Functionalized surfaces and surface functionalization of nanomaterials

Nature leads, we follow. But nanotechnologists are in hot pursuit, in designing controllable structures that can mimic naturally occurring and artificially synthesized materials on a common platform. The supramolecular chemistry concerns the investigation of nature principles to produce fascinating complexed and functional molecular assemblies, as well as the utilization of these principles to generate novel devices and materials, potentially useful for sensing, catalysis, transport and other applications in medical or engineering science. The work presented in this thesis is a compilation of different synthetic methods to achieve inorganic-organic hybrid nanomaterials. Silicatein, a protein enzyme, which acts both as a catalyst and template for the formation of silica needles in marine sponges, has been used for the biosynthesis of semiconductor metal oxides on surfaces. Silicatein was immobilized on gold (111) surfaces using alkane thiol, as well as on a novel self-assembly of NTA on top of a ���cushion��� of reactive ester polymer has been successfully employed to make functionalised surfaces. The immobilization of silicatein on surfaces was monitored by surface plasmon spectroscopy, atomic force microscopy and confocal laser scanning microscopy. Surface bound silicatein retains its biocatalytic activity, which was demonstrated by monitoring its hydrocatalytic activity to catalyse the synthesis of biosilica, biotitania, and biozirconia. The synthesis of semiconductor metal oxides was characterized using scanning electron microscopy. This hydrolytic biocatalyst is used to synthesize the gold nanoparticles. The gold nanoparticles are formed by reduction of tetrachloroaurate, AuCl4-, by the action of sulfhydryl groups hidden below the surface groups of the protein. The resulting gold nanoparticles which are stabilized by surface bound silicatein further aggregate to form Au nanocrystals. The shape of the nanocrystals obtained by using recombinant silicatein is controlled through chiral induction by the protein during the nucleation of the nanocrystals. As an extension of this work, TiO2 nanowires were functionalized using polymeric ligand which incorporates the nitrilotriacetic acid (NTA) linker in the back bone to immobilize His-tagged silicatein onto the TiO2 nanowires. The surface bound protein not only retains its original hydrolytic properties, but also acts as a reductant for AuCl4- in the synthesis of hybrid TiO2/silicatein/Au nanocomposites. Functionalized, monocrystalline rutile TiO2 nanorods were prepared from TiCl4 in aqueous solution in the presence of dopamine. The surface bound organic ligand controls the morphology as well as the crystallinity and the phase selection of TiO2. The surface amine groups can be tailored further with functional molecules such as dyes. As an example, this surface functionality is used for the covalent binding of a fluorescent dye,4-chloro-7- nitrobenzylurazene (NBD) to the TiO2 nanorods. The polymeric ligands have been used successfully for the in-situ and post-functionalization of TiO2 nanoparticles. Besides to chelating dopamine anchor group the multifunctional ligand system presented here incorporates a modifier molecule which allows the binding of functional molecules (here the dyes pyrene, NBD, and Texas Red) as well as additional entities which allow tailoring the solubility of inorganic nanocrystals in different solvents. A novel method for the surface functionalization of fullerene-type MoS2 nanoparticles and subsequently binding these nanoparticles onto TiO2 nanowires has been reported using polymeric ligands. The procedure involves the complexation of IF-MoS2 with a combination of Ni2+ via an umbrella-type nitrilotriacetic acid (NTA) and anchoring them to the sidewalls of TiO2 nanowires utilizing the hydroxyl groups of dopamine present in the main contents of polymeric ligand. A convenient method for the synthesis of Au/CdS nanocomposites has been presented, which were achieved through the novel method of thiol functionalization of gold colloids. The thermodynamically most stable phase of ZrO2 (cubic) has been obtained at much lower temperature (180��C). These nanoparticles are highly blue fluorescent, with a high surface area.

Klonierung, heterologe Expression, Kristallisation und Struktur der Perakin-Reduktase aus Rauvolfia serpentina

Die Perakin-Reduktase (PR) ist ein hochspezifisches Enzym aus dem Alkaloidstoffwechsel in Rauvolfia serpentina, dessen enzymatischer und molekularer Reaktionsmechanismus noch immer unbekannt ist. Um die dreidimensionale Struktur der PR aufzukl��ren, wurde in der vorliegenden Arbeit das f��r die PR codierende Gen erstmals identifiziert, exprimiert und das Genprodukt zur Kristallisation gebracht. Die PR ist ein 337 Aminos��ure langes monomeres Protein mit einem Molekulargewicht von 37,2 kDa. Die Reinigung erfolgte ��ber Ni2+-NTA-Affinit��tschromatographie und lieferte 10 mg homogenes Protein pro Liter Bakterienkultur. Nach Expression in E. coli wurde im Enzym-Assay die NADPH2-abh��ngige Reduktion von Perakin zu Raucaffrinolin best��tigt und das Endprodukt massenspektrometrisch identifiziert. Durch Sequenzalignments mit anderen Proteinen wurde geschlossen, dass die PR zu der Superfamilie der Aldo/Keto-Reduktasen (AKR) geh��rt. Nach heterologer Expression in E. coli konnte die homogene, ��ber reduktive Methylierung modifizierte PR mit Hilfe der Methode der Dampfdiffusion im h��ngenden Tropfen kristallisiert werden. In Gegenwart von 27% PEG 4000 und 100 mM Natriumcitrat (pH 5,6) bildeten sich nach 4 Tagen bei 20��C die ersten Kristalle. Die Struktur der PR konnte mit einer Aufl��sung von 2,0 �� durch molekularen Ersatz vollst��ndig gel��st werden. Das Strukturmodell besitzt eine f��r AKRs charakteristische (��/��)8 TIM-barrel Faltung, konservierte Aminos��uren, die an der Bindung von NADPH2 beteiligt sind sowie eine katalytische Tetrade, die den Wasserstofftransfer von NADPH2 zum Kohlenstoff des Substrates vermittelt.

Resonance properties of different neuronal populations in the immature mouse neocortex

Subthreshold resonance is a characteristic membrane property of different neuronal classes, is critically involved in the generation of network oscillations, and tunes the integration of synaptic inputs to particular frequency ranges. In order to investigate whether resonance properties of distinct neuronal populations in the immature neocortex contribute to these network oscillations, I performed whole-cell patch-clamp recordings from visually identified neurons in tangential and coronal neocortical slices from postnatal day (P) P0-P7 C57Bl/6 and P6-P13 GAD67-GFP knock-in mice. Subthreshold resonance was analyzed by sinusoidal current injection of varying frequency. All Cajal-Retzius cells showed subthreshold resonance with an average frequency of 2.6 �� 0.1 Hz (n=60), which was massively reduced by ZD7288, a blocker of hyperpolarization-activated cation currents. About 65.6% (n=61) of the supragranular pyramidal neurons showed subthreshold resonance with an average frequency of 1.4 �� 0.1 Hz (n=40). Application of 1 mM Ni2+ suppressed subthreshold resonance, suggesting that low-threshold Ca2+ currents contribute to resonance in these neurons. About 63.6% (n=77) of the layer V pyramidal neurons showed subthreshold resonance with an average frequency of 1.4 �� 0.2 Hz (n=49), which was abolished by ZD7288. Only 44.1% (n=59) of the subplate neurons showed subthreshold resonance with an average frequency of 1.3 �� 0.2 Hz (n=26) and a small resonance strength. Finally, 50% of the investigated GABAergic interneurons showed subthreshold resonance with an average frequency of 2.0 �� 0.2 Hz (n=42). Membrane hyperpolarization to ���86 mV attenuated the frequency and strength of subthreshold resonance. Subthreshold resonance was virtually abolished in the presence of 1 mM Ni2+, suggesting that t-type Ca2+ currents are critically involved in the generation of resonance, while ZD7288 had no effect. Application of 0.4 ��M TTX suppressed subthreshold resonance at depolarized, but not hyperpolarized membrane potential, suggesting that persistent Na+ current contribute to the amplification of membrane resonance. rnIn summary, these results demonstrate that all investigated neuronal subpopulations reveal resonance behavior, with either hyperpolarization-activated cation or low-threshold Ca2+ currents contributing to the subthreshold resonance. GABAergic interneurons also express subthreshold resonance at low frequencies, with t-type Ca2+ and persistent Na+ currents underlying the generation of membrane resonance. The membrane resonance of immature neurons may contribute to the generation of slow oscillatory activity pattern in the immature neocortex and enhance the temporal precision of synaptic integration in developing cortical neurons.rn

Verkn��pfung metallhaltiger Pivalatkomplexe ��ber polyfunktionale organische Br��ckenliganden

Ziel der hier vorliegenden Dissertation ist es, ��bergangsmetallpivalate durch gezielte Substitution monodentater Donorliganden in apikalen Positionen, unter Erhalt ihrer Grundstruktur, zu h��herdimensionalen Verbindungen zu verkn��pfen. Als Ausgangs-verbindungen dienen dabei [Fe3O(O2C-tBu)6(OH2)3]O2C-tBu und [Ni2(OH2)(O2C-tBu)4(HO2C-tBu)4].rnrnIm ersten Teil dieser Arbeit konnten, in Abh��ngigkeit der in den Reaktionen eingesetzten Liganden mit [Fe3O(O2C-tBu)6(OH2)3]O2C-tBu, symmetrisch oder asymmetrisch substituierte dreikernige Verbindungen erhalten werden. Deren strukturellen und magnetischen Eigenschaften konnten untersucht werden und die daraus resultierenden magnetostrukturellen Korrelationen auf die folgenden vorgestellten mehrkernigen bzw. h��herdimensionalen Verbindungen ��bertragen werden, die erheblich an Komplexit��t zugenommen haben.rnDie 0-dimensionalen dreikernigen Einheiten zeigen, abh��ngig von ihren Fe-O-Bindungsl��ngen in den ��3-Oxo verbr��ckten Einheiten, unterschiedlich starke antiferro-magnetische Austauschwechselwirkungen. Wenn in den Verbindungen eine l��ngere Fe-O-Bindung und zwei k��rzere Fe-O-Bindungen existieren, k��nnen diese Typ 2:a zugeordnet werden. Daraus folgt, dass die Daten der magnetischen Suszeptibilit��t mit zwei unterschiedlich starken Austauschwechselwirkungen (J-Kopplungen) zu simulieren sind. Es liegen eine st��rkere J-Kopplung ��ber die kurzen Fe-O-Bindungen und zwei schw��chere ��ber die lange Fe-O-Bindung vor (J1 > J2). Existieren hingegen eine k��rzere Fe-O-Bindung und zwei l��ngere Fe-O-Bindungen (Typ 2:b) sind nun die magnetischen Suszeptibilit��tsdaten nur mit zwei st��rkeren und einer schw��cheren Kopplung zu simulieren (J1 < J2). Die vorgestellten Verbindungen zeigen alle einen Spingrundzustand S���0, der durch konkurrierende Wechselwirkungen der Spinzentren in Dreieckssituationen begr��ndet ist. rnDer zweite Teil der Arbeit besch��ftigte sich mit dem gezielten Aufbau mehrkerniger Verbindungen, in denen die dreikernige Einheit als Grundmotiv erhalten bleiben konnte. Die Austauschwechselwirkungen der f��nf- und sechskernigen Verbindungen konnten in Abh��ngigkeit der Bindungsl��ngen und basierend auf den Ergebnissen der dreikernigen Einheiten aus dem ersten Teil, bestimmt werden. rnDie Synthesen der 4-Hydroxybenzaldehyd verbr��ckten Kettenverbindung sowie des ��ber 3,5,3���,5���-Tetramethyl-1H,1���H-[4,4���]bipyrazolyl verkn��pften 3-dimensionalen Nickelnetzwerks zeigten die erfolgreiche Umsetzung des ���Bottom Up��� Ansatzes. Durch Erhaltung des jeweiligen Grundmotivs der verwendeten Ausgangsverbindung konnten die magnetischen Austauschwechselwirkungen unter Einbeziehung schwacher Wechselwirkungen durch den Raum, mit Hilfe der Theta-Weiss Temperatur, in den Simulationen bestimmt werden.rnrnDamit stellt der ���Bottom Up��� Ansatz eine hervorragende Syntesestrategie f��r den Aufbau h��herdimensionaler Verbindungen, ausgehend von zwei- bzw. dreikernigen ��bergangs-metallkomplexen, dar.rn