Adhäsion und Reibung einzelner DNA-Moleküle

Abstract

Das Verständnis und die Kontrolle der Dynamik von Polymer-Oberflächen-Wechsel- wirkungen sind die Voraussetzung für das Design von Nanoobjekten und für das Verständnis biologischer Prozesse. Wir untersuchen dynamische Reibung und Adhäsion an einer Fest-Flüssig-Grenzfläche mit Hilfe des Rasterkraftmikroskops (AFM). Als Modellsystem wird ein einzelnes M13mp18-DNA-Molekül, mit einer Länge von 2.5 µm, mittels Biotin-Streptavidin-Wechselwirkung über einen Bead an einen Cantilever gebunden. Bei den Adhäsionsmessungen wird der Cantilever mehrfach gen Oberfläche gefahren, wobei er teilweise mehrere hundert Nanometer darüber verweilt, um eine Interaktion zwischen dem Bead und der Oberfläche zu vermeiden. Die Reibungsmessungen werden durchgeführt, indem der Cantilever seitlich parallel zur Oberfläche in einer Höhe von mehreren hundert Nanometern mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegt wird. Dies führt zur adhäsiven Wechselwirkung zwischen dem DNA-Molekül an verschiedenen Oberflächen und somit zu einer Verbiegung des Cantilevers. Die verwendeten Oberflächen sind eine mit Cellulosenitrat und Anti-Digoxigenin beschichtete Glasoberfläche, eine positiv geladene poröse Membran und eine mit Poly-L-Lysin beschichteter Glasoberfläche. Das Signal wird unter Berücksichtigung der Abrisskraft, Abrissposition und Frequenz sowie auf mögliche Hotspots bei den Reibungsmessungen analysiert, um typische Wechselwirkungen der DNA mit verschiedenen Oberflächen aufzudecken.

Understanding and controlling the dynamics of polymer-surface interactions are key to design nanoscale objects and to understand biological processes. We study dynamic friction and adhesion at the solid-liquid interface by means of atomic force microscopy (AFM) with focus on entanglement dynamics. As a model system, a single M13mp18 DNA-molecule with a length of 2.5 μm is attached via a bead to a cantilever using biotin-streptavidin interaction. Adhesion measurements are performed by approaching and retracting from the surface several times. Partially stopping several hundred nanometers over the surface to avoid the interaction between the bead and the surface. Friction measurements are performed by driving the cantilever laterally in parallel to the surface at a height of several hundred nanometers with different tip velocities. During sliding, the adhesive interaction between the DNA molecule on the AFM tip and different surfaces causes a bending of the cantilever. The used surfaces are a glass surface coated with Nitrocellulose and Anti-Digoxigenin, a positively charged porous membrane and a glass slide coated with Poly-L-Lysine. The signal will be analysed in consideration of the detachment force, position and frequency and possible hotspots for the friction measurements to reveal typical interactions of DNA with different surfaces.