Thermal excitations of optical nanofibers measured with a fiber-integrated Fabry-Pérot cavity

Efficient coupling of light to quantum emitters, such as atoms, molecules or quantum dots, is one of the great challenges in current research. The interaction can be strongly enhanced by coupling the emitter to the eva-nescent field of subwavelength dielectric waveguides that offer strong lateral confinement of the guided light. In this context subwavelength diameter optical nanofibers as part of a tapered optical fiber (TOF) have proven to be powerful tool which also provide an efficient transfer of the light from the interaction region to an optical bus, that is to say, from the nanofiber to an optical fiber. rnAnother approach towards enhancing light–matter interaction is to employ an optical resonator in which the light is circulating and thus passes the emitters many times. Here, both approaches are combined by experi-mentally realizing a microresonator with an integrated nanofiber waist. This is achieved by building a fiber-integrated Fabry-Pérot type resonator from two fiber Bragg grating mirrors with a stop-band near the cesium D2-line wavelength. The characteristics of this resonator fulfill the requirements of nonlinear optics, optical sensing, and cavity quantum electrodynamics in the strong-coupling regime. Together with its advantageous features, such as a constant high coupling strength over a large volume, tunability, high transmission outside the mirror stop band, and a monolithic design, this resonator is a promising tool for experiments with nanofiber-coupled atomic ensembles in the strong-coupling regime. rnThe resonator's high sensitivity to the optical properties of the nanofiber provides a probe for changes of phys-ical parameters that affect the guided optical mode, e.g., the temperature via the thermo-optic effect of silica. Utilizing this detection scheme, the thermalization dynamics due to far-field heat radiation of a nanofiber is studied over a large temperature range. This investigation provides, for the first time, a measurement of the total radiated power of an object with a diameter smaller than all absorption lengths in the thermal spectrum at the level of a single object of deterministic shape and material. The results show excellent agreement with an ab initio thermodynamic model that considers heat radiation as a volumetric effect and that takes the emitter shape and size relative to the emission wavelength into account. Modeling and investigating the thermalization of microscopic objects with arbitrary shape from first principles is of fundamental interest and has important applications, such as heat management in nano-devices or radiative forcing of aerosols in Earth's climate system. rnUsing a similar method, the effect of the TOF's mechanical modes on the polarization and phase of the fiber-guided light is studied. The measurement results show that in typical TOFs these quantities exhibit high-frequency thermal fluctuations. They originate from high-Q torsional oscillations that couple to the nanofiber-guided light via the strain-optic effect. An ab-initio opto-mechanical model of the TOF is developed that provides an accurate quantitative prediction for the mode spectrum and the mechanically induced polarization and phase fluctuations. These high-frequency fluctuations may limit the ultimate ideality of fiber-coupling into photonic structures. Furthermore, first estimations show that they may currently limit the storage time of nanofiber-based atom traps. The model, on the other hand, provides a method to design TOFs with tailored mechanical properties in order to meet experimental requirements. rn

Bottle microresonators for applications in quantum optics and all-optical signal processing

This thesis reports on the experimental realization, characterization and application of a novel microresonator design. The so-called “bottle microresonator” sustains whispering-gallery modes in which light fields are confined near the surface of the micron-sized silica structure by continuous total internal reflection. While whispering-gallery mode resonators in general exhibit outstanding properties in terms of both temporal and spatial confinement of light fields, their monolithic design makes tuning of their resonance frequency difficult. This impedes their use, e.g., in cavity quantum electrodynamics (CQED) experiments, which investigate the interaction of single quantum mechanical emitters of predetermined resonance frequency with a cavity mode. In contrast, the highly prolate shape of the bottle microresonators gives rise to a customizable mode structure, enabling full tunability. The thesis is organized as follows: In chapter I, I give a brief overview of different types of optical microresonators. Important quantities, such as the quality factor Q and the mode volume V, which characterize the temporal and spatial confinement of the light field are introduced. In chapter II, a wave equation calculation of the modes of a bottle microresonator is presented. The intensity distribution of different bottle modes is derived and their mode volume is calculated. A brief description of light propagation in ultra-thin optical fibers, which are used to couple light into and out of bottle modes, is given as well. The chapter concludes with a presentation of the fabrication techniques of both structures. Chapter III presents experimental results on highly efficient, nearly lossless coupling of light into bottle modes as well as their spatial and spectral characterization. Ultra-high intrinsic quality factors exceeding 360 million as well as full tunability are demonstrated. In chapter IV, the bottle microresonator in add-drop configuration, i.e., with two ultra-thin fibers coupled to one bottle mode, is discussed. The highly efficient, nearly lossless coupling characteristics of each fiber combined with the resonator's high intrinsic quality factor, enable resonant power transfers between both fibers with efficiencies exceeding 90%. Moreover, the favorable ratio of absorption and the nonlinear refractive index of silica yields optical Kerr bistability at record low powers on the order of 50 µW. Combined with the add-drop configuration, this allows one to route optical signals between the outputs of both ultra-thin fibers, simply by varying the input power, thereby enabling applications in all-optical signal processing. Finally, in chapter V, I discuss the potential of the bottle microresonator for CQED experiments with single atoms. Its Q/V-ratio, which determines the ratio of the atom-cavity coupling rate to the dissipative rates of the subsystems, aligns with the values obtained for state-of-the-art CQED microresonators. In combination with its full tunability and the possibility of highly efficient light transfer to and from the bottle mode, this makes the bottle microresonator a unique tool for quantum optics applications.

Optical interface based on a nanofiber atom-trap

In this thesis, I present the realization of a fiber-optical interface using optically trapped cesium atoms, which is an efficient tool for coupling light and atoms. The basic principle of the presented scheme relies on the trapping of neutral cesium atoms in a two-color evanescent field surrounding a nanofiber. The strong confinement of the fiber guided light, which also protrudes outside the nanofiber, provides strong confinement of the atoms as well as efficient coupling to near-resonant light propagating through the fiber. In chapter 1, the necessary physical and mathematical background describing the propagation of light in an optical fiber is presented. The exact solution of Maxwell’s equations allows us to model fiber-guided light fields which give rise to the trapping potentials and the atom-light coupling in the close vicinity of a nanofiber. Chapter 2 gives the theoretical background of light-atom interaction. A quantum mechanical model of the light-induced shifts of the relevant atomic levels is reviewed, which allows us to quantify the perturbation of the atomic states due to the presence of the trapping light-fields. The experimental realization of the fiber-based atom trap is the focus of chapter 3. Here, I analyze the properties of the fiber-based trap in terms of the confinement of the atoms and the impact of several heating mechanisms. Furthermore, I demonstrate the transportation of the trapped atoms, as a first step towards a deterministic delivery of individual atoms. In chapter 4, I present the successful interfacing of the trapped atomic ensemble and fiber-guided light. Three different approaches are discussed, i.e., those involving the measurement of either near-resonant scattering in absorption or the emission into the guided mode of the nanofiber. In the analysis of the spectroscopic properties of the trapped ensemble we find good agreement with the prediction of theoretical model discussed in chapter 2. In addition, I introduce a non-destructive scheme for the interrogation of the atoms states, which is sensitive to phase shifts of far-detuned fiber-guided light interacting with the trapped atoms. The inherent birefringence in our system, induced by the atoms, changes the state of polarization of the probe light and can be thus detected via a Stokes vector measurement.

Interacting bosons and fermions in three-dimensional optical lattice potentials

This thesis reports on the realization, characterization and analysis of ultracold bosonic and fermionic atoms in three-dimensional optical lattice potentials. Ultracold quantum gases in optical lattices can be regarded as ideal model systems to investigate quantum many-body physics. In this work interacting ensembles of bosonic 87Rb and fermionic 40K atoms are employed to study equilibrium phases and nonequilibrium dynamics. The investigations are enabled by a versatile experimental setup, whose core feature is a blue-detuned optical lattice that is combined with Feshbach resonances and a red-detuned dipole trap to allow for independent control of tunneling, interactions and external confinement. The Fermi-Hubbard model, which plays a central role in the theoretical description of strongly correlated electrons, is experimentally realized by loading interacting fermionic spin mixtures into the optical lattice. Using phase-contrast imaging the in-situ size of the atomic density distribution is measured, which allows to extract the global compressibility of the many-body state as a function of interaction and external confinement. Thereby, metallic and insulating phases are clearly identified. At strongly repulsive interaction, a vanishing compressibility and suppression of doubly occupied lattice sites signal the emergence of a fermionic Mott insulator. In a second series of experiments interaction effects in bosonic lattice quantum gases are analyzed. Typically, interactions between microscopic particles are described as two-body interactions. As such they are also contained in the single-band Bose-Hubbard model. However, our measurements demonstrate the presence of multi-body interactions that effectively emerge via virtual transitions of atoms to higher lattice bands. These findings are enabled by the development of a novel atom optical measurement technique: In quantum phase revival spectroscopy periodic collapse and revival dynamics of the bosonic matter wave field are induced. The frequencies of the dynamics are directly related to the on-site interaction energies of atomic Fock states and can be read out with high precision. The third part of this work deals with mixtures of bosons and fermions in optical lattices, in which the interspecies interactions are accurately controlled by means of a Feshbach resonance. Studies of the equilibrium phases show that the bosonic superfluid to Mott insulator transition is shifted towards lower lattice depths when bosons and fermions interact attractively. This observation is further analyzed by applying quantum phase revival spectroscopy to few-body systems consisting of a single fermion and a coherent bosonic field on individual lattice sites. In addition to the direct measurement of Bose-Fermi interaction energies, Bose-Bose interactions are proven to be modified by the presence of a fermion. This renormalization of bosonic interaction energies can explain the shift of the Mott insulator transition. The experiments of this thesis lay important foundations for future studies of quantum magnetism with fermionic spin mixtures as well as for the realization of complex quantum phases with Bose-Fermi mixtures. They furthermore point towards physics that reaches beyond the single-band Hubbard model.

Wet and dry model granulates under mechanical load : a confocal microscopy study

Granular matter, also known as bulk solids, consists of discrete particles with sizes between micrometers and meters. They are present in many industrial applications as well as daily life, like in food processing, pharmaceutics or in the oil and mining industry. When handling granular matter the bulk solids are stored, mixed, conveyed or filtered. These techniques are based on observations in macroscopic experiments, i.e. rheological examinations of the bulk properties. Despite the amply investigations of bulk mechanics, the relation between single particle motion and macroscopic behavior is still not well understood. For exploring the microscopic properties on a single particle level, 3D imaging techniques are required.rnThe objective of this work was the investigation of single particle motions in a bulk system in 3D under an external mechanical load, i.e. compression and shear. During the mechanical load the structural and dynamical properties of these systems were examined with confocal microscopy. Therefor new granular model systems in the wet and dry state were designed and prepared. As the particles are solid bodies, their motion is described by six degrees of freedom. To explore their entire motion with all degrees of freedom, a technique to visualize the rotation of spherical micrometer sized particles in 3D was developed. rnOne of the foci during this dissertation was a model system for dry cohesive granular matter. In such systems the particle motion during a compression of the granular matter was investigated. In general the rotation of single particles was the more sensitive parameter compared to the translation. In regions with large structural changes the rotation had an earlier onset than the translation. In granular systems under shear, shear dilatation and shear zone formation were observed. Globally the granular sediments showed a shear behavior, which was known already from classical shear experiments, for example with Jenike cells. Locally the shear zone formation was enhanced, when near the applied load a pre-diluted region existed. In regions with constant volume fraction a mixing between the different particle layers occurred. In particular an exchange of particles between the current flowing region and the non-flowing region was observed. rnThe second focus was on model systems for wet granular matter, where an additional binding liquid is added to the particle suspension. To examine the 3D structure of the binding liquid on the micrometer scale independently from the particles, a second illumination and detection beam path was implemented. In shear and compression experiments of wet clusters and bulk systems completely different dynamics compared to dry cohesive models systems occured. In a Pickering emulsion-like system large structural changes predominantly occurred in the local environment of binding liquid droplets. These large local structural changes were due to an energy interplay between the energy stored in the binding droplet during its deformation and the binding energy of particles at the droplet interface. rnConfocal microscopy in combination with nanoindentation gave new insights into the single particle motions and dynamics of granular systems under a mechanical load. These novel experimental results can help to improve the understanding of the relationship between bulk properties of granular matter, such as volume fraction or yield stress and the dynamics on a single particle level.rnrn

Knock down von Desmoglein 2 durch induzierbare Cre-spezifische Rekombination in der Maus

Desmosomen sind hoch organisierte adhäsive interzelluläre Verbindungen, die benachbarte Zellen durch Verankerung mit den Intermediärfilamenten des Zytoskeletts miteinander verknüpfen und so Zellen und Geweben Stabilität verleihen. Die Adhäsionsmoleküle der Desmosomen sind die desmosomalen Cadherine. Diese transmembranen Glykoproteine gehen im Interzellulärraum Verbindungen mit den desmosomalen Cadherinen der Nachbarzelle ein und sind im zytoplasmatischen Bereich Anheftungspunkte für weitere an der Desmosomenbildung beteiligte Proteine. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Rolle von Desmoglein 2 (Dsg 2), einem in allen Epithelien exprimierten desmosomalen Cadherin. Da der konstitutive knock out von Dsg 2 embryonal letal ist, wurde im Rahmen dieser Doktorarbeit eine transgene Maus generiert, in der die Reduktion von Dsg 2 temporär regulierbar war (konditionaler knock down). Dazu wurde der Mechanismus der RNA Interferenz genutzt, wodurch Sequenz-spezifische, post-transkriptionelle Regulation von Genen möglich ist. Unter Verwendung eines über Cre/lox-induzierbaren Vektors wurden transgene Mäuse generiert, welche nach Induktion Dsg 2 shRNA exprimieren, die in der Zelle in siRNA umgewandelt wird und zum Abbau der Dsg 2 mRNA führt. Durch Verpaarung der generierten Dsg 2 knock down Maus mit der über Tamoxifen induzierbaren Cre Deleter knock in Mauslinie Rosa26CreERT2 konnte deutliche Reduktion der Dsg 2 Proteinmenge in Leber, Darm und Herz erreicht werden. In Immunfärbungen der Leber wurde zudem eine reduzierte Desmosomenbildung durch Expression der Dsg 2 shRNA detektiert. Die für diese Versuche generierte und getestete Rosa26CreERT2 Mauslinie ermöglichte jedoch nicht in allen Zellen eines Gewebes die komplette Aktivierung der Cre Rekombinase und damit die Expression der shRNA. Dadurch entstanden mosaikartige Wildtyp/knock down-Gewebe, in denen noch ausreichend Desmosomen gebildet wurden, um die Gewebestabilität und -struktur zu erhalten. Für eine funktionale Untersuchung von Dsg 2 in Zusammenhang mit der chronisch entzündlichen Darmerkrankung Colitis ulcerosa wurden die Dsg 2 knock down Mäuse mit Darm-spezifischen, induzierbaren Cre Deleter Mäusen (VillinCreERT2) verpaart. Nach Aktivierung der Cre Rekombinase mittels Tamoxifen wurde in bitransgenen Tieren über Gabe von Azoxymethan (AOM) und Dextransodiumsulfat (DSS) Colitis ulcerosa induziert. Diese entzündliche Erkrankung des Darms ist mit der Induktion von Darmtumoren assoziiert. Bereits nach einmaliger Induktion mit AOM/DSS wurde in der ersten endoskopischen Untersuchung eine starke Entzündung des Darmgewebes und die Ausbildung von flächig wachsenden Tumoren in den Dsg 2 knock down Tieren hervorgerufen. Es ist anzunehmen, dass durch knock down von Dsg 2, und die damit verbundene verminderte Desmosomenbildung und Zelladhäsion, Infiltration von Bakterien durch die epitheliale Barriere des Darms möglich war, und so die Entzündungsreaktion in der Darmmukosa verstärkte. In Zusammenhang mit Verlust der epithelialen Festigkeit durch verringerte Zellkontakte kam es zur Hyperproliferation der Darmmukosa, die sich in Ausbildung von flächigen Tumoren äußerte. In weiteren Experimenten müssen nun die Tumore und das entzündete Gewebe der Colitis-induzierten Mäuse mittels Immunfluoreszenz untersucht werden, um Veränderungen in der Desmosomenformation in situ detektieren zu können. Des Weiteren sind Verpaarungen der Dsg 2 knock down Maus mit anderen Cre Rekombinase exprimierenden Mauslinien möglich, um den Einfluss von Dsg 2 auch in anderen Geweben, beispielsweise im Herzen, zu untersuchen. Die hier vorgelegte Arbeit zeigt also erstmalig den ursächlichen Zusammenhang zwischen Dsg 2 und dem Auftreten von Colitis-assoziierten Tumoren in einem konditionalen RNAi-vermittelten knock down Tiermodell. Die Etablierung dieser Maus ist somit das erste konditionale Mausmodell, welches die bei vielen Krebspatienten gefundenen flachzellig wachsenden Tumore in vivo rekapituliert. Vorausschauend kann man sagen, dass mit Hilfe des im Rahmen dieser Doktorarbeit entwickelten Tiermodells wichtige Erkenntnisses über die Pathologie von Darmtumoren erbracht werden können, die unser Verständnis der Colitis-induzierten Tumorentstehung verbessern.

Identifizierung und Charakterisierung von Intermediärfilament-Organisatoren in Caenorhabditis elegans

Intermediärfilamente (IFs) sind neben Mikrotubuli und Aktinfilamenten die dritte filamentäre Komponente des Zytoskeletts. Sie wirken als mechanische Stabilisatoren, sind außerdem an Zelldifferenzierung, Proliferation und Apoptose beteiligt und tragen zu Zellpolarität bei. IFs sind dynamische Strukturen, die zelltypspezifisch in unterschiedlichen Anordnungen und Abundanzen vorkommen und von Signalkaskaden beeinflusst werden. Die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen dieser fein abgestimmten Prozesse sind weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit sollte deswegen ein Tiermodell entwickelt werden, um Regulatoren der IF-(Netzwerk)-Organisation in vivo zu untersuchen und zu identifizieren. Dazu wurde C. elegans ausgewählt, da es sich hierbei um einen genetisch gut charakterisierten und leicht manipulierbaren Organismus handelt, in dessen Genom elf Gene für zytoplasmatische IFs kodieren. Zunächst wurden stabil transgene C. elegans-Linien generiert, die fluoreszierende IFs exprimieren. Es konnte gezeigt werden, dass das darmspezifische IFB-2::CFP im Bereich des apikalen Junktionskomplex verankert ist und nahezu vollständig im subapikalen Terminalgeflecht der Enterozyten lokalisiert, das als Teil der endotube besonders stabil und widerstandsfähig ist. Wenn diese Tiere mit dsRNA gegen das ebenfalls im Terminalgeflecht exprimierte IF ifc-2 behandelt wurden, entwickelten sich blasenförmige Ausstülpungen des Darmlumens, die auf eine Schwächung der rigiden und formgebenden endotube hinwiesen und damit einen direkten in vivo-Beweis für die stressprotektive Funktion des intestinalen IF-Netzwerks lieferten. Die leichte Detektierbarkeit des IFB-2::CFP-Musters wurde in einem optischen Screen ausgenutzt, bei dem nach chemischer Mutagenese nach Veränderungen im IF-Muster gefahndet wurde. Hierbei wurden drei Mutanten isoliert. In Komplementationsanalysen stellte sich heraus, dass es sich in zwei Fällen um Allele desselben Gens handelt. Die Identifizierung der betroffenen Gene gelang durch eine PCR-basierte Kartierung von single nucleotide polymorphisms nach Verpaarung mit dem Hawaii-Stamm (snp-mapping) und anschließender RNAi-Analyse der Einzelgene in den identifizierten Chromosomenabschnitten. Im einen Fall handelte es sich um das sma-5-Gen, einer Serin/Threonin-Kinase mit Homologie zu den MAP-Kinasen MAPK7/ERK5 der Säuger. Hier wurden, ebenso wie beim ifc-2 (RNAi)-Phänotyp, progressive blasenförmige Ausstülpungen des Darmlumens beobachtet. Die beiden anderen Allele tragen Mutationen in einem bisher nicht näher charakterisierten Gen. In diesen Würmern kommt es zu einem vollständigen Auflösung des IFB-2::CFP-Netzwerks mit prominenten Akkumulationen um die apikalen Junktionen. Das Darmlumen ist stellenweise geweitet und das elektronendichte Terminalgeflecht fehlt fast vollständig, die Integrität des Darmepithels ist jedoch nicht kompromittiert. Die anderen IFs des Terminalgeflechts sind ebenfalls fehlverteilt, und die intestinale Expression von Aktin ist stark reduziert. Expressionskonstrukte des Gens zeigten weiterhin, dass es darmspezifisch synthetisiert wird und mit den IFs im Terminalgeflecht kolokalisiert. Das Protein ist, ähnlich wie das IF-assoziierte Filaggrin der Säuger ausgesprochen histidinreich. Es enthält außerdem eine Prolin-reiche Domäne, die Teil einer potentiellen Aktin-Bindedomäne ist. Auf Grund all dieser Eigenschaften wird die Bezeichnung IFO-1 (intermediate filament organizer) für das neue Protein vorgeschlagen, das möglicherweise als struktureller Zytoskelett-Linker wirkt. Die vorgestellten Ergebnisse untermauern die Bedeutung von C. elegans für die Identifizierung von Faktoren, die IF-Netzwerke regulieren, und die Möglichkeit, Defekte im lebenden Gesamtorganismus zu bestimmen.

Studying MHC I-dependent CD8 + T cell responses in the model of murine cutaneous leishmaniasis

Der Ausheilung von Infektionen mit Leishmania major liegt die Sekretion von IFN- von sowohl CD4+ als auch CD8+ T Zellen zugrunde.rnAktuell konnte in der Literatur nur ein Epitop aus dem parasitären LACK Protein für eine effektive CD4+ T Zell-vermittelte Immunantwort beschrieben werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand daher darin, mögliche MHC I abhängige CD8+ T Zell Antworten zu untersuchen. rnFür diesen Ansatz wurde als erstes der Effekt einer Vakzinierung mit LACK Protein fusioniert an die Protein-Transduktionsdomäne des HIV-1 (TAT) analysiert. Die Effektivität von TAT-LACK gegenüber CD8+ T Zellen wurde mittels in vivo Protein-Vakzinierung von resistenten C57BL/6 Mäusen in Depletions-Experimenten gezeigt.rnDie Prozessierung von Proteinen vor der Präsentation immunogener Peptide gegenüber T Zellen ist unbedingt erforderlich. Daher wurde in dieser Arbeit die Rolle des IFN--induzierbaren Immunoproteasoms bei der Prozessierung von parasitären Proteinen und Präsentation von Peptiden gebunden an MHC I Moleküle durch in vivo und in vitro Experimente untersucht. Es konnte in dieser Arbeit eine Immunoproteasom-unabhängige Prozessierung aufgezeigt werden.rnWeiterhin wurde Parasitenlysat (SLA) von sowohl Promastigoten als auch Amastigoten fraktioniert. In weiterführenden Experimenten können diese Fraktionen auf immunodominante Proteine/Peptide hin untersucht werden. rnLetztlich wurden Epitop-Vorhersagen für CD8+ T Zellen mittels computergestützer Software von beiden parasitären Lebensformen durchgeführt. 300 dieser Epitope wurden synthetisiert und werden in weiterführenden Experimenten zur Charakterisierung immunogener Eigenschaften weiter verwendet. rnIn ihrer Gesamtheit trägt die vorliegende Arbeit wesentlich zum Verständnis über die komplexen Mechanismen der Prozessierung und letztendlich zur Identifikation von möglichen CD8+ T Zell Epitopen bei. Ein detailiertes Verständnis der Prozessierung von CD8+ T Zell Epitopen von Leishmania major über den MHC Klasse I Weg ist von höchster Bedeutung. Die Charakterisierung sowie die Identifikation dieser Peptide wird einen maßgeblichen Einfluss auf die weiteren Entwicklungen von Vakzinen gegen diesen bedeutenden human-pathogenen Parasiten mit sich bringen. rn

Plasmoscope: Automated spectroscopy of single nanoparticles

Plasmonen sind die kollektive resonante Anregung von Leitungselektronen. Vom Licht angeregternPlasmonen in subwellenlängen-grossen Nanopartikeln heissen Partikelplasmonen und sind vielversprechende Kandidaten für zukünftige Mikrosensoren wegen der starken Abhängigkeit der Resonanz an extern steuerbaren Parametern, wie die optischen Eigenschaften des umgebenden Mediums und die elektrische Ladung der Nanopartikel. Die extrem hohe Streue_zienz von Partikelplasmonen erlaubt eine einfache Beobachtung einzelner Nanopartikel in einem Mikroskop.rnDie Anforderung, schnell eine statistisch relevante Anzahl von Datenpunkten sammeln zu können,rnund die wachsende Bedeutung von plasmonischen (vor allem Gold-) Nanopartikeln für Anwendungenrnin der Medizin, hat nach der Entwicklung von automatisierten Mikroskopen gedrängt, die im bis dahin nur teilweise abgedeckten spektralen Fenster der biologischen Gewebe (biologisches Fenster) von 650 bis 900nm messen können. Ich stelle in dieser Arbeit das Plasmoscope vor, das genau unter Beobachtung der genannten Anforderungen entworfen wurde, in dem (1) ein einstellbarer Spalt in die Eingangsö_nung des Spektrometers, die mit der Bildebene des Mikroskops zusammenfällt, gesetzt wurde, und (2) einem Piezo Scantisch, der es ermöglicht, die Probe durch diesen schmalen Spalt abzurastern. Diese Verwirklichung vermeidet optische Elemente, die im nahen Infra-Rot absorbieren.rnMit dem Plasmoscope untersuche ich die plasmonische Sensitivität von Gold- und Silbernanostrnäbchen, d.h. die Plasmon-Resonanzverschiebung in Abhängigkeit mit der Änderung des umgebendenrnMediums. Die Sensitivität ist das Mass dafür, wie gut die Nanopartikeln Materialänderungenrnin ihrer Umgebung detektieren können, und damit ist es immens wichtig zu wissen, welche Parameterrndie Sensitivität beein_ussen. Ich zeige hier, dass Silbernanostäbchen eine höhere Sensitivität alsrnGoldnanostäbchen innerhalb des biologischen Fensters besitzen, und darüberhinaus, dass die Sensitivität mit der Dicke der Stäbchen wächst. Ich stelle eine theoretische Diskussion der Sensitivitätrnvor, indenti_ziere die Materialparameter, die die Sensitivität bein_ussen und leite die entsprechendenrnFormeln her. In einer weiteren Annäherung präsentiere ich experimentelle Daten, die die theoretische Erkenntnis unterstützen, dass für Sensitivitätsmessschemata, die auch die Linienbreite mitberücksichtigen, Goldnanostäbchen mit einem Aspektverhältnis von 3 bis 4 das optimalste Ergebnis liefern. Verlässliche Sensoren müssen eine robuste Wiederholbarkeit aufweisen, die ich mit Gold- und Silbernanostäbchen untersuche.rnDie Plasmonen-resonanzwellenlänge hängt von folgenden intrinsischen Materialparametern ab:rnElektrondichte, Hintergrundpolarisierbarkeit und Relaxationszeit. Basierend auf meinen experimentellen Ergebnissen zeige ich, dass Nanostäbchen aus Kupfer-Gold-Legierung im Vergleich zu ähnlich geformten Goldnanostäbchen eine rotverschobene Resonanz haben, und in welcher Weiserndie Linienbreite mit der stochimetrischen Zusammensetzung der legierten Nanopartikeln variiert.rnDie Abhängigkeit der Linienbreite von der Materialzusammensetzung wird auch anhand von silberbeschichteten und unbeschichteten Goldnanostäbchen untersucht.rnHalbleiternanopartikeln sind Kandidaten für e_ziente photovoltaische Einrichtungen. Die Energieumwandlung erfordert eine Ladungstrennung, die mit dem Plasmoscope experimentell vermessen wird, in dem ich die lichtinduzierte Wachstumsdynamik von Goldsphären auf Halbleiternanost äbchen in einer Goldionenlösung durch die Messung der gestreuten Intensität verfolge.rn

The characterization of the Atxn2-CAG42-knock-in mouse as a model for Spinocerebellar Ataxia Type 2

Die Ursache der neurodegenerativen Erkrankung Spinozerebelläre Ataxie Typ 2 (SCA2) ist eine expandierte Polyglutamin-Domäne im humanen ATXN2-Gen von normalerweise 22 auf über 31 CAGs. Von der Degeneration sind vorwiegend die zerebellären Purkinje Neuronen betroffen, in denen zunehmend zytoplasmatische Aggregate sichtbar werden. Auch wenn die genaue Funktion von ATXN2 und die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen noch immer ungeklärt sind, werden ein toxischer Funktionsgewinn sowie der Verlust der normalen Proteinfunktion als mögliche Ursachen diskutiert.rnUm ein wirklichkeitsgetreues Tiermodell für die SCA2 zu haben, wurde eine knock-in Maus generiert, deren einzelnes CAG im Atxn2-Gen durch 42 CAGs ersetzt wurde. Dieses Mausmodell ist durch eine stabile Vererbung der Expansion charakterisiert. Weiterhin zeigt sie ein verringertes Körpergewicht sowie eine spät beginnende motorische Inkoordination, was dem Krankheitsbild von SCA2 entspricht. rnIm Weiteren konnte gezeigt werden, dass, obwohl die Atxn2 mRNA-Spiegel in Großhirn und Kleinhirn erhöht waren, die Menge an löslichem ATXN2 im Laufe der Zeit abnahm und dies mit einem Auftreten an unlöslichem ATXN2 korrelierte. Dieser im Kleinhirn progressive Prozess resultierte schließlich in zytoplasmatischen Aggregaten innerhalb der Purkinje Neuronen alter Mäuse. Der Verlust an löslichem ATXN2 könnte Effekte erklären, die auf einen partiellen Funktionsverlust von ATXN2 zurückzuführen sind, wobei die Aggregatbildung einen toxischen Funktionsgewinn wiederspiegeln könnte. Neben ATXN2 wurde auch sein Interaktor PABPC1 zunehmend unlöslich. Während dies im Großhirn eine Erhöhung der PABPC1 mRNA- und löslichen Proteinspiegel zur Folge hatte, konnte keine kompensatorische Veränderung seiner mRNA und zudem eine Verminderung an löslichem PABPC1 im Kleinhirn beobachtet werden. Auch PABPC1 wurde in Aggregate sequestriert. Diese Unterschiede zwischen Großhirn und Kleinhirn könnten zu der spezifischen Vulnerabilität des Kleinhirns beitragen.rnUm die Folgen auf mRNA-Prozessierung zu untersuchen, wurde ein Transkriptomprofil im mittleren sowie fortgeschrittenen Alter der Mäuse erstellt. Hierbei war eine erhöhte Expression von Fbxw8 im Kleinhirn alter Mäuse auffällig. Als Komponente eines Ubiquitin-E3-Ligase-Komplexes, hilft FBXW8 in der Degradierung von Zielproteinen und könnte somit die Toxizität des expandieren ATXN2 verringern. rnZur näheren Beschreibung der physiologischen Funktion von ATXN2, konnte in ATXN2-knock-out Mäusen gezeigt werden, dass das Fehlen von ATXN2 zu einer reduzierten globalen Proteinsyntheserate führte und somit eine Rolle als Translationsaktivator möglich erscheint. Kompensatorisch wurde eine erhöhte S6-Phosphorylierung gemessen.

Transport of nanoparticles into polymersomes : a minimal model system of particles passage through biological membranes

This thesis focuses on the design and characterization of a novel, artificial minimal model membrane system with chosen physical parameters to mimic a nanoparticle uptake process driven exclusively by adhesion and softness of the bilayer. The realization is based on polymersomes composed of poly(dimethylsiloxane)-b-poly(2-methyloxazoline) (PMDS-b-PMOXA) and nanoscopic colloidal particles (polystyrene, silica), and the utilization of powerful characterization techniques. rnPDMS-b-PMOXA polymersomes with a radius, Rh ~100 nm, a size polydispersity, PD = 1.1 and a membrane thickness, h = 16 nm, were prepared using the film rehydratation method. Due to the suitable mechanical properties (Young’s modulus of ~17 MPa and a bending modulus of ~7⋅10-8 J) along with the long-term stability and the modifiability, these kind of polymersomes can be used as model membranes to study physical and physicochemical aspects of transmembrane transport of nanoparticles. A combination of photon (PCS) and fluorescence (FCS) correlation spectroscopies optimizes species selectivity, necessary for a unique internalization study encompassing two main efforts. rnFor the proof of concepts, the first effort focused on the interaction of nanoparticles (Rh NP SiO2 = 14 nm, Rh NP PS = 16 nm; cNP = 0.1 gL-1) and polymersomes (Rh P = 112 nm; cP = 0.045 gL-1) with fixed size and concentration. Identification of a modified form factor of the polymersome entities, selectively seen in the PCS experiment, enabled a precise monitor and quantitative description of the incorporation process. Combining PCS and FCS led to the estimation of the incorporated particles per polymersome (about 8 in the examined system) and the development of an appropriate methodology for the kinetics and dynamics of the internalization process. rnThe second effort aimed at the establishment of the necessary phenomenology to facilitate comparison with theories. The size and concentration of the nanoparticles were chosen as the most important system variables (Rh NP = 14 - 57 nm; cNP = 0.05 - 0.2 gL-1). It was revealed that the incorporation process could be controlled to a significant extent by changing the nanoparticles size and concentration. Average number of 7 up to 11 NPs with Rh NP = 14 nm and 3 up to 6 NPs with Rh NP = 25 nm can be internalized into the present polymersomes by changing initial nanoparticles concentration in the range 0.1- 0.2 gL-1. Rapid internalization of the particles by polymersomes is observed only above a critical threshold particles concentration, dependent on the nanoparticle size. rnWith regard possible pathways for the particle uptake, cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM) has revealed two different incorporation mechanisms depending on the size of the involved nanoparticles: cooperative incorporation of nanoparticles groups or single nanoparticles incorporation. Conditions for nanoparticle uptake and controlled filling of polymersomes were presented. rnIn the framework of this thesis, the experimental observation of transmembrane transport of spherical PS and SiO2 NPs into polymersomes via an internalization process was reported and examined quantitatively for the first time. rnIn a summary the work performed in frames of this thesis might have significant impact on cell model systems’ development and thus improved understanding of transmembrane transport processes. The present experimental findings help create the missing phenomenology necessary for a detailed understanding of a phenomenon with great relevance in transmembrane transport. The fact that transmembrane transport of nanoparticles can be performed by artificial model system without any additional stimuli has a fundamental impact on the understanding, not only of the nanoparticle invagination process but also of the interaction of nanoparticles with biological as well as polymeric membranes. rn