Biomolecular interaction analysis in functional proteomics

In der funktionellen Proteomforschung werden bekannte Interaktionen eines zellulären Netzwerkes qualitativ untersucht. Diese Veröffentlichung beschreibt verschiedene biomolekulare Interaktionsanalysen, anhand des Modellsystems PKA, die zur detaillierten Charakterisierung von Bindungen herangezogen werden können. Neben den Gleichgewichtsbindungsdaten (generiert aus AlphaScreen, FP, SPR und ITC Messungen) wurden aus ITC Messungen die thermodynamischen Parameter G, H und S ermittelt. Durch Anwendung der BRET2 (Bioluminescence resonance energy transfer) Methode konnten in lebenden Zellen Aussagen über Bindungsereignisse und deren Lokalisation getroffen werden.

Facilitating folding of outer membrane proteins, roles of the periplasmic chaperone Skp and the outer membrane lipoprotein BamD

This thesis describes several important advancements in the understanding of the assembly of outer membrane proteins of Gram-negative bacteria like Escherichia coli. A first study was performed to identify binding regions in the trimeric chaperone Skp for outer membrane proteins. Skp is known to facilitate the passage of unfolded outer membrane proteins (OMPs) through the periplasm to the outer membrane (OM). A gene construct named “synthetic chaperone protein (scp)” gene was used to express a fusion protein (Scp) into the cytoplasm of E. coli. The scp gene was used as a template to design mutants of Scp suitable for structural and functional studies using site-directed spectroscopy. Fluorescence resonance energy transfer (FRET) was used to identify distances in Skp-OmpA complexes that separate regions in Scp and in outer membrane protein A (OmpA) from E. coli. For this study, single cysteine (Cys) mutants and single Cys - single tryptophan (Trp) double mutants of Scp were prepared. For FRET experiments, the cysteines were labeled with the tryptophan fluorescence energy acceptor IAEDANS. Single Trp mutants of OmpA were used as fluorescence energy donors. In the second part of this thesis, the function of BamD and the structure of BamD-Scp complexes were examined. BamD is an essential component of the β-barrel assembly machinery (BAM) complex of the OM of Gram-negative bacteria. Fluorescence spectroscopy was used to probe the interactions of BamD with lipid membranes and to investigate the interactions of BamD with possible partner proteins from the periplasm and from the OM. A range of single cysteine (Cys) and single tryptophan (Trp) mutants of BamD were prepared. A very important conclusion from the extensive FRET study is that the essential lipoprotein BamD interacts and binds to the periplasmic chaperone Skp. BamD contains tetratrico peptide repeat (TPR) motifs that are suggested to serve as docking sites for periplasmic chaperones such as Skp.

BODIPY-Porphyrazin-Hybride als panchromatische Lichtsammelsysteme für farbstoffsensibilisierte Solarzellen

In farbstoffsensibilisierten Solarzellen (DSSC) spielen Chromophore, die als Lichtsammel- und Energie-/Elektronentransfersysteme fungieren, eine zentrale Rolle. Phthalocyanine mit ihren intensiven Absorptionsbanden um 400 nm und 700 nm besitzen großes Potential für die effektive Sensibilisierung von Solarzellen. Trotz ihrer vielversprechenden physikochemischen Eigenschaften und intensiver Bemühungen erreichen Phthalocyanin-sensibilisierte Solarzellen nicht die Effizienzen, die bisher mit anderen Chromophorklassen erzielt werden konnten. In der vorliegenden Dissertation wurde die Entwicklung effizienter Lichtsammelsysteme für DSSC auf der Basis von Aza-substituierten Phthalocyaninen, sogenannten Pyrazinoporphyrazinen, verfolgt. Ein besonderer Fokus lag dabei auf einer Verbesserung der Absorptionseigenschaften der Chromophore im Bereich ihrer intrinsischen Absorptionslücke zwischen den Maxima um 400 nm und 700 nm. Um diese optische Lücke zu schließen wurden komplementär absorbierende BODIPY-Farbstoffe kovalent an synthetisch maßgeschneiderte Porphyrazine gebunden. Insgesamt wurden sechs neue Porphyrazin-Sensibilisatoren synthetisiert und photophysikalisch sowie elektrochemisch charakterisiert. Alle in dieser Arbeit untersuchten Porphyrazine tragen sterisch anspruchsvolle Tri(p-tolyl)propinyl-Gruppen um Agglomerationen zu vermeiden. Darüber hinaus wurden die Porphyrazine peripher entweder mit Hydroxy- oder Carboxygruppen als Bindungsstellen für oxidische Materialien ausgestattet sowie mit sechs BODIPY-Auxiliarfarbstoffen funktionalisiert, deren Substitutionsmuster variiert wurden. Zur Darstellung der komplexen Porphyrazine wurde eine Syntheseroute erarbeitet, die statistische Cyclisierungen unterschiedlicher Dinitril-Vorstufen beinhaltete und es ermöglichte, funktionelle Gruppen erst am vorgeformten Makrocyclus einzuführen. Die photophysikalische Untersuchung der hochfunktionalisierten Farbstoffe erfolgte über UV/Vis- und Fluoreszenzspektroskopie. Im Fall der BODIPY-Porphyrazin-Hybride schließt die zusätzliche Absorptionsbande der peripheren BODIPY-Einheiten die intrinsische Absorptionslücke der Porphyrazine. Die Hybride zeigen somit eine breite Absorption über den gesamten sichtbaren Spektralbereich mit hohen Extinktionskoeffizienten von ca. 4·10^5 M^−1cm^−1. Mittels Fluoreszenz- und Anregungsspektren wurde ein photoinduzierter Energie-transfer von den BODIPY-Einheiten auf den Porphyrazinkern nachgewiesen. Das elektrochemische Verhalten der BODIPY- und Porphyrazin-Verbindungen wurde mittels Cyclo- und Square-Wave-Voltammetrie untersucht. Die Effizienzen der Lichtenergieumwandlung wurden mit Hilfe von selbst-hergestellten und standardisierten farbstoffsensibilisierten Solarzellen bewertet. Alle Solarzellen zeigten eine messbare Photoaktivität unter Bestrahlung. Die Wirkungsgrade der Zellen lagen jedoch alle unter 1 %. Generell führten die Carboxyl-funktionalisierten Porphyrazine zu besseren Wirkungsgraden als die analogen, mit der tripodalen Ankergruppe ausgestatteten Derivate. Die mit Hilfe von Adsorptionsisothermen ermittelten Bindungskonstanten der Adsorption der Farbstoffe auf der TiO2-Oberfläche zeigten, dass beide Hafteinheiten eine feste Verankerung der Chromophore auf den TiO2-Elektroden ermöglichten. Insgesamt wirkte sich die Präsenz der peripheren BODIPY-Farbstoffe positiv auf die Wirkungsgrade der Solarzellen aus, jedoch nur in geringem Maß. Dieses Ergebnis wurde hauptsächlich auf die geringe Energiedifferenz zwischen der Leitungsbandkante des TiO2 und den LUMO-Energieniveaus der Chromophore zurückgeführt. Zusätzlich scheinen konkurrierende Prozesse wie die direkte Photoelektroneninjektion von den BODIPY-Einheiten in das TiO2 eine wichtige Rolle zu spielen. Neben der Anwendung in DSSC wurde die Wechselwirkung der Porphyrazine mit Graphen untersucht. Hierzu wurden A3B-Porphyrazine mit Pyrenyl-Seitenketten ausgestattet, die eine nicht-kovalente Verankerung des Chromophors auf Graphen ermöglichen. UV/Vis- und Fluoreszenzmessungen gaben u.a. erste Hinweise auf eine elektronische Kommunikation zwischen den beiden Hybridpartnern.

Influence of occupation number of single particle levels on K - K charge transfer in collisions of 90 keV - Ne{^9+} on Ne

The influence of the occupation of the single particle levels on the impact parameter dependent K - K charge transfer occuring in collisions of 90 keV Ne{^9+} on Ne was studied using coupled channel calculations. The energy eigenvalues and matrixelements for the single particle levels were taken from ab initio self consistent MO-LCAO-DIRAC-FOCK-SLATER calculations with occupation numbers corresponding to the single particle amplitudes given by the coupled channel calculations.

Inclusive probability calculations for the K-vacancy transfer in collisions of S{^15+} on Ar

Using the single-particle amplitudes from a 20-level coupled-channel calculation with ab initio relativistic self consistent LCAO-MO Dirac-Fock-Slater energy eigenvalues and matrix elements we calculate within the frame of the inclusive probability formalism impact-parameter-dependent K-hole transfer probabilities. As an example we show results for the heavy asymmetric collision system S{^15+} on Ar for impact energies from 4.7 to 16 MeV. The inclusive probability formalism which reinstates the many-particle aspect of the collision system permits a qualitative and quantitative agreement with the experiment which is not achieved by the single-particle picture.

Many-body theory of laser-induced ultrafast demagnetization and angular momentum transfer in ferromagnetic transition metals

An electronic theory is developed, which describes the ultrafast demagnetization in itinerant ferromagnets following the absorption of a femtosecond laser pulse. The present work intends to elucidate the microscopic physics of this ultrafast phenomenon by identifying its fundamental mechanisms. In particular, it aims to reveal the nature of the involved spin excitations and angular-momentum transfer between spin and lattice, which are still subjects of intensive debate. In the first preliminary part of the thesis the initial stage of the laser-induced demagnetization process is considered. In this stage the electronic system is highly excited by spin-conserving elementary excitations involved in the laser-pulse absorption, while the spin or magnon degrees of freedom remain very weakly excited. The role of electron-hole excitations on the stability of the magnetic order of one- and two-dimensional 3d transition metals (TMs) is investigated by using ab initio density-functional theory. The results show that the local magnetic moments are remarkably stable even at very high levels of local energy density and, therefore, indicate that these moments preserve their identity throughout the entire demagnetization process. In the second main part of the thesis a many-body theory is proposed, which takes into account these local magnetic moments and the local character of the involved spin excitations such as spin fluctuations from the very beginning. In this approach the relevant valence 3d and 4p electrons are described in terms of a multiband model Hamiltonian which includes Coulomb interactions, interatomic hybridizations, spin-orbit interactions, as well as the coupling to the time-dependent laser field on the same footing. An exact numerical time evolution is performed for small ferromagnetic TM clusters. The dynamical simulations show that after ultra-short laser pulse absorption the magnetization of these clusters decreases on a time scale of hundred femtoseconds. In particular, the results reproduce the experimentally observed laser-induced demagnetization in ferromagnets and demonstrate that this effect can be explained in terms of the following purely electronic non-adiabatic mechanism: First, on a time scale of 10–100 fs after laser excitation the spin-orbit coupling yields local angular-momentum transfer between the spins and the electron orbits, while subsequently the orbital angular momentum is very rapidly quenched in the lattice on the time scale of one femtosecond due to interatomic electron hoppings. In combination, these two processes result in a demagnetization within hundred or a few hundred femtoseconds after laser-pulse absorption.

Asymptotic model for shape resonance control of diatomics by intense non-resonant light

We derive a universal model for atom pairs interacting with non-resonant light via the polarizability anisotropy, based on the long range properties of the scattering. The corresponding dynamics can be obtained using a nodal line technique to solve the asymptotic Schrödinger equation. It consists of imposing physical boundary conditions at long range and vanishing the wavefunction at a position separating the inner zone and the asymptotic region. We show that nodal lines which depend on the intensity of the non-resonant light can satisfactorily account for the effect of the polarizability at short range. The approach allows to determine the resonance structure, energy, width, channel mixing and hybridization even for narrow resonances.

Asymptotic model for shape resonance control of diatomics by intense non-resonant light: universality in the single-channel approximation

Non-resonant light interacting with diatomics via the polarizability anisotropy couples different rotational states and may lead to strong hybridization of the motion. The modification of shape resonances and low-energy scattering states due to this interaction can be fully captured by an asymptotic model, based on the long-range properties of the scattering (Crubellier et al 2015 New J. Phys. 17 045020). Remarkably, the properties of the field-dressed shape resonances in this asymptotic multi-channel description are found to be approximately linear in the field intensity up to fairly large intensity. This suggests a perturbative single-channel approach to be sufficient to study the control of such resonances by the non-resonant field. The multi-channel results furthermore indicate the dependence on field intensity to present, at least approximately, universal characteristics. Here we combine the nodal line technique to solve the asymptotic Schrödinger equation with perturbation theory. Comparing our single channel results to those obtained with the full interaction potential, we find nodal lines depending only on the field-free scattering length of the diatom to yield an approximate but universal description of the field-dressed molecule, confirming universal behavior.