Einzelmolekül-Untersuchungen zu Faltung und Zusammenbau des Lichtsammelkomplexes LHCII

Zusammenfassungrn Der Faltungsprozess des Hauptlichtsammelkomplexes des Photosystems II aus höheren Pflanzen (light harvesting complex II, LHCII) wurde bereits mehrfach untersucht, die Experimente hierzu fanden stets im Ensemble statt. Anhand der bislang veröffentlichten Faltungskinetiken des LHCII aus höheren Pflanzen lassen sich aber keine eindeutigen Aussagen bezüglich der Diversität der Faltungswege treffen. Daher sollten im Rahmen dieser Arbeit Faltungskinetiken einzelner LHCII-Moleküle während der Komplexbildung aufgenommen werden, um weitergehende Informationen zum Faltungsmechanismus zu erhalten und zur Frage, ob hier mehrere unterschiedliche Wege eingeschlagen werden.rnHierfür war zunächst die Etablierung einer Oberflächenimmobilisierung mit Glas als Trägermaterial notwendig. Nachdem Versuche, diese Immobilisierung über einen His6-tag oder über einen heterobifunktionellen Linker zu bewerkstelligen, nicht zum Erfolg geführt haben, konnte eine Immobilisierung des Biotin-markierten Proteins an Oberflächen-gebundenes Avidin erreicht werden. Die Qualität dieser Immobilisierung wurde hierbei sowohl über Bindungsversuche mit fluoreszenzfarbstoffmarkiertem Protein als auch über eine direkte Kontrolle der Oberflächenbeschaffenheit mittels Rasterkraftmikroskopie überprüft. Die für die folgenden Versuche optimale Belegungsdichte wurde im konfokalen Fluoreszenzmikroskop ermittelt. Zudem wurde sichergestellt, dass die Proteine vereinzelt auf der Oberfläche immobilisiert vorliegen.rnAuf dieser Basis wurden LHCII-Komplexe, die zuvor in vitro rekonstituiert wurden, immobilisiert und Versuche zur kontrollierten Denaturierung unternommen, um Zerfalls-kinetiken im Verfahren der internen Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie (total internal reflection fluorescence, TIRF) aufnehmen zu können. Hierbei traten Schwierigkeiten bezüglich der Lebensdauer der Komplexe unter Laser-Belichtung auf, da sich die Löschung der Fluoreszenz durch Zerstrahlung der Pigmente einerseits oder Dissoziation der LHCII andererseits nicht unterscheiden ließen. Auch durch verschiedene Maßnahmen zur Erhöhung der Lebensdauer konnte diese nicht in dem Maße gesteigert werden, wie es experimentell notwendig gewesen wäre.rnFür das eigentliche Hauptziel dieser Arbeit – die Aufzeichnung von Einzelmolekül-Faltungskinetiken – war die Entwicklung einer Methode zur Rekonstitution oberflächen-immobilisierter LHCII-Apoproteine notwendig. Dieses Ziel wurde mithilfe einer Detergenzmisch-Rekonstitution erreicht. Der Erfolg der Rekonstitution konnte experimentell sowohl im Fluorimeter anhand des komplexinternen Energietransfers auf einen kovalent an das Protein gebundenen Infrarot-Fluorophor als auch im TIRF-Verfahren direkt beobachtet werden. Auch hier konnte nach ca. 80 Sekunden ein Ausbleichen der Komplexe während der Belichtung durch den Anregungs-Laser beobachtet werden.rnIn Versuchen zur Beobachtung des Komplexbildungsvorganges zeigte sich, dass die Rekonstitution offenbar durch die Belichtung massiv gestört wird. Ein weiteres Problem war eine sehr starke Hintergrundfluoreszenz, ausgelöst durch die zur Rekonstitution notwendige Pigmentlösung, die trotz der TIRF-Anregung von ausschließlich oberflächengebundenem Material die Fluoreszenz der Komplexe überlagerte. Somit konnte die Rekonstitution oberflächenimmobilisierter LHCII-Proteine zwar in Vorher-Nachher-Aufnahmen gezeigt werden, der Faltungsprozess an sich konnte dagegen im Rahmen dieser Arbeit nicht aufgezeichnet werden.

Characterization of optical transduction-based molecular systems and nanoparticles for the development of chemical sensors

With the increasing importance that nanotechnologies have in everyday life, it is not difficult to realize that also a single molecule, if properly designed, can be a device able to perform useful functions: such a chemical species is called chemosensor, that is a molecule of abiotic origin that signals the presence of matter or energy. Signal transduction is the mechanism by which an interaction of a sensor with an analyte yields a measurable form of energy. When dealing with the design of a chemosensor, we need to take into account a “communication requirement” between its three component: the receptor unit, responsible for the selective analyte binding, the spacer, which controls the geometry of the system and modulates the electronic interaction between the receptor and the signalling unit, whose physico-chemical properties change upon complexation. A luminescent chemosensor communicates a variation of the physico-chemical properties of the receptor unit with a luminescence output signal. This thesis work consists in the characterization of new molecular and nanoparticle-based system which can be used as sensitive materials for the construction of new optical transduction devices able to provide information about the concentration of analytes in solution. In particular two direction were taken. The first is to continue in the development of new chemosensors, that is the first step for the construction of reliable and efficient devices, and in particular the work will be focused on chemosensors for metal ions for biomedical and environmental applications. The second is to study more efficient and complex organized systems, such as derivatized silica nanoparticles. These system can potentially have higher sensitivity than molecular systems, and present many advantages, like the possibility to be ratiometric, higher Stokes shifts and lower signal-to-noise ratio.

Elemetary processes of radiation damage in organic molecules of biological interest

It was observed in the ‘80s that the radiation damage on biological systems strongly depends on processes occurring at the microscopic level, involving the elementary constituents of biological cells. Since then, lot of attention has been paid to study elementary processes of photo- and ion-chemistry of isolated organic molecule of biological interest. This work fits in this framework and aims to study the radiation damage mechanisms induced by different types of radiations on simple halogenated biomolecules used as radiosensitizers in radiotherapy. The research is focused on the photofragmentation of halogenated pyrimidine molecules (5Br-pyrimidine, 2Br-pyrimidine and 2Cl-pyrimidine) in the VUV range and on the 12C4+ ion-impact fragmentation of the 5Br-uracil and its homogeneous and hydrated clusters. Although halogen substituted pyrimidines have similar structure to the pyrimidine molecule, their photodissociation dynamics is quite different. These targets have been chosen with the purpose of investigating the effect of the specific halogen atom and site of halogenation on the fragmentation dynamics. Theoretical and experimental studies have highlighted that the site of halogenation and the type of halogen atom, lead either to the preferential breaking of the pyrimidinic ring or to the release of halogen/hydrogen radicals. The two processes can subsequently trigger different mechanisms of biological damage. To understand the effect of the environment on the fragmentation dynamic of the single molecule, the ion-induced fragmentation of homogenous and hydrated clusters of 5Br-uracil have been studied and compared to similar studies on the isolated molecule. The results show that the “protective effect” of the environment on the single molecule hold in the homogeneous clusters, but not in the hydrated clusters, where several hydrated fragments have been observed. This indicates that the presence of water molecules can inhibit some fragmentation channels and promote the keto-enol tautomerization, which is very important in the mutagenesis of the DNA.

Einzelmolekülspektroskopie an einer homologen Reihe von Rylendiimiden und an einem bichromophoren Modellsystem für elektronischen Energietransfer

In dieser Arbeit wurden Untersuchungen zur Fluoreszenzdynamik und zum Mechanismus des Photobleichens einzelner Farbstoffmoleküle einer homologen Reihe von Rylentetracarbonsäurediimiden durchgeführt. Mit der Erweiterung des elektronischen π-Systems verringert sich die HOMO/LUMO-Energiedifferenz, so dass strahlungslose Relaxationsprozesse gemäß des Energielückengesetzes zunehmen. Die konfokale Einzelmolekülspektroskopie in Kombination mit zeitkorrelierter Einzelphotonenzählung ermöglicht es, Fluktuationen der inneren Konversionsrate zu detektieren. Der limitierende Faktor jedes Einzelmolekülexperiments ist die Photostabilität der Moleküle. Für die homologe Reihe konnten mindestens zwei Photobleichmechanismen identifiziert werden. Wenn Singulett-Sauerstoff durch Selbstsensibilisierung erzeugt werden kann, ist unter Luft die Photooxidation der wahrscheinlichste Mechanismus. Unter Ausschluss von Luftsauerstoff spielt die Bildung langlebiger Dunkelzustände eine entscheidende Rolle, die bevorzugt über höher angeregte Triplett- und Singulett-Zustände abläuft. Es wird angenommen, dass es sich hierbei um einen reversiblen Ionisierungsprozess handelt, bei dem das Radikal-Kation der Rylendiimide gebildet wird. Es konnte gezeigt werden, dass durch eine geeignete Wahl der Anregungsbedingungen die Dunkelzustandspopulierung verhindert und zugleich die Photostabilität der Fluorophore deutlich erhöht wird. Durch die Verknüpfung der beiden niedrigsten Homologen erhält man ein Donor-Akzeptor-Modellsystem, bei dem die Anregungsenergie mit hoher Effizienz vom Donor- auf den Akzeptor-Chromophor übertragen wird. In der Fluoreszenz einzelner Bichromophore wurden bei selektiver Anregung des Donors kollektive Auszeiten beobachtet, die durch effiziente Singulett-Triplett-Annihilation verursacht werden.

Untersuchungen zur Photophysik einzelner konjugierter Polymerketten bei tiefen Temperaturen

Die spektroskopische Untersuchung einzelner konjugierter Polymermoleküle, welche multichromophore Systeme darstellen, bei 1,2K eröffnete den Zugang zu den unterschiedlichen Chromophoren. In Fluoreszenzemissions- wie -anregungsspektren des Poly(2-methoxy-5-(2’-ethylhexyloxy)-rnp-phenylenvinylen) (MEH-PPV) konnten Nullphononenlinien (rein elektronische (0-0)-Übergänge) emittierender Chromophore beobachtet werden, deren Breiten durch das experimentelle Auflösungsvermögen limitiert waren. Dadurch konnte eine obere Grenze für die homogene Linienbreite festgelegt werden. Infolge starker linearer Elektron-Phonon-Kopplung und spektraler Diffusion war die Beobachtung von Nullphononenlinien jedoch auf eine Minderheit der Chromophorernbeschränkt. In geeigneten Probesystemen konnten in Anregungsspektren auch Nullphononenlinien solcher Chromophore identifiziert werden, die als Donoren im intramolekularen Energietransfer fungieren. Aufgrund der dadurch verkürzten Fluoreszenzlebensdauer und der damit verbundenen Linienverbreiterung erlaubte ihre Untersuchung die Ermittlung von Energietransferraten. Eine bei Proben höherer Molmasse auftretenden niederenergetische Subpopulation an Emittern wurde auf Grundlage ihres Fluoreszenzemissions-, -anregungs- und -abklingverhaltens und unter Berücksichtigung theoretischer Arbeiten auf längere chromophore Einheiten zurückgeführt, die sich infolge von Packungseffekten in geordneten Regionen der Polymerkette ausbilden. Die schwächere lineare Elektron-Phonon-Kopplung des leiterartig verknüpften Polypentaphenylen (LPPentP) äußerte sich in einer erhöhten Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Nullphononenlinien. Die genaue Bestimmung von Energietransferraten litt allerdings unter einem weiteren signifikanten Beitrag zur Linienbreite neben der Lebensdauer des angeregten Zustandes (möglicherweisernspektrale Diffusion oder schnelle Dephasierungsprozesse).

Aggregation of hybrid molecules and film formation of colloidal monolayers

A unique characteristic of soft matter is its ability to self-assemble into larger structures. Characterizing these structures is crucial for their applications. In the first part of this work, I investigated DNA-organic hybrid material by means of Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) and Fluorescence Cross-Correlation Spectroscopy (FCCS). DNA-organic hybrid materials, a novel class of hybrid materials composed of synthetic macromolecules and oligodeoxynucleotide segmenta, are mostly amphiphilic and can self-assemble into supramolecular structures in aqueous solution. A hybrid material of a fluorophore, perylenediimide (PDI), and a DNA segment (DNA-PDI) has been developed in Prof. A. Hermann’s group (University of Groningen). This novel material has the ability to form aggregates through pi-pi stacking between planar PDIs and can be traced in solution due to the fluorescence of PDI. I have determined the diffusion coefficient of DNA-PDI conjugates in aqueous solution by means of FCS. In addition, I investigated whether such DNA-PDIs form aggregates with certain structure, for instance dimers. rnOnce the DNA hybrid material self-assemble into supermolecular structures for instance into micelles, the single molecules do not necessarily stay in one specific micelle. Actually, a single molecule may enter and leave micelles constantly. The average residence time of a single molecule in a certain micelle depends on the nature of the molecule. I have chosen DNA-b-polypropylene oxide (PPO) as model molecules and investigated the residence time of DNA-b-PPO molecules in their according micelles by means of FCCS.rnBesides the DNA hybrid materials, polymeric colloids can also form ordered structures once they are brought to an air/water interface. Here, hexagonally densely packed monolayers can be generated. These monolayers can be deposited onto different surfaces as coating layers. In the second part of this work, I investigated the mechanical properties of such colloidal monolayers using micromechanical cantilevers. When a coating layer is deposited on a cantilever, it can modify the elasticity of the cantilever. This variation can be reflected either by a deflection or by a resonance frequency shift of the cantilever. In turn, detecting these changes provides information about the mechanical properties of the coating layer. rnIn the second part of this work, polymeric colloidal monolayers were coated on a cantilever and homogenous polymer films of a few hundred nanometers in thickness were generated from these colloidal monolayers by thermal annealing or organic vapor annealing. Both the film formation process and the mechanical properties of these resulting homogenous films were investigated by means of cantilever. rnElastic property changes of the coating film, for example upon absorption of organic vapors, induce a deflection of the cantilever. This effect enables a cantilever to detect target molecules, when the cantilever is coated with an active layer with specific affinity to target molecules. In the last part of this thesis, I investigated the applicability of suitably functionalized micromechanical cantilevers as sensors. In particular, glucose sensitive polymer brushes were grafted on a cantilever and the deflection of this cantilever was measured during exposure to glucose solution. rn

Near-field mediated enhancement effects on plasmonic nanostructures

In dieser Arbeit wird eine detaillierte Untersuchung und Charakterisierung der Zwei-Photonen-induzierten Fluoreszenzverstärkung von organischen Farbstoffen auf plasmonischen Nanostrukturen vorgestellt. Diese Fluoreszenzverstärkung ist insbesondere für hochaufgelöste Fluoreszenzmikroskopie und Einzelmolekülspektroskopie von großer Bedeutung. Durch die Zwei-Photonen-Anregung resultiert eine Begrenzung des Absorptionsprozesses auf das fokale Volumen. In Kombination mit dem elektrischen Nahfeld der Nanostrukturen als Anregungsquelle entsteht eine noch stärkere Verringerung des Anregungsvolumens auf eine Größe unterhalb der Beugungsgrenze. Dies erlaubt die selektive Messung ausgewählter Farbstoffe. Durch die Herstellung der Nanopartikel mittels Kolloidlithografie wird eine definierte, reproduzierbare Geometrie erhalten. Polymermultischichten dienen als Abstandshalter, um die Farbstoffe an einer exakten Distanz zum Metall zu positionieren. Durch die kovalente Anbindung des Farbstoffs an die oberste Schicht wird eine gleichmäßige Verteilung des Farbstoffs in geringer Konzentration erhalten. rnEs wird eine Verstärkung der Fluoreszenz um den Faktor 30 für Farbstoffe auf Goldellipsen detektiert, verglichen mit Farbstoffen außerhalb des Nahfelds. Sichelförmige Nanostrukturen erzeugen eine Verstärkung von 120. Dies belegt, dass das Ausmaß der Fluoreszenzverstärkung entscheidend von der Stärke des elektrischen Nahfelds der Nanostruktur abhängt. Auch das Material der Nanostruktur ist hierbei von Bedeutung. So erzeugen Silberellipsen eine 1,5-fach höhere Fluoreszenzverstärkung als identische Goldellipsen. Distanzabhängige Fluoreszenzmessungen zeigen, dass die Zwei-Photonen-angeregte Fluoreszenzverstärkung an strukturspezifischen Abständen zum Metall maximiert wird. Elliptische Strukturen zeigen ein Maximum bei einem Abstand von 8 nm zum Metall, wohingegen bei sichelförmigen Nanostrukturen die höchste Fluoreszenzintensität bei 12 nm gemessen wird. Bei kleineren Abständen unterliegt der Farbstoff einem starken Löschprozess, sogenanntes Quenching. Dieses konkurriert mit dem Verstärkungsprozess, wodurch es zu einer geringen Nettoverstärkung kommt. Hat die untersuchte Struktur Dimensionen größer als das Auflösungsvermögen des Mikroskops, ist eine direkte Visualisierung des elektrischen Nahfelds der Nanostruktur möglich. rnrnEin weiterer Fokus dieser Arbeit lag auf der Herstellung neuartiger Nanostrukturen durch kolloidlithografische Methoden. Gestapelte Dimere sichelförmiger Nanostrukturen mit exakter vertikaler Ausrichtung und einem Separationsabstand von etwa 10 nm wurden hergestellt. Die räumliche Nähe der beiden Strukturen führt zu einem Kopplungsprozess, der neue optische Resonanzen hervorruft. Diese können als Superpositionen der Plasmonenmoden der einzelnen Sicheln beschrieben werden. Ein Hybridisierungsmodell wird angewandt, um die spektralen Unterschiede zu erklären. Computersimulationen belegen die zugrunde liegende Theorie und erweitern das Modell um experimentell nicht aufgelöste Resonanzen. rnWeiterhin wird ein neuer Herstellungsprozess für sichelförmige Nanostrukturen vorgestellt, der eine präzise Formanpassung ermöglicht. Hierdurch kann die Lage der Plasmonenresonanz exakt justiert werden. Korrelationen der geometrischen Daten mit den Resonanzwellenlängen tragen zum grundlegenden Verständnis der Plasmonenresonanzen bei. Die vorgestellten Resultate wurden mittels Computersimulationen verifiziert. Der Fabrikationsprozess erlaubt die Herstellung von Dimeren sichelförmiger Nanostrukturen in einer Ebene. Durch die räumliche Nähe überlappen die elektrischen Nahfelder, wodurch es zu kopplungs-induzierten Shifts der Plasmonenresonanzen kommt. Der Unterschied zu theoretisch berechneten ungekoppelten Nanosicheln kann auch bei den gegenüberliegenden sichelförmigen Nanostrukturen mit Hilfe des Plasmonenhybridisierungsmodells erklärt werden.

Structural and kinetic characterization of DNA polymerases I and III from Escherichia coli

DNA elongation is performed by Pol III α subunit in E. coli, stimulated by the association with ε and θ subunits. These three subunits define the DNA Pol III catalytic core. There is controversy about the DNA Pol III assembly for the simultaneous control of lagging and leading strands replication, since some Authors propose a dimeric model with two cores, whereas others have assembled in vitro a trimeric DNA Pol III with a third catalytic core, which increases the efficiency of DNA replication. Moreover, the function of the PHP domain, located at the N-terminus of α subunit, is still unknown. Previous studies hypothesized a possible pyrophosphatase activity, not confirmed yet. The present Thesis highlights by the first time the production in vivo of a trimeric E. coli DNA Pol III by co-expressing α, τ, ε and θ subunits. This trimeric complex has been enzymatically characterized and a molecular model has been proposed, with 2 α subunits sustaining the lagging-strand replication whereas the third core replicates the leading strand. In addition, the pyrophosphatase activity of the PHP domain has been confirmed. This activity involves, at least, the H12 and the D19 residues, whereas the D201 regulates phosphate release. On the other hand, an artificial polymerase (HoLaMa), designed by deleting the exonuclease domain of Klenow Fragment, has been expressed, purified and characterized for a better understanding of bacterial polymerases mechanism. The absence of exonuclease domain impaired enzyme processivity, since this domain is involved in DNA binding. Finally, Klenow enzyme, HoLaMa, α subunit and DNA Pol III αεθ have been characterized at the single-molecule level by FRET analysis, combining ALEX and TIRF microscopy. Fluorescently-labeled DNA molecules were immobilized, and changes in FRET efficiency enabled us to study polymerase binding and DNA polymerization.

Design and Synthesis of Naphthalene Diimides Based Small Molecules as Anticancer Agents: Targeting the Polyamine Transporter, G-quadruplex Structures and HDAC

Cancer is a multifactorial disease characterized by a very complex etiology. Basing on its complex nature, a promising therapeutic strategy could be based by the “Multi-Target-Directed Ligand” (MTDL) approach, based on the assumption that a single molecule could hit several targets responsible for the pathology. Several agents acting on DNA are clinically used, but the severe deriving side effects limit their therapeutic application. G-quadruplex structures are DNA secondary structures located in key zones of human genome; targeting quadruplex structures could allow obtaining an anticancer therapy more free from side effects. In the last years it has been proved that epigenetic modulation can control the expression of human genes, playing a crucial role in carcinogenesis and, in particular, an abnormal expression of histone deacetylase enzymes are related to tumor onset and progression. This thesis deals with the design and synthesis of new naphthalene diimide (NDI) derivatives endowed with anticancer activity, interacting with DNA together with other targets implicated in cancer development, such as HDACs. NDI-polyamine and NDI-polyamine-hydroxamic acid conjugates have been designed with the aim to provide potential MTDLs, in order to create molecules able simultaneously to interact with different targets involved in this pathology, specifically the G-quadruplex structures and HDAC, and to exploit the polyamine transport system to get selectively into cancer cells. Macrocyclic NDIs have been designed with the aim to improve the quadruplex targeting profile of the disubstituted NDIs. These compounds proved the ability to induce a high and selective stabilization of the quadruplex structures, together with cytotoxic activities in the micromolar range. Finally, trisubstituted NDIs have been developed as G-quadruplex-binders, potentially effective against pancreatic adenocarcinoma. In conclusion, all these studies may represent a promising starting point for the development of new interesting molecules useful for the treatment of cancer, underlining the versatility of the NDI scaffold.

Complex tracer mobilities in polymer networks revealed by fluorescence correlation spectroscopy

Gels are elastic porous polymer networks that are accompanied by pronounced mechanical properties. Due to their biocompatibility, ‘responsive hydrogels’ (HG) have many biomedical applications ranging from biosensors and drug delivery to tissue engineering. They respond to external stimuli such as temperature and salt by changing their dimensions. Of paramount importance is the ability to engineer penetrability and diffusion of interacting molecules in the crowded HG environment, as this would enable one to optimize a specific functionality. Even though the conditions under which biomedical devices operate are rather complex, a bottom-up approach could reduce the complexity of mutually coupled parameters influencing tracer mobility. The present thesis focuses on the interaction-induced tracer diffusion in polymer solutions and their homologous gels, probed by means of Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS). This is a single-molecule-sensitive technique having the advantage of optimal performance under ultralow tracer concentrations, typically employed in biosensors. Two different types of hydrogels have been investigated, a conventional one with broad polydispersity in the distance between crosslink points and a so-called ‘ideal’, with uniform mesh size distribution. The former is based on a thermoresponsive polymer, exhibiting phase separation in water at temperatures close to the human body temperature. The latter represents an optimal platform to study tracer diffusion. Mobilities of different tracers have been investigated in each network, varying in size, geometry and in terms of tracer-polymer attractive strength, as perturbed by different stimuli. The thesis constitutes a systematic effort towards elucidating the role of the strength and nature of different tracer-polymer interactions, on tracer mobilities; it outlines that interactions can still be very important even in the simplified case of dilute polymer solutions; it also demonstrates that the presence of permanent crosslinks exerts distinct tracer slowdown, depending on the tracer type and the nature of the tracer-polymer interactions, expressed differently by each tracer with regard to the selected stimulus. In aqueous polymer solutions, the tracer slowdown is found to be system-dependent and no universal trend seems to hold, in contrast to predictions from scaling theory for non-interacting nanoparticle mobility and empirical relations concerning the mesh size in polymer solutions. Complex tracer dynamics in polymer networks may be distinctly expressed by FCS, depending on the specific synergy among-at least some of - the following parameters: nature of interactions, external stimuli employed, tracer size and type, crosslink density and swelling ratio.

Quantenchemische Behandlung von elektronischem Energietransfer

Im Rahmen dieser Dissertation wurden quantenchemische Untersuchungen zum Phänomen des elektronischen Energietransfers durchgeführt. Zum einen wurden theoretische Modelle zur Berücksichtigung temperaturabhängiger Elektron-Phonon-Kopplung in vibronischen Spektren ausgearbeitet und numerischen Tests unterzogen. Zum anderen erfolgte die Bestimmung molekularer Eigenschaften bichromophorer Systeme unter Anwendung etablierter Rechenmethoden. Im Fokus stehen das Zusammenspiel elektronischer Kopplung und statischer Unordnung sowie Energietransferzeiten und der Einfluss molekularer Brücken in Dimeren auf die Kopplung. Da sich elektronischer Energietransfer spektroskopisch nachweisen lässt, wurden temperaturabhängige Simulationen der Linienform von vibronischen Übergängen, die an ein Wärmebad ankoppeln, durchgeführt. Die erforderliche Antwortfunktion zur Bestimmung der spektralen Linienform kann aus einer Kumulantenentwicklung und alternativ aus der Multi-Level Redfieldtheorie abgeleitet werden. Statt der genäherten Schwingungsstruktur des Brownschen Oszillatormodells wurde eine explizit berechnete Zustandsdichte als Ausgangspunkt verwendet. Sowohl reine Elektron-Phonon- als auch Schwingung-Phonon-Kopplung werden für verschiedene Spektraldichten der Badmoden diskutiert. Im Zuge eines Kooperationsprojekts führten wir Untersuchungen zur elektronischen Kopplung an einer homologen Reihe von Rylendimeren mit unterschiedlichen Brückenlängen durch. Zu diesem Zweck wurden Ergebnisse aus Tieftemperatureinzelmolekülmessungen und quantenchemischen Berechnungen auf Grundlage des vibronischen Kopplungsmodells herangezogen und ausgewertet. Die untersuchten Dimere zeigen einen Übergang vom Grenzfall starker Kopplung hin zu schwacher Kopplung und die mittleren Energietransferzeiten konnten in guter Übereinstimmung mit experimentellen Messwerten berechnet werden. Da eine molekulare Brücke zwischen Donor- und Akzeptoreinheit die elektronische Kopplung modifiziert, kann sie sich störend auf experimentelle Messungen auswirken. Daher wurde untersucht, ob das interchromophore Kopplungsverhalten vorwiegend durch die Polarisierbarkeit des verbrückenden Elements oder durch bindungsvermittelte Wechselwirkungen beeinflusst wird und welche Brückentypen sich folglich für experimentelle Studien eignen. Sämtliche untersuchten Brückenelemente führten zu einer Vergrößerung der elektronischen Kopplung und die Kopplungsstärke wurde maßgeblich durch brückenvermittelte Wechselwirkungen bestimmt.

Einzelmolekülspektroskopische Untersuchung von Rylenfarbstoffen zur elektronischen Wechselwirkung in multichromophoren Systemen und zur thermischen Besetzung molekularer Schwingungszustände

Im ersten Teil der Arbeit wurde die Abstandsabhängigkeit des elektronischen Kopplungsverhaltens für eine homologe Reihe von Perylendiimid-Dimeren (PDI-(Ph)x-PDI, x=0-3) mithilfe der Einzelmolekülspektroskopie bei tiefen Temperaturen untersucht. Während für große Abstände überwiegend „schwache“ Kopplung dominierte, wurde für den kleinsten Abstand „starke“ Kopplung gefunden. Im Gegensatz dazu zeigte das p-Phenylen-verbrückte Dimer (x=1) in Abhängigkeit vom untersuchten Molekül ein für beide Grenzfälle typisches Verhalten. Hier entscheidet die Größe der Kopplungsstärke im Vergleich zum statischen Energieunterschied, welcher Kopplungsmechanismus vorliegt. Die homologe Reihe ermöglichte zusätzlich die quantitative Untersuchung der Abstandsabhängigkeit der elektronischen Kopplungsstärke im Grenzfall „schwacher“ Kopplung. Sie konnte direkt aus der zugrunde liegenden Energietransferdynamik ermittelt werden. Der Vergleich mit quantenchemisch berechneten Werten lieferte eine gute Übereinstimmung. Die Abweichung betrug lediglich 20%.rnIm zweiten Teil der Arbeit wurde die thermische Besetzung der Schwingungszustände einzelner Terrylen-Moleküle untersucht. Im elektronischen Grundzustand konnte sie mithilfe von anti-Stokes-Fluoreszenz infolge von „Hot Band“ Absorption nachgewiesen werden. Darüber hinaus wurde Fluoreszenz aus höheren Schwingungszuständen des elektronisch angeregten Zustandes gefunden, die auf „Hot Band“ Emission infolge von thermischer Besetzung zurückgeführt werden konnte. Durch die Kombination von Emissions- und Anregungsspektroskopie konnte die Temperaturabhängigkeit beider Prozesse im Temperaturbereich von 209-311 K untersucht werden. Sie folgt der Boltzmann-Statistik, was eine Temperaturmessung mit einzelnen Molekülen ermöglicht. rn

La spettroscopia di forza basata sull'AFM nello studio dello spazio conformazionale e dei processi aggregativi di proteine prioniche

Le malattie neurodegenerative sono caratterizzate da aggregazione proteica, dipendente dalla perdita della usuale struttura fisiologica funzionale delle proteine coinvolte, a favore di conformazioni tossiche (patologiche). Il modello corrente descrive questi cambiamenti conformazionali come eventi rari e ritiene che non esista una sola conformazione patogena, ma che tali possibili conformazioni siano piuttosto eterogenee. La caratterizzazione di queste strutture è, di conseguenza, difficile con le tradizionali tecniche in bulk che permettono di studiare solo la conformazione media e non rendono possibile il riconoscimento delle caratteristiche dei conformeri individuali. Lo sviluppo delle tecniche di singola molecola ha permesso di studiare in modo approfondito le conformazioni possibili. In questo lavoro la spettroscopia di forza di singola molecola basata sull'AFM viene applicata a PrP (proteina responsabile delle encefalopatie spongiformi trasmissibili). Si studiano gli equilibri conformazionali del monomero e quelli di costrutti oligomerici, allo scopo di caratterizzare gli step iniziali dei processi aggregativi. Nel corso di questo lavoro di tesi è stato, in particolare, sviluppato un sistema di analisi dati, al fine di studiare in modo quantitativo le distribuzioni di eventi ottenute. Grazie a tale strumento è stato possibile riconoscere i segnali di unfolding della conformazione nativa del monomero e notare come essa sia presente anche in costrutti oligomerici, ad indicare come questo ripiegamento sia stabile anche in presenza di più monomeri ravvicinati. Si è osservato l'effetto del pH sulla stabilità di tale struttura, notando come pH acidi destabilizzino il ripiegamento nativo. Inoltre si è studiato il ruolo dell'orientazione dei monomeri nella formazione di strutture dimeriche. Monomeri e oligomeri di PrP sono stati descritti come proteine parzialmente strutturate il cui panorama energetico contiene molti minimi locali, dando origine a parecchie conformazioni transienti.

Atomic force microscopy for the study of membrane proteins

Fundamental biological processes such as cell-cell communication, signal transduction, molecular transport and energy conversion are performed by membrane proteins. These important proteins are studied best in their native environment, the lipid bilayer. The atomic force microscope (AFM) is the instrument of choice to determine the native surface structure, supramolecular organization, conformational changes and dynamics of membrane-embedded proteins under near-physiological conditions. In addition, membrane proteins are imaged at subnanometer resolution and at the single molecule level with the AFM. This review highlights the major advances and results achieved on reconstituted membrane proteins and native membranes as well as the recent developments of the AFM for imaging.

Charge and spin transport in nanoscale junction from first principles

Recently nanoscale junctions consisting of 0-D nanostructures (single molecule) or 1-D nanostructures (semiconducting nanowire) sandwiched between two metal electrodes are successfully fabricated and characterized. What lacks in the recent developments is the understanding of the mechanism behind the observed phenomena at the level of atoms and electrons. For example, the origin of observed switching effect in a semiconducting nanowire due to the influence of an external gate bias is not yet understood at the electronic structure level. On the same context, different experimental groups have reported different signs in tunneling magneto-resistance for the same organic spin valve structure, which has baffled researchers working in this field. In this thesis, we present the answers to some of these subtle questions by investigating the charge and spin transport in different nanoscale junctions. A parameter-free, single particle Green’s function approach in conjunction with a posteriori density functional theory (DFT) involving a hybrid orbital dependent functional is used to calculate the tunneling current in the coherent transport limit. The effect of spin polarization is explicitly incorporated to investigate spin transport in a nanoscale junction. Through the electron transport studies in PbS nanowire junction, a new orbital controlled mechanism behind the switching of the current is proposed. It can explain the switching behavior, not only in PbS nanowire, but in other lead-chalcogenide nanowires as well. Beside this, the electronic structure properties of this nanowire are studied using periodic DFT. The quantum confinement effect was investigated by calculating the bandgap of PbS nanowires with different diameters. Subsequently, we explain an observed semiconducting to metallic phase transition of this nanowire by calculating the bandgap of the nanowire under uniform radial strain. The compressive radial strain on the nanowire was found to be responsible for the metallic to semiconducting phase transition. Apart from studying one dimensional nanostructure, we also present transport properties in zero dimensional single molecular junctions. We proposed a new codoping approach in a single molecular carborane junction, where a cation and an anion are simultaneously doped to find the role of a single atom in the device. The main purpose was to build a molecular junction where a single atom can dictate the flow of electrons in a circuit. Recent observations of both positive and negative sign in tunneling magnetoresistance (TMR) the using same organic spin-valve structure hasmystified researchers. From our spin dependent transport studies in a prototypical organic molecular tunneling device, we found that a 3% change in metal-molecule interfacial distance can alter the sign of TMR. Changing the interfacial distance by 3%, the number of participating eigenstates as well as their orbital characteristic changes for anti-parallel configuration of the magnetization at the two electrodes, leading to the sign reversal of the TMR. Apart from this, the magnetic proximity effect under applied bias is investigated quantitatively, which can be used to understand the observed unexpectedmagnetismin carbon basedmaterials when they are in close proximity with magnetic substrates.