Пространственная организации золотых наночастиц (НЧ) при помощи дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) имеет широкий спектр применения в области нанотехнологий для создания объектов с уникальными физическими свойствами. В частности, ДНК может применяться для управления формой и размерами НЧ во время их синтеза или для создания биосенсоров, так как может нести мишень-специфические последовательности (ДНК-аптамеры). Стабильность дуплекса ДНК играет решающую роль, поскольку определяет окончательную геометрию этих наноструктур и, соответственно, их полезные свойства. В связи с этим пристального внимания заслуживает адсорбция ДНК на золотую поверхность. Этот процесс может приводить к деградации сформированных наноструктур, изменяя их геометрию или делая ДНК-аптамеры недоступными для мишени. В общем случае, адсорбция двухнитевой ДНК на золотую поверхность НЧ не имеет места. Адсорбция же одной из нитей двухнитевой ДНК определяется рядом факторов. Среди них можно выделить, во-первых, стабильность самого дуплекса, которая определяет вероятность локальных расплетений и, таким образом, доступность нити для взаимодействия с поверхностью. Во-вторых, скорость реакции адсорбции, которая зависит от свойств конкретной последовательности однонитевой ДНК и самой поверхности. В своей работе мы исследовали влияние ионов магния на стабильность дуплекса ДНК, пришитого к 5 нм наночастицам, которые использовались для синтеза более крупных гантелевидных наноструктур [1]⁠. Результаты экспериментов показывают, что магний не только стабилизирует ДНК, но и перезаряжает отрицательно заряженную поверхность НЧ. Это может способствовать частичному накручиванию ДНК на НЧ, сопровождающемуся нарушением вторичной структуры ДНК. Этот эффект нами был особенно ясно продемонстрирован при изучении взаимодействия однонитевых полиадениновых последовательностей с НЧ [2]⁠. Мы также показали, что одновалентные ионы натрия, в отличие от магния, экранируют поверхность НЧ и заряд ДНК, не приводя к росту количества связанных олигонуклеотидов. Полиадениновые участки ДНК обладают свойством специфической адсорбции на золото и широко применяются для иммобилизации на НЧ сшитых с ними последовательностей. Отдельного внимания заслуживает предложенная нами схема адсорбции на золотые НЧ однонитевых полиадениновых участков ДНК, возникающая в результате гибридизации несущей их ДНК с заранее закрепленной на поверхности комплементарной нитью ДНК [3]⁠. Нами было показано, что ионная сила также играет ключевую роль. Мы надеемся, что данный подход может быть использован для повышения стабильности организованных при помощи ДНК НЧ, а также применен в ряде биосенсорных схем для повышения их предела детектирования. Исследования поддержаны грантами РНФ №19-73-00113 и №22-25-00302.



[1] Sokolov P A, Ramazanov R R, Rolich V I, Popova M A, Shalygin V E and Kasyanenko N A 2020 Stabilization of DNA by sodium and magnesium ions during the synthesis of DNA-bridged gold nanoparticles Nanotechnology 32

[2] Sokolov P A and Ramazanov R R 2022 Probing the conjugation of gold NPs using single-stranded DNA comprising two polyadenine adhesive tails J. Adhes.

[3] Sokolov P A, Ramasanoff R R, Gabrusenok P V, Baryshev A V and Kasyanenko N A 2022 Hybridization-Driven Adsorption of Polyadenine DNA onto Gold Nanoparticles Langmuir

The spatial organization of gold nanoparticles (NPs) using deoxyribonucleic acids (DNA) has a wide range of applications in the field of nanotechnology to create objects with unique physical properties. In particular, DNA can be used to control the shape and size of NPs during their synthesis or to create biosensors, since it can carry target-specific sequences (DNA aptamers). The stability of the DNA duplex plays a crucial role, since it determines the final geometry of these nanostructures and, accordingly, their useful properties. In this regard, the adsorption of DNA on a gold surface deserves close attention. This process can lead to degradation of the formed nanostructures, changing their geometry or making DNA aptamers inaccessible for the target. In the general case, the adsorption of double-stranded DNA on the gold surface of NPs does not take place. Adsorption of one of the strands of double-stranded DNA is determined by a number of factors. Among them, one can distinguish, firstly, the stability of the duplex itself, which determines the probability of local unwinding and, thus, the availability of the strand to interact with the surface. Secondly, there is the rate of the adsorption reaction, which depends on the properties of a particular single-stranded DNA sequence and the surface itself. In our work, we investigated the effect of magnesium ions on the stability of a DNA duplex conjugated with 5 nm nanoparticles, which were used to synthesize larger dumbbell-shaped nanostructures [1]. Experimental results show that magnesium not only stabilizes DNA, but also recharges the negatively charged NP surface. This may contribute to the partial wrapping of DNA around NPs, which is accompanied by damage to the secondary structure of DNA. This effect was especially clearly demonstrated by us when studying the interaction of single-stranded polyadenine sequences with NPs [2]. We also showed that monovalent sodium ions, in contrast to magnesium, screen the NP surface and DNA charge without leading to an increase in the number of bound oligonucleotides. Polyadenine regions of DNA have the property of specific adsorption on gold and are widely used for immobilization of sequences linked to them. The proposed scheme of adsorption of single-stranded polyadenine DNA regions on gold NPs deserves special attention. We have shown that the ionic strength also plays a key role. We hope that this approach can be used to increase the stability of DNA-organized NPs and also applied in a number of biosensor schemes to increase their detection limit. The research was supported by RSF grants No. 19-73-00113 and No. 22-25-00302.



[1] Sokolov P A, Ramazanov R R, Rolich V I, Popova M A, Shalygin V E and Kasyanenko N A 2020 Stabilization of DNA by sodium and magnesium ions during the synthesis of DNA-bridged gold nanoparticles Nanotechnology 32

[2] Sokolov P A and Ramazanov R R 2022 Probing the conjugation of gold NPs using single-stranded DNA comprising two polyadenine adhesive tails J. Adhes.

[3] Sokolov P A, Ramasanoff R R, Gabrusenok P V, Baryshev A V and Kasyanenko N A 2022 Hybridization-Driven Adsorption of Polyadenine DNA onto Gold Nanoparticles Langmuir