Computer simulations of charged systems in partially periodic geometries

This work presents algorithms for the calculation of the electrostatic interaction in partially periodic systems. The framework for these algorithms is provided by the simulation package ESPResSo, of which the author was one of the main developers. The prominent features of the program are listed and the internal structure is described. In the following, algorithms for the calculation of the Coulomb sum in three dimensionally periodic systems are described. These methods are the foundations for the algorithms for partially periodic systems presented in this work. Starting from the MMM2D method for systems with one non-periodic coordinate, the ELC method for these systems is developed. This method consists of a correction term which allows to use methods for three dimensional periodicity also for the case of two periodic coordinates. The computation time of this correction term is neglible for large numbers of particles. The performance of MMM2D and ELC are demonstrated by results from the implementations contained in ESPResSo. It is also discussed, how different dielectric constants inside and outside of the simulation box can be realized. For systems with one periodic coordinate, the MMM1D method is derived from the MMM2D method. This method is applied to the problem of the attraction of like-charged rods in the presence of counterions, and results of the strong coupling theory for the equilibrium distance of the rods at infinite counterion-coupling are checked against results from computer simulations. The degree of agreement between the simulations at finite coupling and the theory can be characterized by a single parameter gamma_RB. In the special case of T=0, one finds under certain circumstances flat configurations, in which all charges are located in the rod-rod plane. The energetically optimal configuration and its stability are determined analytically, which depends on only one parameter gamma_z, similar to gamma_RB. These findings are in good agreement with results from computer simulations.

Spectroscopic signatures from first principles calculations: from surface adsorbates to liquids and polymers

In dieser Arbeit werden drei wasserstoffverbrückte Systeme in der kondensierten Phase mit Hilfe von first-principles-Elektronenstruktur-Rechnungen untersucht, die auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) unter periodischen Randbedingungen basieren. Ihre lokalen Konformationen und Wasserstoffbrückenbindungen werden mittels ab-initio Molekulardynamiksimulationen berechnet und weiterhin durch die Bestimmung ihrer spektroskopischen Parameter charakterisiert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf lokalen Strukturen und auf schnellen Fluktuationen der Wasserstoffbrückenbindungen, welche von zentraler Bedeutung für die physikalischen und chemischen Eigenschaften der betrachteten Systeme sind. Die für die lokalen, instantanen Konformationen berechneten Spektren werden verwendet, um die physikalischen Prozesse, die hinter den untersuchten Phänomenen stehen, zu erklären: die Wasseradsorption auf metallischen Oberflächen, die Ionensolvatisierung in wässrigen Lösungen und der Protonentransport in protonleitenden Polymeren, welche Prototypen von Membranen für Brennstoffzellen sind. Die Möglichkeit der Vorhersage spektroskopischer Parameter eröffnet vielfältige Möglichkeiten des Dialogs zwischen Experimenten und numerischen Simulationen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass die Zuverlässigkeit dieser theoretischen Berechnungen inzwischen für viele experimentell relevante Systeme ein quantitatives Niveau erreicht hat.

Synthese und Charakterisierung von Modellen für Photoschalter und elektronische Ventile

Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die Synthese von organischen Photoschalter-Modellen auf der Basis von mesoionischen Pyrimidinium-olaten und Bis(thienylperfluorocyclopentenen), sowie die Darstellung substituierter Biphenyl-Biradikale als Modelle für Ventil-Systeme im Sinne eines neuen Schalter-Ventil-Konzeptes.Aufbauend auf meiner Arbeit über mesoionische Pyrimidinium-olate wurde ein henkelverbrücktes Ansa-Mesoion mit einem 16-gliedrigen Makrocyclus, sowie drei mehrcyclische mesoionische Systeme synthetisiert und auf ihr Schaltverhalten hin untersucht. Das Ansa-Mesoion stellt ein erstes einfaches Modell für Schalter-Ventil-Konjugate dar. Zur Darstellung der photochromen Bis(thienylethene) wurden die aus der Literatur bekannten Syntheserouten nach Irie als auch nach Feringa auf neue Strukturen angewandt und die Schalteigenschaften der Bis(thienylethene) optisch nachgewiesen. Die Anordnung der reaktiven Endgruppen in den synthetisierten Verbindungen schafft ideale Voraussetzungen für eine große konformelle Änderung, welche im Schalter-Ventil-Konjugat erwünscht ist. Durch vielfaches Durchlaufen des Schaltprozesses (> 100 Cyclen) konnte die hohe Reversibilität des Schaltvorganges belegt werden.Als Ventilmodelle wurden mit stabilen Nitroxidradikalen substituierte Biphenyle verwendet, deren primärer konformativer Freiheitsgrad durch die Drehung um die Phenyl-Phenyl-Einfachbindung gegeben ist. Experimentelle ESR-Daten und deren Vergleich mit Spektrensimulationen bestätigten die Abhängigkeit der Austauschwechselwirkung J zwischen den Radikalen vom Biphenyldiederwinkel.

Rod-coil copolymer structures

Skalenargumente werden verwendet, um Rod-Coil Copolymere mit fester Zusammensetzung von steifen Stäbchen und flexiblen Ketten zu studieren. In einem selektiven Lösungsmittel, in dem sich nur die Ketten lösen, bildet ein Rod-Coil Multiblock zylinderförmige Micellen aus aggregierten Stäbchen verbunden durch Kettenstücke. Die Stäbchen aggregieren, um Energie zu gewinnen. Dieser Prozeß wird durch den Entropieverlust der flexiblen Ketten ausgeglichen. Das Adsorptionsverhalten von Aggregaten aus parallel aneinandergelagerten, einzelnen Rod-Coil Diblöcken in selektivem Lösungsmittel wird anhand von erweiterten Skalenbetrachtungen diskutiert. Wenn ein solches Aggregat mit den Stäbchen parallel zur Oberfläche adsorbiert, verschieben sich die Stäbchen gegeneinander. Zusätzlich werden die Stabilität der adsorbierten Aggregate und andere mögliche Konfigurationen untersucht. Um einen Rod-Coil Multiblock mit variabler Zusammensetzung zu studieren, wird eine Feldtheorie entwickelt. Jedes Segment kann entweder steif oder flexibel sein. Das System zeigt drei Phasenzustände, offene Kette, amorphe Globule und flüssig-kristalline Globule. Beim Übergang von amorpher zu flüssig-kristalliner Globule steigt der Anteil an steifen Segmenten rapide an. Dieser Übergang wird durch die isotrope Wechselwirkung zwischen den steifen Segmenten und die anisotrope Oberflächenenergie der Globule verursacht.

Entstehung und Dynamik des Keratinfilament-Netzwerks

Das zytoplasmatische Zytoskelett besteht aus drei Filamentsystemen, die aus Aktin, Tubulin und Intermediärfilamentproteinen aufgebaut sind und dreidimensionale Netzwerke ausbilden. Das Intermediärfilamentsystem, dem vor allem mechanische Stabilisierungsfunktionen zugesprochen werden, unterscheidet sich von den anderen durch seine Fähigkeit, spontan aus seinen Polypeptiduntereinheiten ohne weitere Kofaktoren zu polymerisieren und durch seinen unpolaren Aufbau. Es ist bis heute unbekannt, wie Intermediärfilamentnetzwerke in vivo moduliert werden und wie ihre Anordnung in den Kontext des Gesamtzytoskeletts koordiniert wird. Am Beispiel der epithelialen Intermediärfilamentproteine, den Keratinen, sollte daher untersucht werden, wie und wo neue Intermediärfilamente entstehen, welche Bedeutung den anderen Filamentsystemen bei dem Netzwerkaufbau und –Turn-Over zukommen und wie die Netzwerkbildung gesteuert wird. Zur Beantwortung dieser Fragestellungen wurden Zellklone hergestellt, die fluoreszierende Keratine synthetisieren. In der Zelllinie SK8/18-2, deren gesamtes Netzwerk aus derartigen Chimären aufgebaut ist, konnten anhand von mikroskopischen Zeitrafferaufnahmen der Fluoreszenzmuster Keratinfilamentvorläufer (KFP) identifiziert und deren Dynamik direkt in lebenden Zellen verfolgt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die KFP in einem Plasmamembran-nahen Bereich entstehen, in dem sie zuerst als punktförmige Partikel detektiert werden. Nach einer initialen, sphäroidalen Wachstumsphase elongieren die Partikel zu kleinen Filamentstückchen. Diese können miteinander fusionieren und werden über ihre Enden in das periphere Netzwerk integriert. Der Wachstumsprozess ist gekoppelt an eine kontinuierliche, langsame Bewegung in Richtung auf das Zellzentrum. Diese Motilität sistiert vollständig nach pharmakologisch induziertem Abbau der Aktinfilamente. In Zeitraffer-aufnahmen kann jedoch in derartig behandelten Zellen ein wesentlich schnellerer Transport, der in verschiedene Richtungen verläuft und durch lange Ruhephasen unterbrochen wird, beobachtet werden. Dieser Modus, der gelegentlich auch in unbehandelten Zellen gefunden wurde, ist abhängig von intakten Mikrotubuli. Erst durch Zerstörung der Aktinfilamente und der Mikrotubuli erlischt die Motilität der KFPs vollständig. Bei der Suche nach Regulatoren der Keratinnetzwerkbildung wurde die p38 MAPK als zentraler Faktor identifiziert. Erstmals konnte eine direkte räumliche und zeitliche Korrelation zwischen einer spezifischen Enzymaktivität durch Nachweis der phosphorylierten p38 MAPK, der daraus folgenden Phosphorylierung eines Keratins, hier Serin 73 des Keratin 8, und der daraus resultierenden Veränderung des Netzwerkaufbaus, d. h. der Ausbildung von Keratingranula, nachgewiesen werden. Diese koordinierten Veränderungen wurden in unterschiedlichen Stresssituationen in verschiedenen Zellsystemen und in Zellen mit mutierten Keratinen beobachtet. Genetische (shRNA) und pharmakologische Manipulationen der p38 MAPK-Aktivität deuten auf einen engen kausalen Zusammenhang hin.

Oligomerization and protein-protein interactions of the sensory histidine kinase DcuS in Escherichia coli

DcuS is a membrane-integral sensory histidine kinase involved in the DcuSR two-component regulatory system in Escherichia coli by regulating the gene expression of C4-dicarboxylate metabolism in response to external stimuli. How DcuS mediates the signal transduction across the membrane remains little understood. This study focused on the oligomerization and protein-protein interactions of DcuS by using quantitative Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) spectroscopy. A quantitative FRET analysis for fluorescence spectroscopy has been developed in this study, consisting of three steps: (1) flexible background subtraction to yield background-free spectra, (2) a FRET quantification method to determine FRET efficiency (E) and donor fraction (fD = [donor] / ([donor]+[acceptor])) from the spectra, and (3) a model to determine the degree of oligomerization (interaction stoichiometry) in the protein complexes based on E vs. fD. The accuracy and applicability of this analysis was validated by theoretical simulations and experimental systems. These three steps were integrated into a computer procedure as an automatic quantitative FRET analysis which is easy, fast, and allows high-throughout to quantify FRET accurately and robustly, even in living cells. This method was subsequently applied to investigate oligomerization and protein-protein interactions, in particular in living cells. Cyan (CFP) and yellow fluorescent protein (YFP), two spectral variants of green fluorescent protein, were used as a donor-acceptor pair for in vivo measurements. Based on CFP- and YFP-fusions of non-interacting membrane proteins in the cell membrane, a minor FRET signal (E = 0.06 ± 0.01) can be regarded as an estimate of direct interaction between CFP and YFP moieties of fusion proteins co-localized in the cell membrane (false-positive). To confirm if the FRET occurrence is specific to the interaction of the investigated proteins, their FRET efficiency should be clearly above E = 0.06. The oligomeric state of DcuS was examined both in vivo (CFP/YFP) and in vitro (two different donor-acceptor pairs of organic dyes) by three independent experimental systems. The consistent occurrence of FRET in vitro and in vivo provides the evidence for the homo-dimerization of DcuS as full-length protein for the first time. Moreover, novel interactions (hetero-complexes) between DcuS and its functionally related proteins, citrate-specific sensor kinase CitA and aerobic dicarboxylate transporter DctA respectively, have been identified for the first time by intermolecular FRET in vivo. This analysis can be widely applied as a robust method to determine the interaction stoichiometry of protein complexes for other proteins of interest labeled with adequate fluorophores in vitro or in vivo.

Complex materials via colloidal crystallization

The work presented in this thesis deals with complex materials, which were obtained by self-assembly of monodisperse colloidal particles, also called colloidal crystallization. Two main fields of interest were investigated, the first dealing with the fabrication of colloidal monolayers and nanostructures, which derive there from. The second turned the focus on the phononic properties of colloidal particles, crystals, and glasses. For the fabrication of colloidal monolayers a method is introduced, which is based on the sparse distribution of dry colloidal particles on a parent substrate. In the ensuing floating step the colloidal monolayer assembles readily at the three-phase-contact line, giving a 2D hexagonally ordered film under the right conditions. The unique feature of this fabrication process is an anisotropic shrinkage, which occurs alongside with the floating step. This phenomenon is exploited for the tailored structuring of colloidal monolayers, leading to designed hetero-monolayers by inkjet printing. Furthermore, the mechanical stability of the floating monolayers allows the deposition on hydrophobic substrates, which enables the fabrication of ultraflat nanostructured surfaces. Densely packed arrays of crescent shaped nanoparticles have also been synthesized. It is possible to stack those arrays in a 3D manner allowing to mutually orientate the individual layers. In a step towards 3D mesoporous materials a methodology to synthesize hierarchically structured inverse opals is introduced. The deposition of colloidal particles in the free voids of a host inverse opal allows for the fabrication of composite inverse opals on two length scales. The phononic properties of colloidal crystals and films are characterized by Brillouin light scattering (BLS). At first the resonant modes of colloidal particles consisting of polystyrene, a copolymer of methylmethacrylate and butylacrylate, or of a silica core-PMMA shell topography are investigated, giving insight into their individual mechanical properties. The infiltration of colloidal films with an index matching liquid allows measuring the phonon dispersion relation. This leads to the assignment of band gaps to the material under investigation. Here, two band gaps could be found, one originating from the fcc order in the colloidal crystal (Bragg gap), the other stemming from the vibrational eigenmodes of the colloidal particles (hybridization gap).

Dynamic wetting of complex liquids

A simple dependency between contact angle θ and velocity or surface tension has been predicted for the wetting and dewetting behavior of simple liquids. According to the hydrodynamic theory, this dependency was described by Cox and Voinov as θ ∼ Ca^(1/3) (Ca: Capillary number). For more complex liquids like surfactant solutions, this prediction is not directly given.rnHere I present a rotating drum setup for studying wetting/dewetting processes of surfactant solutions on the basis of velocity-dependent contact angle measurements. With this new setup I showed that surfactant solutions do not follow the predicted Cox-Voinov relation, but showed a stronger contact angle dependency on surface tension. All surfactants independent of their charge showed this difference from the prediction so that electrostatic interactions as a reason could be excluded. Instead, I propose the formation of a surface tension gradient close to the three-phase contact line as the main reason for the strong contact angle decrease with increasing surfactant concentration. Surface tension gradients are not only formed locally close to the three-phase contact line, but also globally along the air-liquid interface due to the continuous creation/destruction of the interface by the drum moving out of/into the liquid. By systematically hindering the equilibration routes of the global gradient along the interface and/or through the bulk, I was able to show that the setup geometry is also important for the wetting/dewetting of surfactant solutions. Further, surface properties like roughness or chemical homogeneity of the wetted/dewetted substrate influence the wetting/dewetting behavior of the liquid, i. e. the three-phase contact line is differently pinned on rough/smooth or homogeneous/inhomogeneous surfaces. Altogether I showed that the wetting/dewetting of surfactant solutions did not depend on the surfactant type (anionic, cationic, or non-ionic) but on the surfactant concentration and strength, the setup geometry, and the surface properties.rnSurfactants do not only influence the wetting/dewetting behavior of liquids, but also the impact behavior of drops on free-standing films or solutions. In a further part of this work, I dealt with the stability of the air cushion between drop and film/solution. To allow coalescence between drop and substrate, the air cushion has to vanish. In the presence of surfactants, the vanishing of the air is slowed down due to a change in the boundary condition from slip to no-slip, i. e. coalescence is suppressed or slowed down in the presence of surfactant.