Highly Selective Ring Opening of Epoxides Catalyzed by MOF and Label-Free Assay of DNA and ATP Using a Light Switch Complex

Abstract

Metal-organic porous hybrid materials offer significant new scientific and technological opportunities by combining attractive features of both inorganic and organic moieties due to their novel coordination structures, diverse topologies and lead to many potential applications in gas storage, separation, catalyst, and drug delivery. The introduction or incorporation of metal organic framework (MOF) into porous hybrids is very attractive since MOF can strongly interact with guest molecules such as gases and organic molecules in adsorption and catalysis. Indeed, they can offer a promising tool in catalysis because regular arrangements and well-understood surrounding environments of metal centers in the pore channels induce regioselectivity and shape- or size-selectivity towards guest molecules or reaction intermediates. These characteristics are advantageous over other porous materials such as inorganic zeolites and mesoporous materials. The Iron(Ⅲ) carboxylates with giant pores labeled MIL-100 (MIL for Materials of Institut Lavoisier) provide potential MOF as Lewis acid sites in the structure. One might be interested in the catalysis of MOF Fe(Ⅲ) in MIL-100 because Fe-containing porous solid showed promise for certain ring opening of epoxides in the presence of methanol and aniline. In the sense, we have first explored the ring opening of dehydrated MIL-100 by examining its reactivity with epoxides in the presence of methanol and aniline. Indeed, MIL-100 was able to effectively and selectively catalyze the ring opening of epoxides by methanol and aniine. In part II, aptamer is the single strand DNA or RNA which can recognize various targets due to their high selectivity and strong affinity. Presented part II is a new approach to detect small molecules utilizing aptamers in a single experiment without any labeling procedures. The study has introduced a facile method for the selective label-free analysis of the adenosine triphosphate (ATP) by the sensitive fluorometric detection of a target DNA strand and ATP, using the 31-mer oliginucleotide as the sensing element. The conformational difference between a double-stranded oligonucleotide and a changed structure of oligonucleotide-ATP complex affects the current intensity in the fluorescence of the rac-Ru(phen)₂(dppz)^(2+) due to binding to the hydrophobic base pairs of double-helical DNA. This duplex DNA in the titration of ATP provides a simple, selective, and sensitive label-free approach to sensing ATP with a detection using rac-Ru(phen)₂(dppz)^(2+) as the fluorescence material. This allowed the current readout of the operation of the aptasensors to distinguish from other nucleosides such as adenosine 5’-monophosphate (AMP), cytidine 5’-monophosphate (CMP) and guanosine 5’-monophosphate (GMP). This method would be also feasible for the analysis of other small substrates such as adenosine, potassium, cocaine by corresponding aptamers.;금속-유기물질 다공성 혼성물질^(1-3)은 무기적, 유기적 특징을 모두 지니고 있어서 새롭고 과학적인 기회를 제공하고 독창적 배위구조, 다양한 위상, 그리고 저장^(4-6), 분리^(7-9), 촉매^(10-14), 약 성분 전달^(15)과 같은 잠재적 응용 능력으로 인해 중요하게 여겨져 관심을 받고 있다. 촉매로서의 역할은 이 혼성물질의 넓은 응용분야의 한 부분에 불과하지만, 이 물질이 촉매로서의 역할을 할 때 MOF (metal organic framework)의 다공성 혼합물질로의 도입 및 결합은 흥미로운 특징이다. MOF가 기체^(16) 또는 유기물질^(17)과 같은 guest molecule과의 강한 작용성을 가졌으며, 이러한 성질은 무기 zeolite와 mesoporous 물질과 같은 다른 다공성 물질들에 비해 더 큰 이점으로 작용하기 때문이다. 다공성 혼성물질들은 촉매로서의 응용을 더 용이하게 하기 위해 표면 기능화가 요구된다. 기존 물질로부터 촉매로서의 역할이 요구되어 짐에 따라 표면 기능화된 다공성 혼성물질을 창안하였다. 이 다공성 물질을 이용하여 촉매로서의 역할을 수행할 수 있는 반응을 진행하였으며, MOF가 도입된 다공성 혼성물질이 가진 촉매로서의 뛰어난 응용 능력을 촉매 반응, 선택적 촉매 반응 등을 통하여 증명할 수 있었다. DNA에 별도의 라벨링 과정이 없이 ATP (adenosine triphosphate)와 결합함에 따른 구조변화를 응용한 형광 aptasensor에 관련된 연구를 하였고, 측정을 위하여 fluorescence spectrometer를 이용하였다. 이 연구는 target oligonucleotide와 ATP의 선택적이고 민감한 감지를 위해 rac-Ru(phen)₂(dppz)^(2+)와 ATP에 반응하는 앱타머 (aptamer)를 이용한 새로운 분석 방법이다. rac-Ru(phen)₂(dppz)^(2+) 화합물이 이중나선 DNA에 intercalation되었을 때와 ATP와 반응한 앱타머가 G-quadruplex 구조에 intercalation되었을 때의 형광 변화를 관찰하였다. ATP를 농도 별로 넣어줌에 따라 이와 반응한 앱타머의 구조적 변화를 비교하기 위하여 ATP대신에 AMP, CMP, GMP와 앱타머를 반응시킨 비교 실험을 통하여 ATP와 ATP 앱타머는 서로에게만 선택적으로 결합하고 그 구조로 형광 변화를 유발함을 증명할 수 있었다. 이러한 결과는 생체 내 중요성을 가지는 ATP 검출에 도움을 줄 수 있을 것이다.