Nanobioteknologia ja bionanoteknologia ovat suhteellisen uusia, nopeasti kehittyviä tieteenaloja, jotka hyödyntävät biomolekyylejä. Biomolekyylien luonnolliset ominaisuudet ja toiminta täytyy tuntea hyvin, jotta niitä voidaan hyödyntää moderneissa teknisissä sovelluksissa. Biomolekyylien ominaisuuksia täytyy myös usein muokata joko geneettisesti tai kemiallisesti, jotta ne soveltuvat tiettyyn käyttökohteeseen.

Tämän tutkimuksen tavoitteena oli karakterisoida ja muokata biomolekyylien ominaisuuksia, jotta niistä voitaisiin valmistaa molekyylityökaluja nanobioteknologian ja bionanoteknologian tarpeisiin. Avidiini-proteiinit valittiin muokattaviksi sen vuoksi, että niitä käytetään jo laajalti bioteknologian sovelluksissa, sillä ne sitovat poikkeuksellisen voimakkaasti pientä vitamiini-molekyyliä, D-biotiinia (Kd ~10-15 M). Tässä työssä muokattiin aiemmin kehitetyn kaksoisketjuavidiinin (dcAvd) toista ligandin sitoutumispaikkaa muodostamaan kovalentin sidoksen ligandin kanssa. Näin aikaansaatu uusi proteiini, dcAvd-Cys, kykenee sitoutumaan kahdenlaisten molekyylien, tioli-reaktiivisten sekä biotinyloitujen molekyylien kanssa samanaikaisesti, joten sitä voitaisiin hyödyntää molekyylien hallitussa immobilisoinnissa.

Työssä määritettiin kahden avidiinin kiderakenteet suurella tarkkuudella. Rakenteen, biokemiallisen ja biofysikaalisen karakterisoinnin perusteella näiden proteiinien käyttäytyminen poikkeaa aiemmin tutkituista avidiineista. Tetrameerisen villityypin bradavidiinin C-terminaaliset aminohappotähteet vuorovaikuttavat viereisen monomeerin ligandinsitomistaskun kanssa, käyttäytyen kuten monomeerien välinen sisäinen ligandi. Tämä havainto johti bradavidiini-spesifisen Brad-tag:n kehittämiseen, ja Brad-tag:n osoitettiin olevan käyttökelpoinen affiniteettikahva (Kd ~2,5 × 10-5 M). Suurin osa tutkituista (strept)avidiineista on tetrameerisia tai dimeerisiä proteiineja, kun taas bradavidiini II:n oligomeerisuusaste osoittautui vaihtelevan ympäröivien olosuhteiden mukaan. Bradavidiini II:n heikkoa oligomerisoitumispyrkimystä voitaisiin hyödyntää fuusioproteiinien kehittämisessä.

Avidiinien ohella tutkittiin kahta erilaista biomolekyylien muodostamaa kompleksia. Ensimmäiseksi hyödynnettiin deoksiribonukleiinihappojen (DNA) ominaisuuksia kehitettäessä määrätyn kokoinen, itsejärjestyvä DNA-rakenne (B–A–B-kompleksi). Kompleksi ohjattiin kullasta valmistettujen nanoelektrodien väliin dielektroforeesin ja tioli-kulta sidoksen avulla. Streptavidiinin avulla osoitettiin, että kompleksi voidaan funktionalisoida muilla molekyyleillä. B–A–B-kompleksin mitattu johtavuus oli lähes olematonta. Kehitetty kompleksi voisi toimia alustana, johon kyettäisiin tarkasti sijoittamaan muita molekyylielektroniikan komponentteja. Toiseksi hyödynnettiin kitosaanin ja DNA:n sähköstaattista vuorovaikutusta valmistettaessa kitosaani-DNA nanopartikkeleita geenien kuljettamiksi. Nanopartikkelit funktionalisoitiin fluoresoivilla leimoilla ja kohdentavilla peptideillä. Soluviljelyanalyysissä nanopartikkelit kulkeutuivat kohdesolujen sisään.

Kokonaisuudessaan tässä työssä tuotettiin monipuolisia molekyylityökaluja, jotka perustuvat muokattuihin avidiineihin, itsejärjestäytyvään DNA-rakenteeseen ja kitosaani-DNA nanopartikkeleihin. Vaikka kehitettyjen työkalujen sovelluskohteet vaihtelevat biosensoripinnoista proteiinien tunnistamiseen ja molekyylitason elektroniikasta geenien kuljettamiseen, eri osatutkimuksissa käytettiin monia samoja menetelmiä ja materiaaleja. Tutkitut ja kehitetyt biomolekyylit lisäävät tietoa, jota tarvitaan parempien molekyylityökalujen valmistamisessa.