Farbe und Funktion neuer Molekülarchitekturen auf Rylencarbonsäureimid-Basis

Perylencarbonsäureimide sind Farbmittel mit ausgezeichneter chemischer und photochemischer Stabilität, hohen molaren Extinktionskoeffizienten und hohen Fluoreszenzquantenausbeuten, weswegen ihre Anwendung über die reine Farbgebung hinausgeht und von der Grundlagenforschung bis hin zum funktionellen High-Tech-Material reicht. Ziel der vorliegenden Dissertation mit dem Titel „Farbe und Funktion neuer Molekülarchitekturen auf Rylencarbonsäureimid-Basis“ war die Synthese und Charakterisierung von neuen chromophoren Systemen ausgehend von bekannten Perylenfarbmitteln. Im ersten Teil der Arbeit wird die Synthese eines Konstruktes beschrieben, das es ermöglicht, die Rotation eines Perylenfarbstoffs einzelmolekülspektroskopisch zu visualisieren. Mit der Methode der defokussierten Einzelmolekülspektroskopie kann die Immobilisierung des molekularen Rotors nachgewiesen und die Umorientierung des Farbstoffs detektiert werden. In den folgenden Kapiteln steht die gezielte Variation bekannter chromophorer Systeme im Vordergrund. Die Veränderung der Größe, der Topologie und der Substitution des aromatischen π-Systems hat erheblichen Einfluss auf die optischen Eigenschaften sowie auf die Eignung der Moleküle als funktionelle Farbmittel, beispielsweise in optoelektronischen Bauteilen. Anhand der Eigenschaften der dargestellten Derivate können systematische Zusammenhänge zwischen Struktur, Farbe und Funktion abgeleitet werden.

Einzelmolekülspektroskopische und quantenchemische Untersuchungen zum elektronischen Energietransfer

In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen zum Mechanismus, der Dynamik und der Kontrolle des elektronischen Energietransfers in multichromophoren Modellsystemen durchgeführt. Als Untersuchungsmethoden wurden hauptsächlich die konfokale Einzelmolekülspektroskopie und die Quantenchemie eingesetzt. Der Aufbau des Einzelmolekülmikroskops wurde bezüglich der Anregungs- und Detektionskomponenten variiert, um die unterschiedlichen Experimente durchzuführen. Die quantenchemischen Rechnungen wurden auf Dichtefunktional- und Coupled-Cluster-Niveau durchgeführt. Die aus den Rechnungen erhaltenen zusätzlichen Informationen über experimentell zum Teil schwer zugängliche Eigenschaften der Farbstoffe unterstützten die Interpretation der experimentellen Befunde. rnIn früheren Untersuchungen der AG Basché wurden die Energietransfer-Raten von Donor-Akzeptor-Systemen gemessen, die erhebliche Abweichungen von nach der Förster-Theorie berechneten Raten zeigten. Daher war ein Ziel der vorliegenden Arbeit, diese Abweichungen zu erklären. Zu diesem Zweck wurde die Geometrie der Diaden experimentell untersucht, sowie die elektronische Kopplung zwischen den Chromophoren quantenchemisch berechnet. Die relative Orientierung der Chromophore in den Diaden wurde in einem Einzelmolekül-Experiment mit rotierender Anregungspolarisation abgefragt. Die erhaltenen Winkelverteilungen konnten schließlich eindeutig auf die Flexibilität der die Chromophore verbrückenden Oligophenyl-Einheiten zurückgeführt werden. Die Unterschiede der gemessenen Energietransfer-Raten zu den nach der Förster-Theorie ermittelten Werten konnten jedoch nicht über die molekulare Flexibilität der Systeme erklärt werden. Aufklärung über die Diskrepanzen zur Förster-Theorie ergaben die quantenchemischen Rechnungen. In Rahmen dieser Arbeit wurde zum ersten Mal die Coupled-Cluster-Theorie zur Berechnung der elektronischen Kopplung eingesetzt. Die Betrachtung der isolierten Chromophore reichte aber nicht aus, um die gemessenen Abweichungen von der Förster-Theorie zu erklären. Erst über die Berücksichtigung der molekularen Brücke konnten die gefunden Abweichungen erklärt werden. Die deutliche Verstärkung der elektronischen Kopplung ist auf die Polarisierbarkeit der Brücke zurückzuführen.rnNach diesen Betrachtungen stand die Kontrolle des Energietransfers im Fokus der weiteren Untersuchungen. In den durchgeführten Einzelmolekülexperimenten wurden die Chromophore der Donor-Akzeptor-Systeme selektiv mit zwei Laserpulsen unterschiedlicher Wellenlänge angeregt. Beim gleichzeitigen Anregen beider Chromophore wurde Singulett-Singulett-Annihilation (SSA) induziert, ein Energietransferprozess, bei dem die Anregungsenergie vom vorigen Akzeptor zum vorigen Donor übertragen wird. Da über SSA Fluoreszenzphotonen gelöscht wurden, konnte über den Abstand der Laserpulse die Fluoreszenzintensität des einzelnen Moleküls moduliert werden. Konzeptionell verwandte Einzelmolekülexperimente wurden an einem weiteren molekularen System durchgeführt, das aus einem Kern und einer Peripherie bestand. Fluoreszenzauszeiten des Gesamtsystems bei selektiver Anregung des Kerns wurden auf die Population eines Triplett-Zustandes zurückgeführt, der die Fluoreszenz der Peripherie löschte. rnAbschließend wurde der SSA-Prozess zwischen zwei gleichartigen Chromophoren untersucht. Es wurde eine Methode entwickelt, die es zum ersten Mal erlaubte, die SSA-Zeitkonstante individueller Moleküle zu bestimmen. Hierfür wurden die Daten der gemessenen Photonen-Koinzidenzhistogramme mittels eines im Rahmen dieser Arbeit hergeleiteten analytischen Zusammenhangs ausgewertet, der über Monte-Carlo-Simulationen bestätigt wurde.

Sensing applications of biofunctionalised plasmonic gold nanoparticles

Plasmonische Metallnanopartikel bündeln, verstärken und beeinflussen Licht auf nanoskopischer Ebene. Diese grundlegende Eigenschaft kommt von koheränten, kollektiven Schwingungen der Leitungsbandelektronen, die von einfallendem Licht resonant angeregt und lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) oder ‚Partikelplasmonen‘ genannt werden. Plasmonen in Metallnanopartikeln wurden bisher z.B. zur Erkennen von pathogenen Biomolekülen, bei der photothermischen Therapie und zur Verbesserung der Effizienz von Solarzellen verwendet. In dieser Arbeit werde ich meinen Fokus auf die Synthese und Funktionalisierung von Goldnanopartikeln zur Anwendung als Sensoren legen.rnrnKürzliche Verbesserungen in der nasschemischen Synthese haben zur Herstellung von Goldnanopartikel mit unterschiedlichen Formen und Größen geführt, die sich in ihren Sensoreigenschaften unterscheiden. Unter den unterschiedlichen Sensorgeometrien sind Goldnanostäbchen die bevorzugte Form zur Biomolekül-Sensorik durch LSPR. Nanostäbchen werden durch eine positiv geladene CTAB-Schicht stabilisiert, die Proteine bei neutralem pH-Wert anziehen kann. Die Adsorption und Desorption von Proteinen an der Nanopartikeloberfläche und damit die Bindungskinetiken von Proteinen kann auf Einzelmolekülebene erforscht werden. Ich zeige hier eine Studie mit hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung um einzelne Bindungsereignisse von Fibronectin auf Goldnanostäbchen darzustellen.rnrnGoldnanostäbchen müssen mit spezifischen biologischen Erkennungselementen funktionalisiert werden um eine Analyterkennung oder Proteinwechselwirkung zu erreichen. Ich funktionalisiere Goldnanostäbchen mit kurzen DNA-Sequenzen (Aptamer-Sequenzen und NTA konjugierten Polihymidinen) und habe anhand diese unterschiedlich sensitiven Partikel eine Studie mit verschiedenen Analyten (oder Protein-Protein Wechselwirkungen) erfolgreich durchgeführt.rn rnPlasmonen von Nanopartikel-Clustern koppeln miteinander, was ihre Resonanzenergie ändert. Der kontrollierte Zusammenbau von Nanopartikeln zu Dimeren oder höher geordneten Strukturen wie ‚Core-Satellites‘ können dazu dienen ihre Sensitivität zu erhöhen. Diese Cluster bieten eine hohe Sensitivität auf Grund der Anwesenheit von plasmonischen Hotspots in der Lücke zwischen zwei Partikeln. Die Plasmonkopplung ist ein Phänomen, das abhängig vom Abstand zweier Partikel zueinander ist und bildet somit die Basis von sogenannten Plasmon-Linealen. Ich habe eine Strategie entwickelt um Dimere aus Hsp90 funktionalisierten Goldnanosphären zu bilden. Diese Technik wird nicht durch Ausbleichen oder das Blinken von Farbstoffen limitiert und ich zeige zum ersten Mal wie man dadurch dynamische Proteinkonformationen untersuchen kann.rn

Optisch detektierte Magnetresonanz an NV-Zentren in Diamant

Die rasante Entwicklung der Computerindustrie durch die stetige Verkleinerung der Transistoren führt immer schneller zum Erreichen der Grenze der Si-Technologie, ab der die Tunnelprozesse in den Transistoren ihre weitere Verkleinerung und Erhöhung ihrer Dichte in den Prozessoren nicht mehr zulassen. Die Zukunft der Computertechnologie liegt in der Verarbeitung der Quanteninformation. Für die Entwicklung von Quantencomputern ist die Detektion und gezielte Manipulation einzelner Spins in Festkörpern von größter Bedeutung. Die Standardmethoden der Spindetektion, wie ESR, erlauben jedoch nur die Detektion von Spinensembles. Die Idee, die das Auslesen von einzelnen Spins ermöglich sollte, besteht darin, die Manipulation getrennt von der Detektion auszuführen.rn Bei dem NV−-Zentrum handelt es sich um eine spezielle Gitterfehlstelle im Diamant, die sich als einen atomaren, optisch auslesbaren Magnetfeldsensor benutzen lässt. Durch die Messung seiner Fluoreszenz sollte es möglich sein die Manipulation anderer, optisch nicht detektierbaren, “Dunkelspins“ in unmittelbarer Nähe des NV-Zentrums mittels der Spin-Spin-Kopplung zu detektieren. Das vorgeschlagene Modell des Quantencomputers basiert auf dem in SWCNT eingeschlossenen N@C60.Die Peapods, wie die Einheiten aus den in Kohlenstoffnanoröhre gepackten Fullerenen mit eingefangenem Stickstoff genannt werden, sollen die Grundlage für die Recheneinheiten eines wahren skalierbaren Quantencomputers bilden. Die in ihnen mit dem Stickstoff-Elektronenspin durchgeführten Rechnungen sollen mit den oberflächennahen NV-Zentren (von Diamantplatten), über denen sie positioniert sein sollen, optisch ausgelesen werden.rnrnDie vorliegende Arbeit hatte das primäre Ziel, die Kopplung der oberflächennahen NV-Einzelzentren an die optisch nicht detektierbaren Spins der Radikal-Moleküle auf der Diamantoberfläche mittels der ODMR-Kopplungsexperimente optisch zu detektieren und damit entscheidende Schritte auf dem Wege der Realisierung eines Quantenregisters zu tun.rn Es wurde ein sich im Entwicklungsstadium befindende ODMR-Setup wieder aufgebaut und seine bisherige Funktionsweise wurde an kommerziellen NV-Zentrum-reichen Nanodiamanten verifiziert. Im nächsten Schritt wurde die Effektivität und Weise der Messung an die Detektion und Manipulation der oberflächennah (< 7 nm Tiefe) implantieren NV-Einzelzenten in Diamantplatten angepasst.Ein sehr großer Teil der Arbeit, der hier nur bedingt beschrieben werden kann, bestand aus derrnAnpassung der existierenden Steuersoftware an die Problematik der praktischen Messung. Anschließend wurde die korrekte Funktion aller implementierten Pulssequenzen und anderer Software-Verbesserungen durch die Messung an oberflächennah implantierten NV-Einzelzentren verifiziert. Auch wurde der Messplatz um die zur Messung der Doppelresonanz notwendigen Komponenten wie einen steuerbaren Elektromagneten und RF-Signalquelle erweitert. Unter der Berücksichtigung der thermischen Stabilität von N@C60 wurde für zukünftige Experimente auch ein optischer Kryostat geplant, gebaut, in das Setup integriert und charakterisiert.rn Die Spin-Spin-Kopplungsexperimente wurden mit dem sauerstoffstabilen Galvinoxyl-Radikalals einem Modell-System für Kopplung durchgeführt. Dabei wurde über die Kopplung mit einem NVZentrum das RF-Spektrum des gekoppelten Radikal-Spins beobachtet. Auch konnte von dem gekoppelten Spin eine Rabi-Nutation aufgenommen werden.rn Es wurden auch weitere Aspekte der Peapod Messung und Oberflächenimplantation betrachtet.Es wurde untersucht, ob sich die NV-Detektion durch die SWCNTs, Peapods oder Fullerene stören lässt. Es zeigte sich, dass die Komponenten des geplanten Quantencomputers, bis auf die C60-Cluster, für eine ODMR-Messanordnung nicht detektierbar sind und die NV-Messung nicht stören werden. Es wurde auch betrachtet, welche Arten von kommerziellen Diamantplatten für die Oberflächenimplantation geeignet sind, für die Kopplungsmessungen geeignete Dichte der implantierten NV-Zentren abgeschätzt und eine Implantation mit abgeschätzter Dichte betrachtet.

Non-aqueous dispersions of particles and their applications

In the current work, three studies about non-aqueous dispersions of particles were carried out by using an amphiphilic block copolymer poly(isoprene)-block-poly(methyl methacrylate) (PI-b-PMMA) as stabilizer:rn1. Dispersions of polyurethane and polyurea porous particles for polymer compositesrn2. Dispersions of PMMA and PU particles with PDI dye for study of Single Molecule Spectroscopy Detectionrn3. Dispersions of graphene nanosheets for polymer compositesrnrnIn the first study, highly porous polyurethane and polyurea particles were prepared in a non-aqueous emulsion. The preparation of porous particles consisted of two parts: At first, a system was developed where the emulsion had high stability for the polymerization among diisocyanate, diol and water. In the second part, porous particles were prepared by using two methods fission/fusion and combination by which highly porous particles were obtained. In this study, the applications of porous particles were also investigated where polyurethane particles were tested as filling material for polymer composites and as catalyst carrier for polyethylene polymerization. rnrnIn the second study, PMMA and PU particles from one non-aqueous emulsion were investigated via single molecule fluorescence detection. At first the particles were loaded with PDI dye, which were detected by fluorescence microscopy. The distribution and orientation of the PDI molecules in the particles were successfully observed by Single Molecule Fluorescence Detection. The molecules were homogenously distributed inside of the particles. In addition they had random orientation, meaning that no aggregations of dye molecules were formed. With the results, it could be supposed that the polymer chains were also homogenously distributed in the particles, and that the conformation was relatively flexible. rnrnIn the third part of the study, graphene nanosheets with high surface area were dispersed in an organic solvent with low boiling point and low toxicity, THF, stabilized with a block copolymer PI-b-PMMA. The dispersion was used to prepare polymer composites. It was shown that the modified graphene nanosheets had good compatibility with the PS and PMMA matrices. rn

Development of a fluorescent-based single liposome assay for studying calcium transporter LMCA1

The morphological and functional unit of all the living organisms is the cell. The transmembrane proteins, localized in the plasma membrane of cells, play a key role in the survival of the cells themselves. These proteins perform a variety of different tasks, for example the control of the homeostasis. In order to control the homeostasis, these proteins have to regulate the concentration of chemical elements, like ions, inside and outside the cell. These regulations are fundamental for the survival of the cell and to understand them we need to understand how transmembrane proteins work. Two of the most important categories of transmembrane proteins are ion channels and transporter proteins. The ion channels have been depth studied at the single molecule level since late 1970s with the development of patch-clamp technique. It is not possible to apply this technique to study the transporter proteins so a new technique is under development in order to investigate the behavior of transporter proteins at the single molecule level. This thesis describes the development of a nanoscale single liposome assay for functional studies of transporter proteins based on quantitative fluorescence microscopy in a highly-parallel manner and in real time. The transporter of interest is the prokaryotic transporter Listeria Monocytogenes Ca2+-ATPase1 (LMCA1), a structural analogue of the eukaryotic calcium pumps SERCA and PMCA. This technique will allow the characterization of LMCA1 functionality at the single molecule level. Three systematically characterized fluorescent sensors were tested at the single liposome scale in order to investigate if their properties are suitable to study the function of the transporter of interest. Further studies will be needed in order to characterize the selected calcium sensor and pH sensor both implemented together in single liposomes and in presence of the reconstituted protein LMCA1.

Analysis of close associations of uropod-associated proteins in human T-cells using the proximity ligation assay

We have shown previously that the raft-associated proteins flotillin-1 and -2 are rapidly recruited to the uropods of chemoattractant-stimulated human neutrophils and T-cells and are involved in cell polarization. Other proteins such as the adhesion receptor PSGL-1, the actin-membrane linker proteins ezrin/radixin/moesin (ERM) and the signaling enzyme phosphatidylinositol-4-phosphate 5-kinase type Iγ90 (PIPKIγ90) also accumulate in the T-cell uropod. Using the in situ proximity ligation assay (PLA) we now have investigated putative close associations of these proteins in human freshly isolated T-cells before and after chemokine addition. The PLA allows in situ subcellular localization of close proximity of endogenous proteins at single-molecule resolution in fixed cells. It allows detection also of weaker and transient complexes that would not be revealed with co-immunoprecipitation approaches. We previously provided evidence for heterodimer formation of tagged flotillin-1 and -2 in T-cells before and after chemokine addition using fluorescence resonance energy transfer (FRET). We now confirm these findings using PLA for the endogenous flotillins in fixed human T-cells. Moreover, in agreement with the literature, our PLA findings confirm a close association of endogenous PSGL-1 and ERM proteins both in resting and chemokine-activated human T-cells. In addition, we provide novel evidence using the PLA for close associations of endogenous activated ERM proteins with PIPKIγ90 and of endogenous flotillins with PSGL-1 in human T-cells, before and after chemokine addition. Our findings suggest that preformed clusters of these proteins coalesce in the uropod upon cell stimulation.

Single-pair fluorescence resonance energy transfer on freely diffusing molecules: Observation of Förster distance dependence and subpopulations

Photon bursts from single diffusing donor-acceptor labeled macromolecules were used to measure intramolecular distances and identify subpopulations of freely diffusing macromolecules in a heterogeneous ensemble. By using DNA as a rigid spacer, a series of constructs with varying intramolecular donor-acceptor spacings were used to measure the mean and distribution width of fluorescence resonance energy transfer (FRET) efficiencies as a function of distance. The mean single-pair FRET efficiencies qualitatively follow the distance dependence predicted by Förster theory. Possible contributions to the widths of the FRET efficiency distributions are discussed, and potential applications in the study of biopolymer conformational dynamics are suggested. The ability to measure intramolecular (and intermolecular) distances for single molecules implies the ability to distinguish and monitor subpopulations of molecules in a mixture with different distances or conformational states. This is demonstrated by monitoring substrate and product subpopulations before and after a restriction endonuclease cleavage reaction. Distance measurements at single-molecule resolution also should facilitate the study of complex reactions such as biopolymer folding. To this end, the denaturation of a DNA hairpin was examined by using single-pair FRET.

Mechanical and chemical unfolding of a single protein: A comparison

Is the mechanical unraveling of protein domains by atomic force microscopy (AFM) just a technological feat or a true measurement of their unfolding? By engineering a protein made of tandem repeats of identical Ig modules, we were able to get explicit AFM data on the unfolding rate of a single protein domain that can be accurately extrapolated to zero force. We compare this with chemical unfolding rates for untethered modules extrapolated to 0 M denaturant. The unfolding rates obtained by the two methods are the same. Furthermore, the transition state for unfolding appears at the same position on the folding pathway when assessed by either method. These results indicate that mechanical unfolding of a single protein by AFM does indeed reflect the same event that is observed in traditional unfolding experiments. The way is now open for the extensive use of AFM to measure folding reactions at the single-molecule level. Single-molecule AFM recordings have the added advantage that they define the reaction coordinate and expose rare unfolding events that cannot be observed in the absence of chemical denaturants.

Antigen binding forces of individually addressed single-chain Fv antibody molecules

Antibody single-chain Fv fragment (scFv) molecules that are specific for fluorescein have been engineered with a C-terminal cysteine for a directed immobilization on a flat gold surface. Individual scFv molecules can be identified by atomic force microscopy. For selected molecules the antigen binding forces are then determined by using a tip modified with covalently immobilized antigen. An scFv mutant of 12% lower free energy for ligand binding exhibits a statistically significant 20% lower binding force. This strategy of covalent immobilization and measuring well separated single molecules allows the characterization of ligand binding forces in molecular repertoires at the single molecule level and will provide a deeper insight into biorecognition processes.

Nonequilibrium mechanism of transcription termination from observations of single RNA polymerase molecules

Cessation of transcription at specific terminator DNA sequences is used by viruses, bacteria, and eukaryotes to regulate the expression of downstream genes, but the mechanisms of transcription termination are poorly characterized. To elucidate the kinetic mechanism of termination at the intrinsic terminators of enteric bacteria, we observed, by using single-molecule light microscopy techniques, the behavior of surface-immobilized Escherichia coli RNA polymerase (RNAP) molecules in vitro. An RNAP molecule remains at a canonical intrinsic terminator for ≈64 s before releasing DNA, implying the formation of an elongation-incompetent (paused) intermediate by transcription complexes that terminate but not by those that read through the terminator. Analysis of pause lifetimes establishes a complete minimal mechanism of termination in which paused intermediate formation is both necessary and sufficient to induce release of RNAP at the terminator. The data suggest that intrinsic terminators function by a nonequilibrium process in which terminator effectiveness is determined by the relative rates of nucleotide addition and paused state entry by the transcription complex.

Stretching single-domain proteins: Phase diagram and kinetics of force-induced unfolding

Single-molecule force spectroscopy reveals unfolding of domains in titin on stretching. We provide a theoretical framework for these experiments by computing the phase diagrams for force-induced unfolding of single-domain proteins using lattice models. The results show that two-state folders (at zero force) unravel cooperatively, whereas stretching of non-two-state folders occurs through intermediates. The stretching rates of individual molecules show great variations reflecting the heterogeneity of force-induced unfolding pathways. The approach to the stretched state occurs in a stepwise “quantized” manner. Unfolding dynamics and forces required to stretch proteins depend sensitively on topology. The unfolding rates increase exponentially with force f till an optimum value, which is determined by the barrier to unfolding when f = 0. A mapping of these results to proteins shows qualitative agreement with force-induced unfolding of Ig-like domains in titin. We show that single-molecule force spectroscopy can be used to map the folding free energy landscape of proteins in the absence of denaturants.

Simultaneous two-photon excitation of distinct labels for dual-color fluorescence crosscorrelation analysis

Confocal fluorescence correlation spectroscopy as a time-averaging fluctuation analysis combining maximum sensitivity with high statistical confidence has proved to be a very versatile and powerful tool for detection and temporal investigation of biomolecules at ultralow concentrations on surfaces, in solutions, and in living cells. To probe the interaction of different molecular species for a detailed understanding of biologically relevant mechanisms, crosscorrelation studies on dual or multiple fluorophore assays with spectrally distinct excitation and emission are particularly promising. Despite the considerable improvement of detection specificity provided by fluorescence crosscorrelation analysis, few applications have so far been reported, presumably because of the practical challenges of properly aligning and controlling the stability of the experimental setup. In this work, we demonstrate that two-photon excitation combined with dual-color fluorescence correlation spectroscopy can be the key to simplifying simultaneous investigations of multiple fluorescent species significantly on a single-molecule scale. Two-photon excitation allows accession of common fluorophores of largely distinct emission by the same excitation wavelength, because differences in selection rules and vibronic coupling can induce considerable shifts between the one-photon and two-photon excitation spectra. The concept of dual-color two-photon fluorescence crosscorrelation analysis is introduced and experimentally demonstrated with an established assay probing the selective cleavage of dual-labeled DNA substrates by restriction endonuclease EcoRI.

Dynamics and folding of single two-stranded coiled-coil peptides studied by fluorescent energy transfer confocal microscopy

We report single-molecule measurements on the folding and unfolding conformational equilibrium distributions and dynamics of a disulfide crosslinked version of the two-stranded coiled coil from GCN4. The peptide has a fluorescent donor and acceptor at the N termini of its two chains and a Cys disulfide near its C terminus. Thus, folding brings the two N termini of the two chains close together, resulting in an enhancement of fluorescent resonant energy transfer. End-to-end distance distributions have thus been characterized under conditions where the peptide is nearly fully folded (0 M urea), unfolded (7.4 M urea), and in dynamic exchange between folded and unfolded states (3.0 M urea). The distributions have been compared for the peptide freely diffusing in solution and deposited onto aminopropyl silanized glass. As the urea concentration is increased, the mean end-to-end distance shifts to longer distances both in free solution and on the modified surface. The widths of these distributions indicate that the molecules are undergoing millisecond conformational fluctuations. Under all three conditions, these fluctuations gave nonexponential correlations on 1- to 100-ms time scale. A component of the correlation decay that was sensitive to the concentration of urea corresponded to that measured by bulk relaxation kinetics. The trajectories provided effective intramolecular diffusion coefficients as a function of the end-to-end distances for the folded and unfolded states. Single-molecule folding studies provide information concerning the distributions of conformational states in the folded, unfolded, and dynamically interconverting states.

Unbinding forces of single antibody-antigen complexes correlate with their thermal dissociation rates

Point mutants of three unrelated antifluorescein antibodies were constructed to obtain nine different single-chain Fv fragments, whose on-rates, off-rates, and equilibrium binding affinities were determined in solution. Additionally, activation energies for unbinding were estimated from the temperature dependence of the off-rate in solution. Loading rate-dependent unbinding forces were determined for single molecules by atomic force microscopy, which extrapolated at zero force to a value close to the off-rate measured in solution, without any indication for multiple transition states. The measured unbinding forces of all nine mutants correlated well with the off-rate in solution, but not with the temperature dependence of the reaction, indicating that the same transition state must be crossed in spontaneous and forced unbinding and that the unbinding path under load cannot be too different from the one at zero force. The distance of the transition state from the ground state along the unbinding pathway is directly proportional to the barrier height, regardless of the details of the binding site, which most likely reflects the elasticity of the protein in the unbinding process. Atomic force microscopy thus can be a valuable tool for the characterization of solution properties of protein-ligand systems at the single molecule level, predicting relative off-rates, potentially of great value for combinatorial chemistry and biology.