Toehold-Mediated Shape Transition of Nucleic Acid Nanoparticles

材料科学 纳米颗粒 核酸 纳米技术 化学工程 生物化学 生物 工程类
作者
Jordan Hartung,Nathan McCann,Erwin Doe,Hannah L. Hayth,Kheiria Benkato,M. Brittany Johnson,Mathias Viard,Kirill A. Afonin,Emil F. Khisamutdinov
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (21): 25300-25312 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acsami.3c01604
摘要

We introduce a toehold-mediated strand displacement strategy for regulated shape-switching of nucleic acid nanoparticles (NANPs) enabling their sequential transformation from triangular to hexagonal architectures at isothermal conditions. The successful shape transitions were confirmed by electrophoretic mobility shift assays, atomic force microscopy, and dynamic light scattering. Furthermore, implementation of split fluorogenic aptamers allowed for monitoring the individual transitions in real time. Three distinct RNA aptamers─malachite green (MG), broccoli, and mango─were embedded within NANPs as reporter domains to confirm shape transitions. While MG "lights up" within the square, pentagonal, and hexagonal constructs, the broccoli is activated only upon formation of pentagon and hexagon NANPs, and mango reports only the presence of hexagons. Moreover, the designed RNA fluorogenic platform can be employed to construct a logic gate that performs an AND operation with three single-stranded RNA inputs by implementing a non-sequential polygon transformation approach. Importantly, the polygonal scaffolds displayed promising potential as drug delivery agents and biosensors. All polygons exhibited effective cellular internalization followed by specific gene silencing when decorated with fluorophores and RNAi inducers. This work offers a new perspective for the design of toehold-mediated shape-switching nanodevices to activate different light-up aptamers for the development of biosensors, logic gates, and therapeutic devices in the nucleic acid nanotechnology.
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