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.

Charge separation and recombination in novel polymeric absorber materials for organic solar cells : a photophysical study

In dieser Dissertation wird die Ladungsträgergeneration und -rekombination in neuen polymeren Absorbermaterialien für organische Solarzellen untersucht. Das Verständnis dieser Prozesse ist wesentlich für die Entwicklung neuer photoaktiver Materialsysteme, die hohe Effizienzen erzielen und organische Solarzellen konkurrenzfähig im Bereich der erneuerbaren Energien machen. Experimentell verwendet diese Arbeit hauptsächlich die Methode der transienten Absorptionsspektroskopie, die sich für die Untersuchung photophysikalischer Prozesse auf einer Zeitskala von 100 fs bis 1 ms als sehr leistungsfähig erweist. Des Weiteren wird eine soft-modeling Methode vorgestellt, die es ermöglicht, photophysikalische Prozesse aus einer gemessenen transienten Absorptions-Datenmatrix zu bestimmen, wenn wenig a priori Kenntnisse der Reaktionskinetiken vorhanden sind. Drei unterschiedliche Donor:Akzeptor-Systeme werden untersucht; jedes dieser Systeme stellt eine andere Herangehensweise zur Optimierung der Materialien dar in Bezug auf Lichtabsorption über einen breiten Wellenlängenbereich, effiziente Ladungstrennung und schnellen Ladungstransport. Zuerst wird ein Terpolymer untersucht, das aus unterschiedlichen Einheiten für die Lichtabsorption und den Ladungstransport besteht. Es wird gezeigt, dass es möglich ist, den Fluss angeregter Zustände vom Chromophor auf die Transporteinheit zu leiten. Im zweiten Teil wird der Einfluss von Kristallinität auf die freie Ladungsträgergeneration mit einer Folge von ternären Mischungen, die unterschiedliche Anteile an amorphem und semi-kristallinem Polymer enthalten, untersucht. Dabei zeigt es sich, dass mit steigendem amorphen Polymeranteil sowohl der Anteil der geminalen Ladungsträgerrekombination erhöht als auch die nicht-geminale Rekombination schneller ist. Schlussendlich wird ein System untersucht, in dem sowohl Donor als auch Akzeptor Polymere sind, was zu verbesserten Absorptionseigenschaften führt. Die Rekombination von Ladungstransferzuständen auf der unter 100 ps Zeitskala stellt hier den hauptsächliche Verlustkanal dar, da freie Ladungsträger nur an Grenzflächen erzeugt werden können, an denen Donor und Akzeptor face-to-face zueinander orientiert sind. Darüber hinaus wird festgestellt, dass weitere 40-50% der Ladungsträger durch die Rekombination von Grenzflächenzuständen verloren gehen, die aus mobilen Ladungsträgern geminal gebildet werden.

Synthese neuer Farbstofftopologien durch Anellierungsreaktionen

Die vorliegende Dissertation behandelt die Anwendung Übergangsmetall-katalysierter Anellierungsreaktionen zur Synthese neuartiger Chromophore. Dabei konnten sowohl benzoide als auch nicht-benzoide Strukturen insbesondere durch den Einsatz ausgewählter Pd(0)-Komplexe dargestellt werden. Die Arbeit gliedert sich in fünf Teile: Zunächst werden innovative Pentanellierungsreaktionen mit Acetylenen an bromierten Polycyclischen Aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) beschrieben, wodurch bislang unbekannte Cyclopenta-PAKs zugänglich werden. Die untersuchten neuen Verbindungen umfassen dabei sowohl einfach als auch doppelt pentanellierte Pyrene, Anthracene und Perylene mit variablem Substitutionsmuster. Auf diese Weise werden bathochrome Wellenlängenverschiebungen bis zu max = 780 nm erreicht. Im zweiten Teil wurde die Pentanellierungstechnik auf Perylenmonoimid-(PMI)-Derivate angewandt. Die resultierenden Arylcyclopenta-PMIs weisen in ihren optischen Eigenschaften starke Ähnlichkeiten zu den verwandten Perylendiimiden (PDI) auf, bieten jedoch die Möglichkeit zusätzlicher Funktionalisierungen. Die Vergrößerung des aromatischen Systems des PDI durch Hexanellierung dagegen wurde im darauffolgenden Kapitel untersucht. Analog zur bekannten homologen Reihe der Rylene (Perylen, Terrylen, Quaterrylen) konnten im Rahmen dieser Arbeit die verwandten 1,12:6,7-Coronendiimid-(CDI)-Derivate um das im Kern unsubstituierte CDI selbst und das 3,4:9,10-Dinaphtho-CDI vervollständigt werden. UV/Vis-Absorptionsmessungen zeigen auch hier eine stete bathochrome Verschiebung der Absorptionswellenlängen. Das Wissen um die Coronendiimid-Synthesen sollte im vierten Teil weiterführend zur Darstellung eines Tetraketo-CDIs genutzt werden. Die finalen Oxidationsversuche zur Einführung der Keto-Gruppen waren nicht erfolgreich, bieten jedoch Einblicke in die Reaktivität unterschiedlicher CDI-Derivate. Der letzte Teil illustriert die Anwendung der bereits zuvor beschriebenen Hexanellierungsreaktion auf Tetrabrom-Terrylendiimid (TDI) zur Darstellung eines Tetranaphtho-TDI. Letzteres bildet dabei drei Isomere aus, wobei zwei optische Aktivität zeigen. UV/Vis und Circulardichroismus-Messungen zeigen hierfür auch bei erhöhten Temperaturen bemerkenswert hohe Racemisierungsbarrieren.

Novel porphyrin amino acids as building blocks for artificial photosynthetic reaction centers : photoinduced energy and electron transfer

This thesis reports on the synthesis and characterisation of trans-(M)AB2C meso-substituted porphyrin amino acid esters (PAr) (M = 2H or Zn) with tunable electron donating and electron withdrawing Ar substituents at B positions (Ar = 4-C6H4OnBu, 4-C6H4OMe, 2,4,6-C6H2Me3, 4-C6H4Me, C6H5, 4-C6H4F, 4-C6H4CF3, C6F5). These porphyrins were used as key building blocks for photosynthetic LHC (LHC = light-harvesting antenna complex) and RC (RC = reaction center) model compounds.rnBased on free-base or zinc(II) porphyrin amino acid esters and porphyrin acids several amide linked free-base bis(porphyrins) PAr1-PAr2 (Ar1 = 2,4,6-C6H2Me3, C6F5 and Ar2 = 2,4,6-C6H2Me3, 4-C6H4F, 4-C6H4CF3, C6F5), mono metallated bis(porphyrin) PAr1-(Zn)PAr2 (Ar1 = 2,4,6-C6H2Me3 and Ar2 =4-C6H4F) and its doubly zincated complexes (Zn)PAr1-(Zn)PAr2 were prepared. In the fluorescence spectra of free-base bis(porphyrins) the porphyrin with the strongest electron donating power of Ar substituents at B positions is the light emitting unity. The emission of mono metallated bis(porphyrin) occurs only from the free-base porphyrin building block. This phenomenon is caused by an efficient energy transfer likely via the Dexter through-bond mechanism.rnLinking of anthraquinone (Q) as electron acceptor (A) to the N-terminus of porphyrin amino acid esters ((M)PAr) and aminoferrocene (Fc) as electron donor (D) to the C-terminus of the porphyrin resulting in Q-(M)PAr-Fc triads (M = 2H or Zn, Ar = 4-C6H4OnBu, 4-C6H4OMe, 2,4,6-C6H2Me3, 4-C6H4Me, C6H5, 4-C6H4F, 4-C6H4CF3, C6F5) with tunable electron density at the porphyrin chromophore. In these triads initial oxidative PET (Q←(M)PAr) and reductive PET ((M)PAr→Fc) (PET = photoinduced electron transfer) are possible. Both processes leads to an emission quenching of (M)PAr. The efficiency of the PET pathways occurring in the Marcus normal region is controlled by the specific porphyrin electron density.rnAmide-linked conjugates PAr-Fc (Ar = 2,4,6-C6H2Me3, C6F5) and Fmoc-Fc-PAr1 (N-Fmoc-Fc = N-Fmoc protected 1,1’-ferrocene amino acid; Ar1 = C6H5, 4-C6H4F, 4-C6H4CF3, C6F5) as well as hinges PAr2-Fc-PAr1 (Ar1 = C6H5, 4-C6H4F and Ar2 = 2,4,6-C6H2Me3) were studied with respect to the reductive PET. The PET driving force (−GET) in dyads increases with the increasing electron withdrawing character of Ar substituents. Additionally, intramolecular energy transfer between porphyrins PAr1 and PAr2 is feasible in the hinges via the Förster mechanism.rn

Ruthenium-based light harvesting complexes

Polypyridylkomplexe von Ruthenium(II) besitzen eine Vielzahl von Anwendungen, z. B. in Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen und als Photokatalysatoren. [Ru(bpy)3]2+ ist einer der prominentesten Ruthenium(II)-Komplexe und besitzt langlebige angeregte 3MLCT-Zustände mit einer Lebensdauer von 1 µs und einer Lumineszenz-Quantenausbeute von 10%. [Ru(bpy)3]2+ ist chiral und kann Stereoisomere bilden, wenn die Liganden unsymmetrisch substituiert sind oder im Falle von oligonuklearen rac/meso-Komplexen. Bis-tridentate Komplexe wie [Ru(tpy)2]2+ sind achiral und umgehen damit unerwünschte Stereoisomere. [Ru(tpy)2]2+ besitzt jedoch enttäuschende photophysikalische Eigenschaften mit einer 3MLCT-Lebensdauer von nur etwa 0.2 ns und einer Quantenausbeute von ≤ 0.0007%. Die Anbringung von Substituenten an [Ru(tpy)2]2+ sowie die Aufweitung der Liganden-Bisswinkel auf 90° bewirken deutlich verbesserte Eigenschaften der emittierenden 3MLCT-Zustände. rnDieser Strategie folgend wurden in der vorliegenden Arbeit neue bis-tridentate Ruthenium(II)-Komplexe entwickelt, synthetisiert und charakterisiert. Durch Anbringen von Ester-Substituenten und Verwenden von Liganden mit erweiterten Bisswinkeln konnten 3MLCT-Lebensdauern von bis zu 841 ns und Quantenausbeuten von bis zu 1.1% erreicht werden. Die neuen bis-tridentaten Komplexe weisen eine deutlich erhöhte Photostabilität im Vergleich zu tris-bidentatem [Ru(bpy)3]2+ auf. rnDie Komplexe wurden als Emitter in Licht-emittierenden elektrochemischen Zellen eingebaut und zeigen Elektrolumineszenz mit einer tiefroten Farbe, die bis ins NIR reicht. Ebenso wurden die Komplexe als Lichtsammler in Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen getestet und erreichen Licht-zu-Energie-Effizienzen von bis zu 0.26%. rnDinukleare, stereochemisch einheitliche Ruthenium(II)-Komplexe wurden oxidiert um die Metall-Metall-Wechselwirkung zwischen Ru(II) und Ru(III) in der einfach oxidierten Spezies zu untersuchen. Die unterschiedlichen Redoxeigenschaften der beiden Rutheniumzentren in den verwendeten dinuklearen Verbindungen führt zu einer valenzlokalisierten Situation in der keine Metall-Metall-Wechselwirkung beobachtet wird. Ebenso wurde die Oxidation eines einkernigen Ruthenium(II)-Komplexes sowie dessen spontane Rückreduktion untersucht.rnEnergietransfersysteme wurden mittels Festphasensynthese hergestellt. Dabei ist ein Bis(terpyridin)ruthenium(II)-Komplex als Energie-Akzeptor über eine unterschiedliche Anzahl an Glycineinheiten mit einem Cumarin-Chromophor als Energie-Donor verknüpft. Bei einer kleinen Zahl an Glycineinheiten (0, 1) findet effektiver Energietransfer vom Cumarin- zum Ruthenium-Chromophor statt, wogegen bei zwei Glycineinheiten ein effektiver Energietransfer verhindert ist.rnLicht-induzierte Ladungstrennung wurde erreicht, indem Bis(terpyridin)ruthenium(II)-Komplexe als Chromophore in einem Donor-Chromophor-Akzeptor-Nanokomposit eingesetzt wurden. Dabei wurde ein Triphenylamin-enthaltendes Blockcopolymer als Elektronendonor und ZnO-Nanostäbchen als Elektronenakzeptor verwendet. Bei Bestrahlung des Chromophors werden Elektronen in die ZnO-Nanostäbchen injiziert und die Elektronenlöcher wandern in das Triphenylamin-enthaltende Blockcopolymer. rnrn

Nanoshell assisted laser soldering of vascular tissue

Laser tissue soldering (LTS) is a promising technique for tissue fusion but is limited by the lack of reproducibility particularly when the amount of indocyanine green (ICG) applied as energy absorber cannot be controlled during the soldering procedure. Nanotechnology enables the control over the quantitative binding of the ICG. The aim of this study was to establish a highly reproducible and strong tissue fusion using ICG packed nanoshells. By including the chromophore in the soldering scaffold, dilution of the energy absorber during the soldering procedure is prevented. The feasibility of this novel nanoshell soldering technique was studied by assessing the local heating of the area and tensile strength of the resulting fused tissue.

Semiempirical Study of the Bergman Reaction: Towards a Computationally Efficient and Accurate Method for Modeling Enediyne Anticancer Antibiotics

Over the past 7 years, the enediyne anticancer antibiotics have been widely studied due to their DNA cleaving ability. The focus of these antibiotics, represented by kedarcidin chromophore, neocarzinostatin chromophore, calicheamicin, esperamicin A, and dynemicin A, is on the enediyne moiety contained within each of these antibiotics. In its inactive form, the moiety is benign to its environment. Upon suitable activation, the system undergoes a Bergman cycloaromatization proceeding through a 1,4-dehydrobenzene diradical intermediate. It is this diradical intermediate that is thought to cleave double-stranded dna through hydrogen atom abstraction. Semiempirical, semiempiricalci, Hartree–Fock ab initio, and mp2 electron correlation methods have been used to investigate the inactive hex-3-ene-1,5-diyne reactant, the 1,4-dehydrobenzene diradical, and a transition state structure of the Bergman reaction. Geometries calculated with different basis sets and by semiempirical methods have been used for single-point calculations using electron correlation methods. These results are compared with the best experimental and theoretical results reported in the literature. Implications of these results for computational studies of the enediyne anticancer antibiotics are discussed.

A tetrathiafulvalene-functionalized schiff base macrocycle: synthesis, electrochemical, and photophysical properties

Highly selective formation of 2+2 macrocycle 1 from 2,5-bis(3-formyl-2-hydroxyphenyl)-1,3,4-oxadiazole and a diamine-functionalized tetrathiafulvalene derivative is reported. Its electronic properties have been studied experimentally by the combination of electrochemistry and UV-vis-NIR spectroscopy. Particularly, its largely extended pi-conjugation renders this novel macrocycle simultaneously a good multielectron donor and a strong chromophore, which is rationalized on the basis of density functional theory. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

A novel computer simulation method for simulating the multiscale transduction dynamics of signal proteins

Signal proteins are able to adapt their response to a change in the environment, governing in this way a broad variety of important cellular processes in living systems. While conventional molecular-dynamics (MD) techniques can be used to explore the early signaling pathway of these protein systems at atomistic resolution, the high computational costs limit their usefulness for the elucidation of the multiscale transduction dynamics of most signaling processes, occurring on experimental timescales. To cope with the problem, we present in this paper a novel multiscale-modeling method, based on a combination of the kinetic Monte-Carlo- and MD-technique, and demonstrate its suitability for investigating the signaling behavior of the photoswitch light-oxygen-voltage-2-Jα domain from Avena Sativa (AsLOV2-Jα) and an AsLOV2-Jα-regulated photoactivable Rac1-GTPase (PA-Rac1), recently employed to control the motility of cancer cells through light stimulus. More specifically, we show that their signaling pathways begin with a residual re-arrangement and subsequent H-bond formation of amino acids near to the flavin-mononucleotide chromophore, causing a coupling between β-strands and subsequent detachment of a peripheral α-helix from the AsLOV2-domain. In the case of the PA-Rac1 system we find that this latter process induces the release of the AsLOV2-inhibitor from the switchII-activation site of the GTPase, enabling signal activation through effector-protein binding. These applications demonstrate that our approach reliably reproduces the signaling pathways of complex signal proteins, ranging from nanoseconds up to seconds at affordable computational costs.

Isolation and functional characterization of a stable complex between photoactivated rhodopsin and the G protein, transducin

Transitory binding between photoactivated rhodopsin (Rho* or Meta II) and the G protein transducin (Gt-GDP) is the first step in the visual signaling cascade. Light causes photoisomerization of the 11-cis-retinylidene chromophore in rhodopsin (Rho) to all-trans-retinylidene, which induces conformational changes that allow Gt-GDP to dock onto the Rho* surface. GDP then dissociates from Gt, leaving a transient nucleotide-empty Rho*-Gt(e) complex before GTP becomes bound, and Gt-GTP then dissociates from Rho*. Further biochemical advances are required before structural studies of the various Rho*-Gt complexes can be initiated. Here, we describe the isolation of n-dodecyl-beta-maltoside solubilized, stable, functionally active, Rho*-Gt(e), Rho(e)*-Gt(e), and 9-cis-retinal/11-cis-retinal regenerated Rho-Gt(e) complexes by sucrose gradient centrifugation. In these complexes, Rho* spectrally remained in its Meta II state, and Gt(e) retained its ability to interact with GTPgammaS. Removal of all-trans-retinylidene from Rho*-Gt(e) had no effect on the stability of the Rho(e)*-Gt(e) complex. Moreover, opsin in the Rho(e)*-Gt(e) complex with an empty nucleotide-binding pocket in Gt and an empty retinoid-binding pocket in Rho was regenerated up to 75% without complex dissociation. These results indicate that once Rho* couples with Gt, the chromophore plays a minor role in stabilizing this complex. Moreover, in complexes regenerated with 9-cis-retinal/11-cis-retinal, Rho retains a conformation similar to Rho* that is stabilized by Gt(e) apo-protein.

Benzo1,2-b:4,5-b 'difuran-based sensitizers for dye-sensitized solar cells

Two BDF-based organic sensitizers, as first examples for their use in dye-sensitized solar cells, are prepared and characterized. They yield promising power conversion efficiencies of up to 5.5 and high open circuit voltages up to 0.82 V. This work demonstrates that the BDF chromophore acts as an effective donor in organic sensitizers.

Phototaxis signaling by the membrane complex of archaeal sensory rhodopsins and their transducers

Sensory rhodopsins I and II (SRI and SRII) are visual pigment-like phototaxis receptors in the archaeon Halobacterium salinarum. The receptor proteins each consist of a single polypeptide that folds into 7 $\alpha$-helical membrane-spanning segments forming an internal pocket where the chromophore retinal is bound. They transmit signals to their tightly bound transducer proteins, HtrI and HtrII, respectively, which in turn control a phosphotransfer pathway modulating the flagellar motors. SRI-HtrI mediates attractant responses to orange-light and repellent responses to UV light, while SRII-HtrII mediates repellent response to blue light. Experiments were designed to analyze the molecular processes in the SR-Htr complexes responsible for receptor activation, which previously had been shown by our laboratory to involve proton transfer reactions of the retinylidene Schiff base in the photoactive site, transfer of signals from receptor to transducer, and signaling specificity by the receptor-transducer complex.^ Site-directed mutagenesis and laser-flash kinetic spectroscopy revealed that His-166 in SRI (i) plays a role in the proton transfers both to and from the Schiffbase, either as a structurally critical residue or possibly as a direct participant, (ii) is involved in the modulation of SIU photoreaction kinetics by HtrI, and (iii) modulates the pKa of Asp-76, an important residue in the photoactive site, through a long-distance electrostatic interaction. Computerized cell tracking and motion analysis demonstrated that (iv) His-166 is crucial in phototaxis signaling: a spectrum of substitutions either eliminate signaling or greatly perturb the activation process that produces attractant and repellent signaling states of the receptor.^ The signaling states of SRI are communicated to HtrI, whose oligomeric structure and conformational changes were investigated by engineered sulfhydryl probes. It was found that signaling by the SRI-HtrI complex involves reversible conformational changes within a preexisting HtrI dimer, which is likely accomplished through a slight winding or unwinding of the two HtrT monomers via their loose coiled coil association. To elucidate which domains of the Htr dimers confer specificity for interaction with SRI or SRII, chimeras of HtrI and HtrII were constructed. The only determinant needed for functional and specific interaction with SRI or SRII was found to be the four transmembrane segments of the HtrI or HtrII dimers, respectively. The entire cytoplasmic parts of HtrI and HtrII, which include the functionally important signaling and adaptation domains, were interchangeable.^ These observations support a model in which SRI and SRII undergo conformational changes coupled to light-induced proton transfers in their photoactive sites, and that lateral helix-helix interactions with their cognate transducers' 4-helix bundle in the membrane relay these conformational changes into different states of the Htr proteins which regulate the down-stream phosphotransfer pathway. ^

Protein-protein interaction between phototaxis receptor sensory Rhodopsin I and its transducer HtrI

The molecular complex containing the seven transmembrane helix photoreceptor S&barbelow;ensory R&barbelow;hodopsin I&barbelow; (SRI) and transducer protein HtrI (H&barbelow;alobacterial Transducer for SRI&barbelow;) mediates color-sensitive phototaxis responses in the archaeon Halobacterium salinarum. Orange light causes an attractant response by a one-photon reaction and white light (orange + UV light) a repellent response by a two-photon reaction. Three aspects of SRI-HtrI structure/function and the signal transduction pathway were explored. First, the coupling of HtrI to the photoactive site of SRI was analyzed by mutagenesis and kinetic spectroscopy. Second, SRI-HtrI mutations and suppressors were selected and characterized to elucidate the color-sensing mechanism. Third, the signal relay through the transducer-bound histidine kinase was analyzed using an in vitro reconstitution system with known and newly identified taxis components. ^ Twenty-one mutations on HtrI were introduced by site-directed mutagenesis. Several replacements of charged residues perturbed the photochemical kinetics of SRI which led to the finding of a cluster of residues at the membrane/cytoplasm interface in HtrI electrostatically coupled to the photoactive site of SRI. We found by laser-flash kinetic spectroscopy that the transducer and these residues have specific effects on the light-induced proton transfer between the retinal chromophore and the protein. ^ One of the mutations showed an unusual mutant phenotype we called “inverted” signaling, in which the cell produces a repellent response to normally attractant light. Therefore, this mutant (E56Q of HtrI) had lost the color-discrimination by the SRI-HtrI complex. We used suppressor analysis to better understand the phenotype. Certain suppressors resulted in return of attractant responses to orange light but with inversion of the normally repellent response to white light to an attractant response. To explain this and other results, we formulated the Conformational Shuttling model in which the HtrI-SRI complex is poised in a metastable equilibrium of two conformations shifted in opposite directions by orange and white light. We tested this model by behavioral analysis (computerized cell tracking and motion study) of double mutants of inverting and suppressing mutations and the results confirmed the equilibrium-shift explanation. ^ We developed an in vitro system for measuring the effect of purified transducer on the histidine-kinase CheAH that controls the flagellar motor switch. The rate of kinase autophosphorylation was stimulated >2 fold in the reconstitution of the complete signal transduction system from purified components from H. salinarum. The in vitro assay also showed that the kinase activity was reduced in the absence and in the presence of high levels of linker protein CheWH. (Abstract shortened by UMI.) ^

Energy and charge transfer dynamics in DNA based light harvesting antennae

DNA can serve as a versatile scaffold for chromophore assemblies. For example, light-harvesting antennae have been realized by incorporating phenanthrene and pyrene building blocks into DNA strands. It was shown that by exciting at 320 nm (absorption of phenanthrene), an emission at 450 nm is observed which corresponds to a phenanthrene-pyrene exciplex. The more phenanthrenes are added into the DNA duplex, the higher is the fluorescence intensity with no significant change in quantum yield. This shows that phenanthrene acts as a donor and efficiently transfers the excitation energy to the pyrene. Up to now, the mechanism of this energy transfer and exciplex formation is not known. Therefore, we first aim at studying the photo-cycle of such DNA assemblies through transient absorption spectroscopy. Based on the results, we will explore ways to manipulate the energy transfer by application of intense THz fields. Ground as well as excited state Stark effect dynamics will be investigated.

Large π-Conjugated Chromophores Derived from Tetrathiafulvalene

A large π-conjugated chromophore composed of two dipyrido[3,2-a:2′,3′-c]phenazine units directly fused to the central tetrathiafulvalene core has been prepared as a bridging ligand and its strong binding ability to Ru2+ to form a new dinuclear complex is presented. The electronic absorption and luminescence spectra and the electrochemical behavior of the free ligand and the Ru2+ complex have been investigated in detail. The free ligand shows a very strong band in the UV region consistent with ligand-centered π–π* transitions and an intense broad band in the visible region that corresponds to an intramolecular charge-transfer (ILCT) transition. Upon coordination, a metal-to-ligand charge-transfer band appears at 22520 cm−1, and the ILCT band is bathochromically shifted by 1620 cm−1. These electrochemically amphoteric chromophores have also been characterized by spectro-electrochemical methods. The oxidized radical species of the free ligand show a strong tendency to undergo aggregation, in which long-distance attractive interactions overcome the electrostatic repulsion. Moreover, these two new chromophores reveal an ILCT fluorescence with large solvent-dependent Stokes shifts and quantum efficiencies of 0.052 for the free ligand and 0.016 for its dinuclear Ru2+ complex in CH2Cl2.