Structure, organization and dynamics of functional supramolecular materials studied by solid-state NMR

Functional materials have great importance due to their many important applications. The characterization of supramolecular architectures which are held together by non-covalent interactions is of most importance to understand their properties. Solid-state NMR methods have recently been proven to be able to unravel such structure-property relations with the help of fast magic-angle spinning and advanced pulse sequences. The aim of the current work is to understand the structure and dynamics of functional supramolecular materials which are potentially important for fuel-cell (proton conducting membrane materials) and solar-cell or plastic-electronic applications (photo-reactive aromatic materials). In particular, hydrogen-bonding networks, local proton mobility, molecular packing arrangements, and local dynamics will be studied by the use of advanced solid-state NMR methods. The first class of materials studied in this work is proton conducting polymers which also form hydrogen-bonding network. Different materials, which are prepared for high 1H conduction by different approaches are studied: PAA-P4VP, PVPA-ABPBI, Tz5Si, and Triazole-functional systems. The materials are examples of the following major groups; - Homopolymers with specific functional groups (Triazole functional polysiloxanes). - Acid-base polymer blends approach (PAA-P4VP, PVPA-ABPBI). - Acid-base copolymer approach (Triazole-PVPA). - Acid doped polymers (Triazole functional polymer doped with H3PO4). Perylenebisimide (PBI) derivatives, a second type of important functional supramolecular materials with potent applications in plastic electronics, were also investigated by means of solid-state NMR. The preparation of conducting nanoscopic fibers based on the self-assembling functional units is an appealing aim as they may be incorporated in molecular electronic devices. In this category, perylene derivatives have attracted great attention due to their high charge carrier mobility. A detailed knowledge about their supramolecular structure and molecular dynamics is crucial for the understanding of their electronic properties. The aim is to understand the structure, dynamics and packing arrangements which lead to high electron conductivity in PBI derivatives.

Spectroscopic studies on Cyclodextrin and Metal Organic Framework based potential nanovectors for delivery of Anticancer and Antiviral drugs

The aim of this work is to contribute to the development of new multifunctional nanocarriers for improved encapsulation and delivery of anticancer and antiviral drugs. The work focused on water soluble and biocompatible oligosaccharides, the cyclodextrins (CyDs), and a new family of nanostructured, biodegradable carrier materials made of porous metal-organic frameworks (nanoMOFs). The drugs of choice were the anticancer doxorubicin (DOX), azidothymidine (AZT) and its phosphate derivatives and artemisinin (ART). DOX possesses a pharmacological drawback due to its self-aggregation tendency in water. The non covalent binding of DOX to a series of CyD derivatives, such as g-CyD, an epichlorohydrin crosslinked b-CyD polymer (pb-CyD) and a citric acid crosslinked g-CyD polymer (pg-CyD) was studied by UV visible absorption, circular dichroism and fluorescence. Multivariate global analysis of multiwavelength data from spectroscopic titrations allowed identification and characterization of the stable complexes. pg-CyD proved to be the best carrier showing both high association constants and ability to monomerize DOX. AZT is an important antiretroviral drug. The active form is AZT-triphosphate (AZT-TP), formed in metabolic paths of low efficiency. Direct administration of AZT-TP is limited by its poor stability in biological media. So the development of suitable carriers is highly important. In this context we studied the binding of some phosphorilated derivatives to nanoMOFs by spectroscopic methods. The results obtained with iron(III)-trimesate nanoMOFs allowed to prove that the binding of these drugs mainly occurs by strong iono-covalent bonds to iron(III) centers. On the basis of these and other results obtained in partner laboratories, it was possible to propose this highly versatile and “green” carrier system for delivery of phosphorylated nucleoside analogues. The interaction of DOX with nanoMOFs was also studied. Finally the binding of the antimalarial drug, artemisinin (ART) with two cyclodextrin-based carriers,the pb-CyD and a light responsive bis(b-CyD) host, was also studied.

Interplay of pi–pi stacking and hydrogen bonding in conjugated supramolecular systems studied by solid-state NMR

In this work supramolecular organic systems based on rigid pi-conjugated building blocks and flexible side chains were studied via solid-state NMR spectroscopy. Specifically, these studies focussed on phenylene ethynylene based macrocycles, polymer systems including polythiophenes, and rod-coil copolymers of oligo(p-benzamide) and poly(ethylene glycol). All systems were studied in terms of the local order and mobility. The central topic of this dissertation was to elucidate the role of the flexible side chains in interplay of different non-covalent interactions, like pi-pi-stacking and hydrogen bonding.Combining the results of this work, it can be concluded that the ratio of the rigid block and the attached alkyl side chains can be crucial for the design of an ordered pi-conjugated supramolecular system. Through alkyl side chains, it is also possible to introduce liquid-crystalline phases in the system, which can foster the local order of the system. Moreover in the studied system longer, unbranched alkyl side chains are better suited to stabilize the corresponding aggregation than shorter, branched ones.The combination of non-covalent interactions such as pi-pi-stacking and hydrogen bonding play an important role for structure formation. However, the effect of pi-pi-stacking interaction is much weaker than the effect of hydrogen bonding and is only observed in systems with a suitable local order. Hence, they are often not strong enough to control the local order. In contrast, hydrogen bonds predominantly influence the structural organization and packing. In comparison the size of the alkyl side chains is only of minor importance. The suppression of certain hydrogen bonds can lead to completely different structures and can induce a specific aggregation behavior. Thus, for the design of a supramolecular ordered system the presence of hydrogen bonding efficiently stabilizes the corresponding structure, but the ratio of hydrogen bond forming groups should be kept low to be able to influence the structure selectively.

Lipophilic nucleosides: studies toward self-assembled functional materials

Molecular self-assembly takes advantage of supramolecular non-covalent interactions (ionic, hydrophobic, van der Waals, hydrogen and coordination bonds) for the construction of organized and tunable systems. In this field, lipophilic guanosines can represent powerful building blocks thanks to their aggregation proprieties in organic solvents, which can be controlled by addition or removal of cations. For example, potassium ion can template the formation of piled G-quartets structures, while in its absence ribbon-like G aggregates are generated in solution. In this thesis we explored the possibility of using guanosines as scaffolds to direct the construction of ordered and self-assembled architectures, one of the main goals of bottom-up approach in nanotechnology. In Chapter III we will describe Langmuir-Blodgett films obtained from guanosines and other lipophilic nucleosides, revealing the “special” behavior of guanine in comparison with the other nucleobases. In Chapter IV we will report the synthesis of several thiophene-functionalized guanosines and the studies towards their possible use in organic electronics: the pre-programmed organization of terthiophene residues in ribbon aggregates could allow charge conduction through π-π stacked oligothiophene functionalities. The construction and the behavior of some simple electronic nanodevices based on these organized thiopehene-guanosine hybrids has been explored.

Phosphonic acid-containing molecules as proton conductors and linkers for hybrid materials

In dieser Arbeit werden zwei Arten von nicht-kovalent verknüpften Netzwerkstrukturen vorgestellt, die aus phosphonsäurehaltigen Molekülen aufgebaut sind. Einerseits sollen diese phosphonsäurehaltigen Moleküle als Protonenleiter in Brennstoffzellen eingesetzt werden. Dies ist durch die Möglichkeit des kooperativen Protonentransports in wasserstoffbrückenhaltigen Netzwerken begründet. Auf der anderen Seite sollen die phosphonsäurehaltigen Moleküle unter Einsatz von Metallkationen zur Darstellung ionischer Netzwerke verwendet werden. In diesem Fall fungieren die phosphonierten Moleküle als Linker in porösen organisch-anorganischen Hybridmaterialien, die sich beispielsweise zur Gasspeicherung eignen.rnEine Brennstoffzelle stellt Energie mit hoher Effizienz und geringer Umweltbelastung bereit. Das Herzstück der Brennstoffzelle ist die Elektrolytmembran, die auch als Separator oder Protonenaustauschmembran (PEM) bezeichnet wird. Es wird davon ausgegangen, daß der Schlüssel zur Weiterentwicklung der PEM-Brennstoffzellen in der Entwicklung von Elektrolyten liegt, die ausschließlich und effizient Protonen transportieren und darüber hinaus chemisch (oxidationsbeständig) und mechanisch stabil sind. Die mechanische Stabilität betrifft insbesondere den Betrieb der Brennstoffzelle bei hohen Temperaturen und niedriger relativer Feuchtigkeit. In dieser Arbeit wird ein neuartiger Ansatz zum Erreichen eines hohen Protonentransports im Festkörper vorgestellt, der auf dem Einsatz kleiner Moleküle beruht, die durch Selbstorganisation eine kontinuierliche protonenleitende Phase erzeugen. Bis jetzt stellt Hexakis(p-phosphonatophenyl)benzol das erste Beispiel eines kristallinen Protonenleiters dar, der im festen Zustand eine hohe und konstante Leistung zeigt. Die Modifizierung von Hexakis(p-phosphonatophenyl)benzol, entweder durch Änderung von para- zu meta-Substitution oder die Einführung von Alkylketten, führt zu Verbindungen geringerer Kristallinität und niedriger Protonenleitfähigkeit.rnIm zweiten Teil der Arbeit wurde 1,3,5-Tris(p-phosphonatophenyl)benzol als Linker in der Synthese von offenen Phosphonat-Netzwerken eingesetzt. Es bilden sich aufgrund der ionischen Wechselwirkung zwischen den positiv geladenen Metallkationen und den negativ geladenen Phosphonsäuregruppen hochstabile Feststoffe. Eines der wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit besteht darin, daß 1,3,5-Tris(p-phosphonatophenyl)benzol als Linker zum Aufbau poröser Hybridmaterialien eingesetzt werden kann. Zum ersten Mal wurde ein dreifach phosphoniertes organisches Molekül zum Aufbau mikroporöser offener Phosphonat-Netzwerke verwendet. Zudem konnte gezeigt werden, daß die Porosität mit dem Wachstumsmechanismus dieser Materialien zusammenhängt. Es ist nur dann möglich ein gleichfalls mikroporöses und kristallines ionisches Netzwerk auf der Grundlage phosphonierter Moleküle zu erhalten, wenn Linker und Konnektor die gleiche Geometrie und Funktionalität besitzen.rn

The relevance of the silica metabolizing enzyme silicatein-alpha to biomineralization and the formation of biogenic silica in siliceous sponges

Die technische Silikatproduktion erfordert in der Regel hohe Temperaturen und extreme pH-Werte. In der Natur hingegen haben insbesondere Kieselschwämme die außergewöhnliche Fähigkeit, ihr Silikatskelett, das aus einzelnen sogenannten Spiculae besteht, enzymatisch mittels des Proteins Silicatein zu synthetisieren. rnIm Inneren der Spiculae, im zentralen Kanal, befindet sich das Axialfilament, welches hauptsächlich aus Silicatein-α aufgebaut ist. Mittels Antikörperfärbungen und Elektronenmikroskopischen Analysen konnte festgestellt werden, dass Silicatein in mit Kieselsäure-gefüllten Zellorganellen (silicasomes) nachzuweisen ist. Mittels dieser Vakuolen kann das Enzym und die Kieselsäure aus der Zelle zu den Spiculae im extrazellulären Raum befördert werden, wo diese ihre endgültige Länge und Dicke erreichen. Zum ersten Mal konnte nachgewiesen werden, dass rekombinant hergestelltes Silicatein-α sowohl als Siliciumdioxid-Polymerase als auch Siliciumdioxid-Esterase wirkt. Mittels Massenspektroskopie konnte die enzymatische Polymerisation von Kieselsäure nachverfolgt werden. Durch Spaltung der Esterbindung des künstlichen Substrates Bis(p-aminophenoxy)-dimethylsilan war es möglich kinetische Parameter der Siliciumdioxid-Esterase-Aktivität des rekombinanten Silicateins zu ermitteln.rnZu den größten biogenen Silikatstukuren auf der Erde gehören die Kieselnadeln der Schwammklasse Hexactinellida. Nadelextrakte aus den Schwammklassen Demospongien (S. domuncula) und Hexactinellida (M. chuni) wurden miteinander verglichen um die potentielle Existenz von Silicatein oder Silicatein-ähnliche Molekülen und die dazu gehörige proteolytischen Aktivität nachzuweisen. Biochemische Analysen zeigten, dass das 27 kDA große isolierte Polypeptid in Monoraphis mehrere gemeinsame Merkmale mit den Silicateinen der Demospongien teilt. Dazu gehören die Größe und die Proteinase-Aktivität. rnUm die Frage zu klären, ob das axiale Filament selbst zur Formbildung der Skelettelemente beiträgt, wurde ein neues mildes Extraktionsverfahren eingeführt. Dieses Verfahren ermöglichte die Solubilisierung des nativen Silicateins aus den Spiculae. Die isolierten Silicateine lagen als Monomere (24 kDa) vor, die Dimere durch nicht-kovalente Bindungen ausbildeten. Darüber hinaus konnten durch PAGE-Gelelektrophorese Tetramere (95 kDa) und Hexamere (135 kDa) nachgewiesen werden. Die Monomere zeigten eine beträchtliche proteolytische Aktivität, die sich während der Polymerisationsphase des Proteins weiter erhöhte. Mit Hilfe der Lichtmikroskopie und Elektronenmikroskopie (TEM) konnte die Assemblierung der Proteine zu filamentartigen Strukturen gezeigt werden. Die Selbstorganisation der Silicatein-α-Monomeren scheint eine Basis für Form- und Musterbildung der wachsenden Nadeln zu bilden.rn Um die Rolle des kürzlich entdeckten Proteins Silintaphin-1, ein starker Interaktionspartner des Silicatein-α, während der Biosilifizierung zu klären, wurden Assemblierungs-Experimente mit den rekombinanten Proteinen in vitro durchgeführt. Zusätzlich wurde deren Effekt auf die Biosilikatsynthese untersucht. Elektronenmikroskopische Analysen ergaben, dass rekombinantes Silicatein-α zufällig verteilte Aggregate bildet, während die Koinkubation beider Proteine (molekulares Verhältnis 4:1) über fraktal artige Strukturen zu Filamenten führt. Auch die enzymatische Aktivität der Silicatein-α-vermittelte Biosilikatsynthese erhöhte sich in Gegenwart von Silintaphin-1 um das 5,3-fache. rn

Synthetic strategies of new spin-labelled supramolecular systems

Molecular recognition and self-assembly represent fundamental issues for the construction of supramolecular systems, structures in which the components are held together through non-covalent interactions. The study of host-guest complexes and mechanical interlocked molecules, important examples in this field, is necessary in order to characterize self-assembly processes, achieve more control over the molecular organization and develop sophisticated structures by using properly designed building blocks. The introduction of paramagnetic species, or spin labelling, represents an attractive opportunity that allows their detection and characterization by the Electron Spin Resonance spectroscopy, a valuable technique that provides additional information to those obtained by traditional methods. In this Thesis, recent progresses in the design and the synthesis of new paramagnetic host-guest complexes and rotaxanes characterized by the presence of nitroxide radicals and their investigation by ESR spectroscopy are reported. In Chapter 1 a brief overview of the principal concepts of supramolecular chemistry, the spin labelling approach and the development of ESR methods applied to paramagnetic systems are described. Chapter 2 and 3 are focused on the introduction of radicals in macrocycles as Cucurbiturils and Pillar[n]arenes, due to the interesting binding properties and the potential employment in rotaxanes, in order to investigate their structures and recognition properties. Chapter 4 deals with one of the most studied mechanical interlocked molecules, the bistable [2]rotaxane reported by Stoddart and Heath based on the ciclobis (paraquat-p-phenylene) CBPQT4+, that represents a well known example of molecular switch driven by external stimuli. The spin labelling of analogous architectures allows the monitoring by ESR spectroscopy of the switch mechanism involving the ring compound by tuning the spin exchange interaction. Finally, Chapter 5 contains the experimental procedures used for the synthesis of some of the compounds described in Chapter 2-4.

Photophysics of Carbon Nanotubes: from Dispersion to Supramolecular Systems

The aim of this PhD thesis is the investigation of the photophysical properties of materials that can be exploited in solar energy conversion. In this context, my research was mainly focused on carbon nanotube-based materials and ruthenium complexes. The first part of the thesis is devoted to carbon nanotubes (CNT), which have unique physical and chemical properties, whose rational control is of substantial interest to widen their application perspectives in many fields. Our goals were (i) to develop novel procedures for supramolecular dispersion, using amphiphilic block copolymers, (ii) to investigate the photophysics of CNT-based multicomponent hybrids and understand the nature of photoinduced interactions between CNT and selected molecular systems such as porphyrins, fullerenes and oligo (p-phynylenevinylenes). We established a new protocol for the dispersion of SWCNTs in aqueous media via non-covalent interactions and demonstrated that some CNT-based hybrids are suitable for testing in PV devices. The second part of the work is focussed on the study of homoleptic and heteroleptic Ru(II) complexes with bipyridine and extended phenanthroline ligands. Our studies demonstrated that these compounds are potentially useful as light harvesting systems for solar energy conversion. Both CNT materials and Ru(II) complexes have turned out to be remarkable examples of photoactive systems. The morphological and photophysical characterization of CNT-based multicomponent systems allowed a satisfactory rationalization of the photoinduced interactions between the individual units, despite several hurdles related to the intrinsic properties of CNTs that prevent, for instance, the utilization of laser spectroscopic techniques. Overall, this work may prompt the design and development of new functional materials for photovoltaic devices.

Einfluss verschiedener nanopartikulärer Systeme auf die zelluläre Aufnahme und Zytotoxizität

Die vorliegende Dissertation untersucht Nanopartikel und Nanokapseln aus verschiedenen Materialien mit verschiedenen Modifikationen für einen zielgerichteten Medikamententransport (Drug Targeting). Obwohl bisher zahlreiche Nanopartikel und -kapseln synthetisiert wurden, besteht nach wie vor hinsichtlich der zellulären Verträglichkeit, Biokompatibilität und Aufnahme kein allumfassendes Verständnis. Mit Hilfe der in dieser Arbeit vorgestellten Untersuchungen und Ergebnissen soll ein Beitrag zur Schließung dieser Lücke geleistet werden.rnIm Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde der Einfluss der Herstellungsmaterialien PS, PLLA, PMMA, Biomakromoleküle (BSA, DNA), ggf. stabilisiert durch HPMA-LMA-Copolymere und neu-synthetisierte Surfmere, der Formmodifikationen Streckung und Kristallisierung, der Oberflächenmodifikationen mittels verschiedener Tenside und PEG auf die zelluläre Aufnahme und Verträglichkeit hin untersucht.rnZusammenfassend lässt sich die Aussage treffen, dass zahlreiche Materialien zur Herstellung von Trägersystemen geeignet sind und sich als biokompatibel und nicht-zytotoxisch erwiesen haben, sich jedoch stark hinsichtlich der Aufnahmeeffizienz in verschiedene Zelllinien unterscheiden. rnIm ersten Abschnitt (Kapitel 5.1) wurden in der ersten und zweiten Untersuchung auf allgemeine Parameter, die die Aufnahme von Nanopartikeln beeinflussen, eingegangen. Hier wurde der Einfluss des Alters von PLLA-Partikeln auf die zelluläre Aufnahme und Toxizität untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass mit zunehmender Materialalterung die zelluläre Aufnahme abnimmt. Eine Zytotoxizität konnte nicht gezeigt werden.rnWeiterhin wurde der Einfluss des FCS-Gehalts des Zell-Mediums auf die zelluläre Aufnahme von PMMA-Partikeln untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass mit einer steigenden FCS-Konzentration eine Abnahme der zellulären Aufnahme von PMMA-Partikeln einhergeht. Die höchste zelluläre Aufnahme konnte bei einem FCS-Gehalt des Zellmediums von 0,05% verzeichnet werden. rnIm zweiten Abschnitt (Kapitel 5.2) wurde die Stabilisierung von Nanopartikeln mittels neusynthetisierter Tenside und deren Einfluss auf die Zelle-Nanopartikel-Interaktionen untersucht. Dazu wurde zum einen die Oberflächenfunktionalisierung von Nanopartikeln mit Hilfe neu-synthetisierter „Surfmere“ und deren Einfluss auf die zelluläre Aufnahme und Toxizität untersucht. Die hergestellten Surfmere bewirken gleichzeitig eine Stabilisierung und Funktionalisierung der Nanopartikeloberfläche mit Phosphonatgruppen. Hier wurden kovalente „Surfmer“ stabilisierte Nanopartikel mit Tensid- (SDP) stabilisierten Nanopartikeln verglichen. Zudem wurden dialysierte Nanopartikel mit nicht-dialysierten verglichen. Bezüglich der zellulären Aufnahme konnte für die mittels Dialyse gereinigten Nanopartikel eine gute Aufnahme ohne Unterschiede zwischen den kovalent und nicht-kovalent Phosphonat-funktionalisierten Partikeln beobachtet werden. Die ungereinigten, SDP-stabilisierte, nicht-kovalent gebundene Nanopartikel zeigten hingegen eine bis zu 30% stärkere Aufnahme in die HeLa-Zellen und hMSCs.rnWeiterhin der Einsatz von mit HPMA-LMA-Copolymeren stabilisierte Polystyrol- und PLLA-Partikel, die den Einsatz von Tensiden während des Miniemulsionsprozesses überflüssig machen, untersucht. Auch hier konnte keine Zytotoxizität nachgewiesen werden. Die Aufnahme in HeLa-Zellen scheint mehr von der Größe der Nanopartikel als vom verwendeten Material und in hMSCs mehr von den Oberflächeneigenschaften der Nanopartikel abzuhängen.rnIm dritten Abschnitt (Kapitel 5.3) wird auf die Möglichkeit der Formmodifikation von Polystyrol-Partikeln und deren Einfluss auf die Nanopartikel-Zelle-Interaktionen eingegangen. Es geht dabei um die Aufnahme und Zytotoxizität von verstreckten (elongierten) Polystyrol-Partikeln im Vergleich zu sphärischen Nanopartikeln, sowie die Aufnahme und Zytotoxizität von kristallinen Polystyrol-Partikeln in verschiedene Zelllinien. Bei den verstreckten Partikeln nimmt die Aufnahme-Effizienz in HeLa-Zellen und hMSCs mit zunehmender Verstreckung ab. Eine Zytotoxizität konnte für keinen der erwähnten Nanopartikel nachgewiesen werden. Bei den Polystyrol-Partikeln unterschiedlicher Taktizität zeigen die kristallierten Polystyrol-Partikel eine geringfügig besser Aufnahme-Rate als die nicht-kristallierten Polystyrol-Partikel. Dabei zeigen die nach dem Herstellungsprozess mittels der Lösemittelverdampfungstechnik der wässrigen Phase entnommenen Partikel eine bessere Aufnahme als die nach der Verdampfung des Chloroforms verfügbaren Partikel. Insgesamt konnte jedoch für alle Polystyrol-Partikel trotz der unterschiedlichen Taktizitäten nach der Aufnahme in HeLa-Zellen und hMSCs mittels Durchflusszytometrie hohe Fluoreszenz-Intensitäten verzeichnet werden. Setzt man hohe Fluoreszenz-Intensitäten bei in Zellen aufgenommenen Partikeln mit guten Aufnahmeraten gleich, sind die hier dargestellten Aufnahmeraten als sehr gut zu bezeichnen. rnAuf Nanosysteme mit einer reduzierten zellulären Aufnahme wird im letzten Abschnitt (Kapitel 5.4) eingegangen. Dabei wird zum einen die unterschiedliche Oberflächenmodifikation von Polystyrol-Partikeln mit dem Co-Monomer PEG-MA und den Tensiden SDS und Lutensol AT50 untersucht. Von PEG-MA wurden zudem verschiedene Molekulargewichte (Mn=300 g•mol-1 und Mn=2080 g•mol-1) und verschiedene Konzentrationen (1,5%, 5%, 10%) eingesetzt. Ein Teil der Partikel wurde mit SDS und der andere Teil mit Lutensol AT50 hergestellt. In einem weiteren Schritt wurde das jeweilig gegenteilige Tensid (statt SDS Lutensol AT50 und umgekehrt) eingesetzt, um zu überprüfen, ob sich der zuvor beobachtete Effekt umkehren lässt. Anschließend wurde ein erst mit SDS stabilisierter Nanopartikel (BR01) mit verschiedenen Lutensol AT50-Anteilen (5%, 10%, 25%, 50%, 100%) redispergiert. Die effizienteste Aufnahme zeigte der unmodifizierte, mit SDS stabilisierte Nanopartikel BR01, die niedrigste der ebenfalls unmodifizierte, mit Lutensol AT50 stabilisierte Nanopartikel BR02. Eine steigende Konzentration des PEG-MA Mn=300 g•mol-1 hemmt die Aufnahme von mit SDS stabilisierten Partikeln konstant. Für PEG-MA Mn=2080 g•mol-1 konnte hingegen kein Einfluss nachgewiesen werden. Für die mit Lutensol AT50 stabilisierten Partikel konnte kein Einfluss von PEG-MA nachgewiesen werden. Daraus resultiert, dass der Einsatz von physikalisch adsorbiertem Lutensol AT50 die zelluläre Aufnahme effektiver hemmt als der Einsatz von kovalent gebundenem PEG-MA unterschiedlicher Kettenlänge.rnDer Einsatz von mit Biomakromolekülen hergestellten Nanokapseln, die mit zwei verschiedenen Tensiden (SDS und Lutensol AT50) stabilisiert wurden, wurde im Weiteren näher untersucht. Bei den mit SDS stabilisierten Kapseln erwiesen sich die mit ssDNA hergestellten Kapseln BN-54 und BN-55 als leicht toxisch für die HeLa-Zellen. Dagegen sind alle eingesetzten, mit Lutensol AT50 redispergierten Nanokapseln sowohl für HeLa-Zellen als auch für hMSCs zytotoxisch. Hier ist die toxische Wirkung auf das nicht-ionische Tensid Lutensol AT50 zurückzuführen. Eine zelluläre Aufnahme konnte für keine mit Biomakromolekülen hergestellten Nanokapsel nachgewiesen werden.rnDen Abschluss der Untersuchungen bildet die vergleichende Analyse der in dieser Arbeit mit dem Fluoreszenzfarbstoff PMI versehenen Partikeln hinsichtlich deren Aufnahme in HeLa-Zellen und hMSCs und deren zytotoxische Auswirkungen. In der vergleichenden Analyse werden die zuvor vorgestellten Ergebnisse für PMI-Partikeln nochmal im Kontext betrachtet. Dabei erwies sich sowohl für die HeLa-Zellen als auch für die hMSCs, dass die meisten Partikel eine geringe bis keine zelluläre Aufnahme zeigen. Eine gute Aufnahme konnte nur für wenige Nanopartikel (vor allem für die kristallinen Nanopartikel) verzeichnet werden. Eine Korrelation zwischen der Aufnahmeeffizienz und der Zytotoxizität konnte nicht nachgewiesen werden. rn

Faltung, Assemblierung und Stabilisierung des Transmembranproteins Cytochrom b 6

In dieser Arbeit wurde der Beitrag der interhelikalen Loops zur Faltung, Assemblierung und Stabilität des kofaktortragenden Transmembranproteins Cytochrom b6 in vitro untersucht. Cytochrom b6 ist aus vier Transmembranhelices aufgebaut, die über drei Loops miteinander verbunden sind. Die beiden nicht-kovalent gebundenen Kofaktoren werden spontan in der Häm-Bindespalte zwischen den zwei Cytochrom b6-Hälften gebunden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verlängerung oder Eliminierung des Loops, der die beiden Hälften verbindet, nicht die Faltung und Assemblierung des Proteins beeinflusst. Der Loop ist für eine räumliche Positionierung und Orientierung der Hälften während der Assemblierung nicht essentiell. Weiterhin scheint keiner der drei interhelikalen Loops für die Bindung der Kofaktoren notwendig zu sein. Die Cytochrom b6-Hälfte, bestehend aus den Helices A und B, besitzt eine Konformation, die stabil genug ist um Häm alleine zu binden. Ebenso zeigt Helix B alleine eine α-helikale Struktur und bindet ebenfalls Häm. In vivo wurden bislang keine Faktoren beschrieben, die an der Assemblierung beteiligt sind. Im Rahmen dieser Arbeit wurden strukturelle Merkmale des Häms identifiziert, welche die Spezifität der Häm-Bindung, wenigstens in vitro, ausmachen. Von großer Bedeutung ist dabei das zentrale Eisen-Ion, dessen Eliminierung oder Austausch die Häm-Bindung verhindert. Die Substituenten des Porphyrinrings scheinen hingegen für die Stabilität der Bindung notwendig zu sein.

Development of a high performance parallel computing platform and its use in the study of nanostructures : clusters, sheets and tubes .

Small clusters of gallium oxide, technologically important high temperature ceramic, together with interaction of nucleic acid bases with graphene and small-diameter carbon nanotube are focus of first principles calculations in this work. A high performance parallel computing platform is also developed to perform these calculations at Michigan Tech. First principles calculations are based on density functional theory employing either local density or gradient-corrected approximation together with plane wave and gaussian basis sets. The bulk Ga2O3 is known to be a very good candidate for fabricating electronic devices that operate at high temperatures. To explore the properties of Ga2O3 at nonoscale, we have performed a systematic theoretical study on the small polyatomic gallium oxide clusters. The calculated results find that all lowest energy isomers of GamOn clusters are dominated by the Ga-O bonds over the metal-metal or the oxygen-oxygen bonds. Analysis of atomic charges suggest the clusters to be highly ionic similar to the case of bulk Ga2O3. In the study of sequential oxidation of these slusters starting from Ga2O, it is found that the most stable isomers display up to four different backbones of constituent atoms. Furthermore, the predicted configuration of the ground state of Ga2O is recently confirmed by the experimental result of Neumark's group. Guided by the results of calculations the study of gallium oxide clusters, performance related challenge of computational simulations, of producing high performance computers/platforms, has been addressed. Several engineering aspects were thoroughly studied during the design, development and implementation of the high performance parallel computing platform, rama, at Michigan Tech. In an attempt to stay true to the principles of Beowulf revolutioni, the rama cluster was extensively customized to make it easy to understand, and use - for administrators as well as end-users. Following the results of benchmark calculations and to keep up with the complexity of systems under study, rama has been expanded to a total of sixty four processors. Interest in the non-covalent intereaction of DNA with carbon nanotubes has steadily increased during past several years. This hybrid system, at the junction of the biological regime and the nanomaterials world, possesses features which make it very attractive for a wide range of applicatioins. Using the in-house computational power available, we have studied details of the interaction between nucleic acid bases with graphene sheet as well as high-curvature small-diameter carbon nanotube. The calculated trend in the binding energies strongly suggests that the polarizability of the base molecules determines the interaction strength of the nucleic acid bases with graphene. When comparing the results obtained here for physisorption on the small diameter nanotube considered with those from the study on graphene, it is observed that the interaction strength of nucleic acid bases is smaller for the tube. Thus, these results show that the effect of introducing curvature is to reduce the binding energy. The binding energies for the two extreme cases of negligible curvature (i.e. flat graphene sheet) and of very high curvature (i.e. small diameter nanotube) may be considered as upper and lower bounds. This finding represents an important step towards a better understanding of experimentally observed sequence-dependent interaction of DNA with Carbon nanotubes.

Structural rearrangements of the central region of the morbillivirus attachment protein stalk domain trigger F protein refolding for membrane fusion

It is unknown how receptor binding by the paramyxovirus attachment proteins (HN, H, or G) triggers the fusion (F) protein to fuse with the plasma membrane for cell entry. H-proteins of the morbillivirus genus consist of a stalk ectodomain supporting a cuboidal head; physiological oligomers consist of non-covalent dimer-of-dimers. We report here the successful engineering of intermolecular disulfide bonds within the central region (residues 91-115) of the morbillivirus H-stalk; a sub-domain that also encompasses the putative F-contacting section (residues 111-118). Remarkably, several intersubunit crosslinks abrogated membrane fusion, but bioactivity was restored under reducing conditions. This phenotype extended equally to H proteins derived from virulent and attenuated morbillivirus strains and was independent of the nature of the contacted receptor. Our data reveal that the morbillivirus H-stalk domain is composed of four tightly-packed subunits. Upon receptor binding, these subunits structurally rearrange, possibly inducing conformational changes within the central region of the stalk, which, in turn, promote fusion. Given that the fundamental architecture appears conserved among paramyxovirus attachment protein stalk domains, we predict that these motions may act as a universal paramyxovirus F-triggering mechanism.

Two-dimensional supramolecular polymers

One of the biggest issues of modern materials science is developing of strategies to create large and ordered assemblies in the form of discrete nanoscale objects. Oligopyrenotides (OPs) represent novel class of amphiphilic molecules which tend to self-assemble forming highly ordered structures. As has been already shown OPs are able to form 1D («rod-like») supramolecular polymer [1]. Since programmed arraying of polyaromatic hydrocarbons in structurally defined objects could offer enhanced performance over the individual components, prediction and controlling of their spatial arrangement remains challenging. Herein we demonstrate that certain changes to design of pyrene’s molecular core allow Py3 form 2D supramolecular assemblies («nanosheets») instead of 1D. Two dimensional supramolecular polymers are attractive objects due to their exceptional properties which originate from in-plan alignment of molecular units in the sheets with constant thickness ~ 2 nm [2]. These assemblies have high degree of internal order: the interior consists of hydrophobic pyrenes and alkyl chains, whereas the exterior exists as a net of hydrophilic, negatively charged phosphates. The Py3 units are hold up by non-covalent interactions what makes these assemblies totally reversible. Moreover the polymerization occurs via nucleation-elongation mechanism. To study Py3 self-assembly, we carried out whole set of spectroscopic (UV/vis, fluorescence, DLS) and microscopic experiments (AFM)

Two-dimensional supramolecular polymers

One of the biggest issues of modern materials science is developing of strategies to create large and ordered assemblies in the form of discrete nanoscale objects. Oligopyrenotides (OPs) represent novel class of amphiphilic molecules which tend to self-assemble forming highly ordered structures. As has been already shown OPs are able to form 1D («rod-like») supramolecular polymer [1]. Since programmed arraying of polyaromatic hydrocarbons in structurally defined objects could offer enhanced performance over the individual components, prediction and controlling of their spatial arrangement remains challenging. Herein we demonstrate that certain changes to design of pyrene’s molecular core allow Py3 form 2D supramolecular assemblies («nanosheets») instead of 1D. Two dimensional supramolecular polymers are attractive objects due to their exceptional properties which originate from in-plan alignment of molecular units in the sheets with constant thickness ~ 2 nm [2]. These assemblies have high degree of internal order: the interior consists of hydrophobic pyrenes and alkyl chains, whereas the exterior exists as a net of hydrophilic, negatively charged phosphates. The Py3 units are hold up by non-covalent interactions what makes these assemblies totally reversible. Moreover the polymerization occurs via nucleation-elongation mechanism. To study Py3 self-assembly, we carried out whole set of spectroscopic (UV/vis, fluorescence, DLS) and microscopic experiments (AFM)

Effects of gossypol on DNA replication in mammalian cells

Gossypol, a binaphthalene compound, possesses male infertility effects. However, its mechanism of action and effects on somatic cells are not yet understood. The purpose of this study was to examine the effects of gossypol on mammalian cell growth and DNA replication, using tissue culture cells (HeLa) as an in vivo model.^ Gossypol inhibited DNA synthesis in HeLa cells at low doses, without affecting RNA or protein synthesis. This caused cells to accumulate in S phase without affecting cells in other phases of the cell cycle. The inhibition of DNA synthesis was both dose- and time-dependent. This irreversible block was associated with a decrease in HeLa plating efficiency. Gossypol did bind to DNA but did not measurably affect its ability to serve as a template for DNA polymerase $\alpha$, the major replicative enzyme. Only in the absence of serum could gossypol induce single-strand DNA breaks in HeLa cells; no DNA-DNA or DNA-protein crosslinks were formed.^ Gossypol exhibited dose-dependent inhibition of a number of eukaryotic and prokaryotic replicative DNA polymerases both in vitro and in vivo. This inhibition was kinetically non-competitive with respect to the DNA template and dNTP substrates. Both a filter binding assay and polyacrylamide gel electrophoresis were used to study gossypol binding to DNA polymerase. Inhibition resulted from drug binding to two adjacent amino acid residues on the enzyme. Binding was found to be irreversible and mediated through either non-covalent interactions or by Schiff's base formation between the aldehyde groups of gossypol and the $\varepsilon$-NH$\sb2$ groups of amino acid residues on the polymerase. Structure-function studies using eleven gossypol derivatives revealed that both aldehyde and hydroxyl groups function independently to effect inhibition of DNA polymerase and DNA replication. The activities of DNA polymerase $\beta$ and ribonucleotide reductase were also inhibited by increasing gossypol concentrations.^ These studies demonstrate that the gossypol-mediated inhibition of DNA replication is due in part to inhibition of key replicative enzymes, such as DNA polymerase $\alpha$. The study of DNA polymerase may serve as a model for the interaction of enzymes with gossypol, a drug which may prove useful as a chemotherapeutic agent. ^