für 10 Minuten aufgetragen, dann wurde die Oberfläche mit Wasser gespült und mit einem Luftstrom getrocknet. Zwei AFM-Bilder dieser Probe sind in 3 und 4 gezeigt. 3 zeigt die Anwesenheit von kontinuierlichen Metallbeschichtungen, die die verlängerten Segmente von DNA überlagern. Die Gesamtdicke dieser Strukturen liegt an den meisten Stellen zwischen 3 nm und 6 nm, es gibt jedoch auch Inseln, wo die Dicke ca. 50 nm erreicht. 4 ist ein Bild einer anderen Stelle derselben Probe, das diskontinuierliche Stränge von Metallpartikeln entlang der verlängerten Segmente von DNA zeigt. Die Gesamtdicke dieser Strukturen liegt zwischen 2 nm und 6 nm, es gibt jedoch auch Inseln, wo die Dicke ca. 50 nm erreicht. Es ist auch aus dem Bild ersichtlich, daß einige Segmente der DNA nicht metallisiert wurden. Beide Bilder zeigen die Oberfläche des Siliziumsubstrats relativ frei von Metallablagerungen, d.h. die Metallisierung ist hauptsächlich auf die DNA beschränkt.
  • Beispiel 5.
  • Ein zweiter Silizium-Wafer wurde wie in Beispiel 3 unter der Verwendung der Pt-DNA-Kompositlösung aus Beispiel 2 präpariert. AFM-Bilder (gezeigt z.B. in 5) zeigten wiederum verlängerte Segmente der DNA ohne jeglichen Hinweis von Pt-Partikeln.
  • Beispiel 6.
  • Die Probe in Beispiel 5 wurde mit GoldEnhance®-Lösung, wie beschrieben in Beispiel 4, behandelt. Ein nach dieser Behandlung erhaltenes AFM-Bild wird in 6 gezeigt. Ähnlich zu 4, zeigt dieses Bild diskontinuierliche Stränge von Metallpartikeln entlang der ver längerten Segmente von DNA, deren Gesamtdicke zwischen 2 nm und 6 nm liegt, mit nicht-metallisierten Segmenten einer Dicke zwischen 0,7 nm und 0,9 nm. Die Silizium-Wafer-Oberfläche ist im wesentlichen frei von Metallablagerungen.
  • Beispiel 7.
  • Unmodifizierte ct-DNA wurde immobilisiert und auf einem Siliziumsubstrat getrocknet, wie in Beispiel 3 beschrieben. Sie wurde dann mit GoldEnhance®-Lösung für 15 Minuten behandelt. AFM-Bilder wie die in 13 und 14 zeigten einige relativ große Partikel auf der Oberfläche, jedoch waren keine Partikel auf der DNA selber nachweisbar. Diese Ergebnisse zeigen, daß die Platinierung für die DNA-lokalisierten Partikel, wie in 3, 4 und 6 gesehen, erforderlich ist.

Claims (19)

  1. Verfahren zur Herstellung von Metall-Nanopartikel-Nukleinsäure-Kompositstrukturen, umfassend: – Reagieren eines Nukleinsäure-spezifischen Metallkomplexes mit einer Nukleinsäure, um ein Metallkomplex-Nukleinsäure-Konjugat herzustellen, – Nicht konjugierter Metallkomplex und/oder nicht konjugierte Nebenprodukte werden entfernt, und – das Metallkomplex-Nukleinsäure-Konjugat wird mit einem Reduktionsmittel reagiert, um eine Metall-Nanopartikel-Nukleinsäure-Kompositstruktur herzustellen, wobei – das Metallkomplex-Nukleinsäure-Konjugat durch die spezifische Metallierung von Basen der Nukleinsäure und/oder interaktive Ligandenbindung gebildet wird, und wobei der Metall-Nanopartikel katalytisch aktiv gegenüber elektroloser Metallisierung ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nukleinsäure gelöst in einer Lösung, immobilisiert auf einem Substrat oder in einem semi-festen Zustand, z.B. in einem Gel, reagiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Nukleinsäure ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend DNA, RNA, PNA, CNA, Oligonukleotide, Oligonukleotide aus DNA, Oligonukleotide aus RNA, Primer, A-DNA, B-DNA, Z-DNA, Polynukleotide aus DNA, Polynukleotide aus RNA, T-Verbindungen von Nukleinsäuren, Triplexe und Quadruplexe von Nukleinsäuren, Domänen von nicht-Nukleinsäurepolymer-Nukleinsäureblockkopolymeren und Kombinationen davon.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nukleinsäure doppelsträngig oder einzelsträngig ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Nukleinsäure-spezifische Metallkomplex ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Dichlor(2,2':6',2"-t-ierpyridin)platin(II), Cis-diaminodichlorplatin(II) und Metallkomplexen mit angebrachten oder integrierten Nukleinsäure interagierenden Gruppen, wie z.B. inkalierenden, Furchen-bindenden und alkylierenden Mitteln.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallkomplex-Nukleinsäure-Konjugat durch Chromatographie, z.B. Gelfiltration oder Ionenaustauschung, Fällung, z.B. Ethanolfällung oder Spülen, z.B. mit Wasser oder einer wäßrigen Salzlösung von nicht konjugiertem Metallkomplex und/oder nicht konjugierten Nebenprodukten abgetrennt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallkomplex-Nukleinsäure-Konjugat mit mindestens einem reduzierenden Mittel, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Borhydrid, Borhydridsalze, Lewisbase:Borankomplexe der allgemeinen Formel L:BH3, worin L Amin, Ether, Phosphin oder Sulfid, Hydrazin und Derivate sein kann, Hypophosphitsalzen, Formatsalzen, Dithionitsalzen und H2 reagiert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das reduzierende Mittel in Form eines gasförmigen reduzierenden Mittels verwendet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Metall-Nanopartikel mindestens ein Metall ausgewählt aus der Gruppe von Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, Au oder Kombinationen (z.B. Legierungen) dieser Metalle umfaßt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Metall-Nanopartikel nicht durch Rasterkraftmikroskopie sichtbar gemacht werden kann und/oder das der Durchmesser des Metall-Nanopartikels kleiner als 3 nm ist.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, weiter umfassend den Schritt von Behandeln der Metall-Nanopartikel innerhalb der Metall-Nanopartikel-Nukleinsäure- Kompositstruktur mit einer elektrolosen Überzugslösung, um die Metall-Nanopartikel zu vergrößern.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall-Nanopartikel-Nukleinsäure-Kompositstruktur mit einer elektrofreien Überzugslösung behandelt wird, während die Kompositstruktur gelöst in einer Lösung, immobilisiert auf einem Substrat oder in einem semi-festen Zustand, z.B. in einem Gel, vorliegt.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall-Komplexe mit einer elektrolosen Überzugslösung behandelt werden, umfassend mindestens eines der Metalle ausgewählt aus der Gruppe umfassend Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Ag, Pt, Au oder Kombinationen (z.B. Legierungen) dieser Metalle.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall-Komplexe mit einer elektrolosen Überzugslösung behandelt werden, umfassend mindestens eines der Metalle ausgewählt aus der Gruppe umfassend magnetisches und/oder magnetisiertes Fe, Co, Ni oder Kombinationen (z.B. Legierungen) dieser Metalle oder Kombinationen (z.B. Legierungen) dieser Metalle mit B oder P.
  15. Metall-Nanopartikel-Nukleinsäure-Kompositstruktur, erhältlich mittels eines Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall-Nanopartikel einen Durchmesser von kleiner als 3 nm aufweisen und/oder nicht durch Rasterkraftmikroskopie sichtbar gemacht werden können.
  16. Verfahren zur Herstellung eines Nanodrahts, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Zur Verfügung stellen einer Metall-Nanopartikel-Nukleinsäure-Kompositstruktur nach Anspruch 15 und Wachstum, bevorzugt kontrolliertes Wachstum, des Nanopartikels durch elektroloses Überziehen eines Metalls nach einem der Ansprüche 13 oder 14.
  17. Lineare Anordnung von metallischen Nanopartikeln oder ein Nanodraht, erhältlich mittels eines Verfahrens nach Anspruch 16.
  18. Elektronisches Netzwerk kleinen Maßstabs oder elektronischer Schaltkreis, umfassend mindestens einen Nanodraht nach Anspruch 17.
  19. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur selektiven Metallisierung einer Nukleinsäure.
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