We designed and synthesized a series of 2'-deoxyribonucleoside triphosphates (dNTPs) bearing various lipid moieties. Fatty acid- and cholesterol-modified dNTPs proved to be substrates for KOD XL DNA polymerase in primer extension reactions. They were also mutually compatible for simultaneous multiple incorporations into the DNA strand. The methodology of enzymatic synthesis opened a pathway to diverse structurally unique lipid-ON probes containing one or more lipid units. We studied interactions of such probes with the plasma membranes of live cells. Employing a rational design, we found a series of lipid-ONs with enhanced membrane anchoring efficiency. The in-membrane stability of multiply modified ONs was superior to that of commonly studied ON analogues, in which a single cholesterol molecule is typically tethered to the thread end. Notably, some of the probes were detected at the cell surface even after 24 h upon removal of the probe solution. Such an effect was general to several studied cell lines.

Department of Organic Chemistry Faculty of Science Charles University Prague Hlavova 8 Prague 2 12843 Czech Republic

Institute of Organic Chemistry and Biochemistry Czech Academy of Sciences Flemingovo namesti 2 CZ 16610 Prague 6 Czech Republic

Zobrazit více v PubMed

Li L. Liu S. Zhang C. Guo Z. Shao S. Deng X. Liu Q. Chem.–Eur. J. 2022:e202202070. PubMed

Langecker M. Arnaut V. List J. Simmel F. C. Acc. Chem. Res. 2014;47:1807–1815. doi: 10.1021/ar500051r. PubMed DOI

Li X. Feng K. Li L. Yang L. Pan X. Yazd H. S. Cui C. Li J. Moroz L. Sun Y. Wang B. Li X. Huang T. Tan W. Natl. Sci. Rev. 2020;7:1933–1953. doi: 10.1093/nsr/nwaa161. PubMed DOI PMC

Huo S. Li H. Boersma A. J. Herrmann A. Adv. Sci. 2019;6:1900043. doi: 10.1002/advs.201900043. PubMed DOI PMC

Bagheri Y. Shafiei F. Chedid S. Zhao B. You M. Supramol. Chem. 2019;31:532–544. doi: 10.1080/10610278.2019.1632454. DOI

Letsinger R. L. Zhang G. R. Sun D. K. Ikeuchi T. Sarin P. S. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1989;86:6553–6556. doi: 10.1073/pnas.86.17.6553. PubMed DOI PMC

Le B. T. Kosbar T. R. Veedu R. N. ACS Omega. 2020;5:18035–18039. doi: 10.1021/acsomega.0c01463. PubMed DOI PMC

Prakash T. P. Mullick A. E. Lee R. G. Yu J. Yeh S. T. Low A. Chappell A. E. Østergaard M. E. Murray S. Gaus H. J. Swayze E. E. Seth P. P. Nucleic Acids Res. 2019;47:6029–6044. doi: 10.1093/nar/gkz354. PubMed DOI PMC

Godeau G. Staedel C. Barthélémy P. J. Med. Chem. 2008;51:4374–4376. doi: 10.1021/jm800518u. PubMed DOI

Xiong X. Liu H. Zhao Z. Altman M. B. Lopez-Colon D. Yang C. J. Chang L.-J. Liu C. Tan W. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 2013;52:1472–1476. doi: 10.1002/anie.201207063. PubMed DOI PMC

Jin J.-O. Park H. Zhang W. de Vries J. W. Gruszka A. Lee M. W. Ahn D.-R. Herrmann A. Kwak M. Biomaterials. 2017;115:81–89. doi: 10.1016/j.biomaterials.2016.11.020. PubMed DOI

Bousmail D. Amrein L. Fakhoury J. J. Fakih H. H. Hsu J. C. C. Panasci L. Sleiman H. F. Chem. Sci. 2017;8:6218–6229. doi: 10.1039/C7SC01619K. PubMed DOI PMC

Willem de Vries J. Schnichels S. Hurst J. Strudel L. Gruszka A. Kwak M. Bartz-Schmidt K.-U. Spitzer M. S. Herrmann A. Biomaterials. 2018;157:98–106. doi: 10.1016/j.biomaterials.2017.11.046. PubMed DOI

Alemdaroglu F. E. Alemdaroglu N. C. Langguth P. Herrmann A. Adv. Mater. 2008;20:899–902. doi: 10.1002/adma.200700866. DOI

Chan Y.-H. M. van Lengerich B. Boxer S. G. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2009;106:979. doi: 10.1073/pnas.0812356106. PubMed DOI PMC

Meng Z. Yang J. Liu Q. de Vries J. W. Gruszka A. Rodriguez-Pulido A. Crielaard B. J. Kros A. Herrmann A. Chem.–Eur. J. 2017;23:9391–9396. doi: 10.1002/chem.201701379. PubMed DOI

Malle M. G. Löffler P. M. G. Bohr S. S. R. Sletfjerding M. B. Risgaard N. A. Jensen S. B. Zhang M. Hedegård P. Vogel S. Hatzakis N. S. Nat. Chem. 2022;14:558–565. doi: 10.1038/s41557-022-00912-5. PubMed DOI

Gartner Z. J. Bertozzi C. R. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2009;106:4606–4610. doi: 10.1073/pnas.0900717106. PubMed DOI PMC

Selden N. S. Todhunter M. E. Jee N. Y. Liu J. S. Broaders K. E. Gartner Z. J. J. Am. Chem. Soc. 2012;134:765–768. doi: 10.1021/ja2080949. PubMed DOI PMC

Todhunter M. E. Jee N. Y. Hughes A. J. Coyle M. C. Cerchiari A. Farlow J. Garbe J. C. LaBarge M. A. Desai T. A. Gartner Z. J. Nat. Methods. 2015;12:975–981. doi: 10.1038/nmeth.3553. PubMed DOI PMC

You M. Lyu Y. Han D. Qiu L. Liu Q. Chen T. Sam Wu C. Peng L. Zhang L. Bao G. Tan W. Nat. Nanotechnol. 2017;12:453–459. doi: 10.1038/nnano.2017.23. PubMed DOI PMC

Saminathan A. Devany J. Veetil A. T. Suresh B. Pillai K. S. Schwake M. Krishnan Y. Nat. Nanotechnol. 2021;16:96–103. doi: 10.1038/s41565-020-00784-1. PubMed DOI PMC

Langecker M. Arnaut V. Martin T. G. List J. Renner S. Mayer M. Dietz H. Simmel F. C. Science. 2012;338:932–936. doi: 10.1126/science.1225624. PubMed DOI PMC

Xing Y. Dorey A. Jayasinghe L. Howorka S. Nat. Nanotechnol. 2022;17:708–713. doi: 10.1038/s41565-022-01116-1. PubMed DOI

Avakyan N. Conway J. W. Sleiman H. F. J. Am. Chem. Soc. 2017;139:12027–12034. doi: 10.1021/jacs.7b06572. PubMed DOI

Borisenko G. G. Zaitseva M. A. Chuvilin A. N. Pozmogova G. E. Nucleic Acids Res. 2009;37:e28. doi: 10.1093/nar/gkn1034. PubMed DOI PMC

Bagheri Y. Chedid S. Shafiei F. Zhao B. You M. Chem. Sci. 2019;10:11030–11040. doi: 10.1039/C9SC04251B. PubMed DOI PMC

Tian Q. Bagheri Y. Keshri P. Wu R. Ren K. Yu Q. Zhao B. You M. Chem. Sci. 2021;12:2629–2634. doi: 10.1039/D0SC06630C. PubMed DOI PMC

Kong Y. Du Q. Li J. Xing H. Chem. Commun. 2022;58:3086–3100. doi: 10.1039/D1CC06138K. PubMed DOI

Yang J. Meng Z. Liu Q. Shimada Y. Olsthoorn R. C. L. Spaink H. P. Herrmann A. Kros A. Chem. Sci. 2018;9:7271–7276. doi: 10.1039/C8SC01771A. PubMed DOI PMC

Arnott P. M. Joshi H. Aksimentiev A. Howorka S. Langmuir. 2018;34:15084–15092. doi: 10.1021/acs.langmuir.8b02271. PubMed DOI PMC

Jones S. F. Joshi H. Terry S. J. Burns J. R. Aksimentiev A. Eggert U. S. Howorka S. J. Am. Chem. Soc. 2021;143:8305–8313. doi: 10.1021/jacs.0c13235. PubMed DOI PMC

Kwak M. Herrmann A. Chem. Soc. Rev. 2011;40:5745–5755. doi: 10.1039/C1CS15138J. PubMed DOI

Biscans A. Coles A. Haraszti R. Echeverria D. Hassler M. Osborn M. Khvorova A. Nucleic Acids Res. 2018;47:1082–1096. doi: 10.1093/nar/gky1239. PubMed DOI PMC

Liu K. Zheng L. Liu Q. de Vries J. W. Gerasimov J. Y. Herrmann A. J. Am. Chem. Soc. 2014;136:14255–14262. doi: 10.1021/ja5080486. PubMed DOI

Banchelli M. Gambinossi F. Durand A. Caminati G. Brown T. Berti D. Baglioni P. J. Phys. Chem. B. 2010;114:7348–7358. doi: 10.1021/jp100731c. PubMed DOI

Gambinossi F. Banchelli M. Durand A. Berti D. Brown T. Caminati G. Baglioni P. J. Phys. Chem. B. 2010;114:7338–7347. doi: 10.1021/jp100730x. PubMed DOI

Anaya M. Kwak M. Musser A. J. Müllen K. Herrmann A. Chem.–Eur. J. 2010;16:12852–12859. doi: 10.1002/chem.201001816. PubMed DOI

Kurz A. Bunge A. Windeck A.-K. Rost M. Flasche W. Arbuzova A. Strohbach D. Müller S. Liebscher J. Huster D. Herrmann A. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 2006;45:4440–4444. doi: 10.1002/anie.200600822. PubMed DOI

Jäger S. Rasched G. Kornreich-Leshem H. Engeser M. Thum O. Famulok M. J. Am. Chem. Soc. 2005;127:15071–15082. doi: 10.1021/ja051725b. PubMed DOI

Ondruš M. Sýkorová V. Bednárová L. Pohl R. Hocek M. Nucleic Acids Res. 2020;48:11982–11993. doi: 10.1093/nar/gkaa999. PubMed DOI PMC

Jäger S. Famulok M. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 2004;43:3337–3340. doi: 10.1002/anie.200453926. PubMed DOI

Kodr D. Yenice C. P. Simonova A. Saftić D. P. Pohl R. Sýkorová V. Ortiz M. Havran L. Fojta M. Lesnikowski Z. J. O'Sullivan C. K. Hocek M. J. Am. Chem. Soc. 2021;143:7124–7134. doi: 10.1021/jacs.1c02222. PubMed DOI

Zasedateleva O. A. Surzhikov S. A. Shershov V. E. Miftakhov R. A. Yurasov D. A. Kuznetsova V. E. Chudinov A. V. Bioorg. Chem. 2020;99:103829. doi: 10.1016/j.bioorg.2020.103829. PubMed DOI

Bentley D. R. Balasubramanian S. Swerdlow H. P. Smith G. P. Milton J. Brown C. G. Hall K. P. Evers D. J. Barnes C. L. Bignell H. R. Boutell J. M. Bryant J. Carter R. J. Keira Cheetham R. Cox A. J. Ellis D. J. Flatbush M. R. Gormley N. A. Humphray S. J. Irving L. J. Karbelashvili M. S. Kirk S. M. Li H. Liu X. Maisinger K. S. Murray L. J. Obradovic B. Ost T. Parkinson M. L. Pratt M. R. Rasolonjatovo I. M. J. Reed M. T. Rigatti R. Rodighiero C. Ross M. T. Sabot A. Sankar S. V. Scally A. Schroth G. P. Smith M. E. Smith V. P. Spiridou A. Torrance P. E. Tzonev S. S. Vermaas E. H. Walter K. Wu X. Zhang L. Alam M. D. Anastasi C. Aniebo I. C. Bailey D. M. D. Bancarz I. R. Banerjee S. Barbour S. G. Baybayan P. A. Benoit V. A. Benson K. F. Bevis C. Black P. J. Boodhun A. Brennan J. S. Bridgham J. A. Brown R. C. Brown A. A. Buermann D. H. Bundu A. A. Burrows J. C. Carter N. P. Castillo N. Catenazzi M. Chiara E. Chang S. Neil Cooley R. Crake N. R. Dada O. O. Diakoumakos K. D. Dominguez-Fernandez B. Earnshaw D. J. Egbujor U. C. Elmore D. W. Etchin S. S. Ewan M. R. Fedurco M. Fraser L. J. Fuentes Fajardo K. V. Scott Furey W. George D. Gietzen K. J. Goddard C. P. Golda G. S. Granieri P. A. Green D. E. Gustafson D. L. Hansen N. F. Harnish K. Haudenschild C. D. Heyer N. I. Hims M. M. Ho J. T. Horgan A. M. Hoschler K. Hurwitz S. Ivanov D. V. Johnson M. Q. James T. Huw Jones T. A. Kang G.-D. Kerelska T. H. Kersey A. D. Khrebtukova I. Kindwall A. P. Kingsbury Z. Kokko-Gonzales P. I. Kumar A. Laurent M. A. Lawley C. T. Lee S. E. Lee X. Liao A. K. Loch J. A. Lok M. Luo S. Mammen R. M. Martin J. W. McCauley P. G. McNitt P. Mehta P. Moon K. W. Mullens J. W. Newington T. Ning Z. Ling Ng B. Novo S. M. O'Neill M. J. Osborne M. A. Osnowski A. Ostadan O. Paraschos L. L. Pickering L. Pike A. C. Pike A. C. Chris Pinkard D. Pliskin D. P. Podhasky J. Quijano V. J. Raczy C. Rae V. H. Rawlings S. R. Chiva Rodriguez A. Roe P. M. Rogers J. Rogert Bacigalupo M. C. Romanov N. Romieu A. Roth R. K. Rourke N. J. Ruediger S. T. Rusman E. Sanches-Kuiper R. M. Schenker M. R. Seoane J. M. Shaw R. J. Shiver M. K. Short S. W. Sizto N. L. Sluis J. P. Smith M. A. Ernest Sohna Sohna J. Spence E. J. Stevens K. Sutton N. Szajkowski L. Tregidgo C. L. Turcatti G. vandeVondele S. Verhovsky Y. Virk S. M. Wakelin S. Walcott G. C. Wang J. Worsley G. J. Yan J. Yau L. Zuerlein M. Rogers J. Mullikin J. C. Hurles M. E. McCooke N. J. West J. S. Oaks F. L. Lundberg P. L. Klenerman D. Durbin R. Smith A. J. Nature. 2008;456:53–59. doi: 10.1038/nature07517. PubMed DOI PMC

Wang Y. Tkachenko B. A. Schreiner P. R. Marx A. Org. Biomol. Chem. 2011;9:7482–7490. doi: 10.1039/C1OB05929G. PubMed DOI

Balintová J. Simonova A. Białek-Pietras M. Olejniczak A. Lesnikowski Z. J. Hocek M. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2017;27:4786–4788. doi: 10.1016/j.bmcl.2017.09.064. PubMed DOI

Simonova A. Magriñá I. Sýkorová V. Pohl R. Ortiz M. Havran L. Fojta M. O'Sullivan C. K. Hocek M. Chem.–Eur. J. 2020;26:1286–1291. doi: 10.1002/chem.201904700. PubMed DOI PMC

Fujita H. Nakajima K. Kasahara Y. Ozaki H. Kuwahara M. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2015;25:333–336. doi: 10.1016/j.bmcl.2014.11.037. PubMed DOI

Ikonen S. Macíčková-Cahová H. Pohl R. Šanda M. Hocek M. Org. Biomol. Chem. 2010;8:1194–1201. doi: 10.1039/B924072A. PubMed DOI

Hottin A. Marx A. Acc. Chem. Res. 2016;49:418–427. doi: 10.1021/acs.accounts.5b00544. PubMed DOI

Balintová J. Welter M. Marx A. Chem. Sci. 2018;9:7122–7125. doi: 10.1039/C8SC01839A. PubMed DOI PMC

Shaughnessy K. H. Molecules. 2015;20:9419–9454. doi: 10.3390/molecules20059419. PubMed DOI PMC

Cho J. H. Prickett C. D. Shaughnessy K. H. Eur. J. Org. Chem. 2010;2010:3678–3683. doi: 10.1002/ejoc.201000313. DOI

Amblard F. Cho J. H. Schinazi R. F. Chem. Rev. 2009;109:4207–4220. doi: 10.1021/cr9001462. PubMed DOI PMC

Lu B. Li L.-J. Li T.-S. Li J.-T. J. Chem. Res., Synop. 1998:604–605. doi: 10.1039/A803050B. DOI

Algay V. O'Sullivan J. Heaney F. Eur. J. Org. Chem. 2014;2014:2522–2532. doi: 10.1002/ejoc.201301822. DOI

Sawai H. Ozaki A. N. Satoh F. Ohbayashi T. Masud M. M. Ozaki H. Chem. Commun. 2001:2604–2605. doi: 10.1039/B107838K. DOI

Ljungstrøm T. Knudsen H. Nielsen P. E. Bioconjugate Chem. 1999;10:965–972. doi: 10.1021/bc990053+. PubMed DOI

Dressman D. Yan H. Traverso G. Kinzler K. W. Vogelstein B. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2003;100:8817–8822. doi: 10.1073/pnas.1133470100. PubMed DOI PMC

Güixens-Gallardo P. Zawada Z. Matyašovský J. Dziuba D. Pohl R. Kraus T. Hocek M. Bioconjugate Chem. 2018;29:3906–3912. doi: 10.1021/acs.bioconjchem.8b00721. PubMed DOI

Ohmann A. Göpfrich K. Joshi H. Thompson R. F. Sobota D. Ranson N. A. Aksimentiev A. Keyser U. F. Nucleic Acids Res. 2019;47:11441–11451. doi: 10.1093/nar/gkz914. PubMed DOI PMC

Takeo K. Mitoh H. Uemura K. Carbohydr. Res. 1989;187:203–221. doi: 10.1016/0008-6215(89)80004-7. DOI

Slavíčková M. Pohl R. Hocek M. J. Org. Chem. 2016;81:11115–11125. doi: 10.1021/acs.joc.6b02098. PubMed DOI

Yu C. An M. Li M. Liu H. Mol. Pharm. 2017;14:2815–2823. doi: 10.1021/acs.molpharmaceut.7b00335. PubMed DOI

Wang Y. Wu C. Chen T. Sun H. Cansiz S. Zhang L. Cui C. Hou W. Wu Y. Wan S. Cai R. Liu Y. Sumerlin B. S. Zhang X. Tan W. Chem. Sci. 2016;7:6041–6049. doi: 10.1039/C6SC00066E. PubMed DOI PMC

Conway J. W. McLaughlin C. K. Castor K. J. Sleiman H. Chem. Commun. 2013;49:1172–1174. doi: 10.1039/C2CC37556G. PubMed DOI

Ondruš M. Sýkorová V. Hocek M. Chem. Commun. 2022;58:11248–11251. doi: 10.1039/D2CC03588J. PubMed DOI