In this thesis several reconfigurable nano devices, capable of conformational changes will be presented. The DNA origami technique was employed to fabricate the components. Two extensively studied systems, a switchable hydrophobic envelope and interlocked rotaxane constructs will be discussed in detail. DNA constructs were analyzed by atomic force microscopy, transmission electron microscopy, optical super-resolution DNA PAINT imaging and gel electrophoresis. The kinetics of switching processes between different conformations were observed by FRET based fluorescence spectrometer measurements. The hydrophobic envelope structure was based on a rectangular DNA sheet carrying hydrophobic cholesterol moieties on one side. Due to the hydrophobic attraction of the cholesterol moieties, the DNA sheet folded on themselves to form a double layered envelope. The closing of the envelopes could be reversed by the addition of a surfactant. The constructs could readily attach to lipid bilayers and open upon binding. The folding behavior was analyzed for different design variants of the construct. While previously presented DNA assemblies and machines were mostly based on base pairing and stacking interactions, these constructs involve additional hydrophobic interactions. The use of hydrophobic interactions extends the repertoire of design and actuation strategies for DNA nano structures. A modular multicomponent system of several different DNA origami subunits was developed for the assembly of rotaxane and pseudorotaxane constructs of various sizes. These interlocked constructs represent the largest bottom up assembled DNA rotaxane structures. Furthermore the rigid origami subunits allow the formation of geometrically well defined objects, in contrast to may previously presented interlocked DNA assemblies. The rings threaded onto axle components were switched reversibly between an immobile, attached state and a mobile state. In the mobile state, the rings are not connected to the axle by any chemical bond but confined solely by steric hindrance of stopper elements. External actuation of single rings by the tip of an atomic force microscope was demonstrated. Interlocked molecules represent the nano scale analog to macroscopic machines like bearings, representing fundamental macroscopic machine elements in engineering. While connecting components permanently, interlocked connection still allow confined motion. In analogy to macroscopic mechanical devices, such components might be also employed for constructing artificial nano scale machinery. A simpler, quickly assembled model system for mechanical nanoscale DNA machinery was introduced, a tethered arm mounted on an addressable origami platform. The dynamic behavior of the rotating arm can be easily tracked by fluorescence microscopy allowing precise analysis of the arm motion. Additionally a tubular model structure for confinement of components for enzymatic reactions and delivery to cells is presented. Furthermore a small DNA origami pore prototype was created from a short 1000 nucleotide scaffold. We also investigated surface assisted lattice formation of DNA origami tiles. The tiles were attached to supported lipid bilayers, still allowing the diffusion within two dimensions. These assemblies were characterized by atomic force microscopy. We furthermore established a technique for faster and more efficient labeling of DNA constructs with nanoparticles based on a solid phase synthesis process.      «

In this thesis several reconfigurable nano devices, capable of conformational changes will be presented. The DNA origami technique was employed to fabricate the components. Two extensively studied systems, a switchable hydrophobic envelope and interlocked rotaxane constructs will be discussed in detail. DNA constructs were analyzed by atomic force microscopy, transmission electron microscopy, optical super-resolution DNA PAINT imaging and gel electrophoresis. The kinetics of switching processes...     »

Im Rahmen dieser Arbeit werden mehrere rekonfigurierbare DNA Origami Nano Strukturen vorgestellt. Die DNA Origami Methode wurde zur Herstellung der Komponenten verwendet. Zwei Systeme werden genauer betrachtet: Ein schaltbarer hydrophober Umschlag und ein modulares System zur Herstellung mechanisch verbundener Origami Strukturen. Rasterkraftmikroskopie, Transmissions-Elektronen-Mikroskopie, DNA PAINT Aufnahmen (super-resolution) und Gelelektrophorese wurde zur Analyse der Konstrukte eingesetzt. Die Dynamik von Konformationsändernderungen wurde mit FRET basierten fluoreszenzspektrometrischen Messungen beobachtet. Der hydrophobe Umschlag besteht aus einer DNA Platte die auf einer Seite hydrophobe Cholesterol Modifikationen trägt. Aufgrund der hydrophoben Anziehung der Cholesterolgruppen untereinander faltet sich die DNA Platte auf sich selbst. Diese Faltung konnte durch Zugabe eines Tensids wieder geöffnet werden. Zudem können die Platten an Lipidmembranen binden und öffnen sich daraufhin. Das Verhalten verschiedener Versionen der Struktur wurde analysiert. Während bisherige DNA Konstrukte und Maschinen vor allem auf DNA Wechselwirkungen wie Basenpaarung und Stapelwechselwirkungen basieren, spielt hier auch der hydrophobe Effekt eine Rolle. Der Einsatz hydrophober Wechselwirkungen erweitert die Designmöglichkeiten von DNA Konstrukten und eröffnet neue Wege zum Schalten zwischen verschieden Konformationen. Es wurde ein System verschiedener DNA Origami Komponenten für den Bau von Rotaxan und Pseudrotaxan Konstrukten in verschiedensten Größen entwickelt. Diese mechanisch verbundenen Strukturen stellen die bislang größten selbstassemblierten DNA Rotaxane dar. Durch die Verwendung steifer DNA Origami Untereinheiten sind diese Strukturen im Gegensatz zu vielen früheren Rotaxanen geometrisch wohl definiert. Die auf DNA Achsen gefädelten Ringe ließen sich umkehrbar zwischen einem angebundenen und einem freien Zustand umschalten. Im losgelösten Zustand sind die Ringe nicht chemisch angebunden sondern werden nur durch sterische Hinderung von Stopper Elementen festgehalten. Einzelne Ringe konnten auch extern mithilfe einer AFM Spitze bewegt werden. Mechanisch verbundene Moleküle stellen auf der Nanoskala das Analog zu mechanischen Lagern dar, fundamentaler komponenten makroskopischer Maschinen. Molekulare mechanische Bindungen verbinden einerseits Komponenten dauerhaft miteinander, erlauben aber dennoch gewisse Relativbewegungen ohne zusätlichen widerstand. Ebenso wie bei makroskopischen mechanischen Geräten könnten solche Komponenten könnten auch zur Herstellung von Maschinen auf der Nanoskala dienen. Ein einfacheres und schneller herzustellendes Modellsystem für DNA basierte nano Maschninen wurde in Form einer adressierbaren Origami Plattform mit angebundenem Schwenkarm realisiert. Die Bewegungen des Arms können sehr leicht experimentell durch Fluoreszenzmikroskopie verfolgt und analysiert werden. Zudem wurde eine Röhrenförmige DNA Struktur entwickelt als Modellsystem für Kompartimentierung von Enzymreaktionen und für die Aufnahme in Zellen. Darüber hinaus wurde der Prototyp einer kleinen DNA Origami Nanopore entwickelt, basierend auf einem 1000 Nukelotid Scaffold Strang. Außerdem wurde die oberflächenunterstützte Bildung von Gitterstrukturen aus DNA Origami Untereinheiten untersucht. Die Monomere wurden auf Oberflächen stabilisierten Doppellipischichten angebunden, die weiterhin eine laterale Diffusion der Monomere erlaubten. Die entstandenen Konstrukte wurden durch Rasterkraftmikroskopie abgebildet. Zudem haben wir eine Methode zur schnelleren und effizienteren Funktionalisierung von DNA Strukturen mit Nanopartikeln durch Festphasensynthese entwickelt.     «

Im Rahmen dieser Arbeit werden mehrere rekonfigurierbare DNA Origami Nano Strukturen vorgestellt. Die DNA Origami Methode wurde zur Herstellung der Komponenten verwendet. Zwei Systeme werden genauer betrachtet: Ein schaltbarer hydrophober Umschlag und ein modulares System zur Herstellung mechanisch verbundener Origami Strukturen. Rasterkraftmikroskopie, Transmissions-Elektronen-Mikroskopie, DNA PAINT Aufnahmen (super-resolution) und Gelelektrophorese wurde zur Analyse der Konstrukte eingesetzt....     »