Coating of surfaces of composite materials with enzymatically formed biosilica

Die Bildung kieselsäurehaltiger Spicula in marinen Schwämmen ist nur möglich durch die enzymatische Aktivität des Silicatein- in Verbindung mit der stöchiometrischen Selbstassemblierung des Enzyms mit anderen Schwammproteinen. Die vorliegende Arbeit basiert auf einem biomimetischen Ansatz mit dem Ziel, unterschiedliche Oberflächen für biotechnologische und biomedizinische Anwendungen mit Biosilica und Biotitania zu beschichten und zu funktionalisieren. Für biotechnologische Anwendungen ist dabei das Drucken von Cystein-getaggtem Silicatein auf Gold-Oberflächen von Bedeutung, denn es ermöglichte die Bildung definierter Biotitania-Strukturen (Anatas), welche als Photokatalysator den Abbau eines organischen Farbstoffs bewirkten. Des Weiteren zeigte sich die bio-inspirierte Modifikation von Tyrosin-Resten an rekombinantem Silicatein-(via Tyrosinase) als vielversprechendes Werkzeug zur Beschleunigung der Selbstassemblierung des Enzyms zu mesoskaligen Filamenten. Durch eine solche Modifikation konnte Silicatein auch auf der Oberfläche von anorganischen Partikeln immobilisiert werden, welches die Assemblierung von anorganisch-organischen Verbundwerkstoffen in wäßriger Umgebung förderte. Die resultierenden supramolekularen Strukturen könnten dabei in bio-inspirierten und biotechnologischen Anwendungen genutzt werden. Weiterhin wurde in der vorliegenden Arbeit die Sekundärstruktur von rekombinantem Silicatein- (Monomer und Oligomer) durch Raman Spektroskopie analysiert, nachdem das Protein gemäß einer neu etablierten Methode rückgefaltet worden war. Diese Spektraldaten zeigten insbesondere Änderungen der Proteinkonformation durch Solubilisierung und Oligomerisierung des Enzyms. Außerdem wurden die osteoinduzierenden und osteogenen Eigenschaften unterschiedlicher organischer Polymere, die herkömmlich als Knochenersatzmaterial genutzt werden, durch Oberflächenmodifikation mit Silicatein/Biosilica verbessert: Die bei der Kultivierung knochenbildender Zellen auf derart oberflächenbehandelten Materialien beobachtete verstärkte Biomineralisierung, Aktivierung der Alkalischen Phosphatase, und Ausbildung eines typischen zellulären Phänotyps verdeutlichen das Potential von Silicatein/Biosilica für der Herstellung neuartiger Implantat- und Knochenersatzmaterialien.

Molekulare und supramolekulare Eigenschaften von neuen Donor-Akzeptor-Polymeren

Die organische Halbleitertechnologie befindet sich seit Jahrzehnten im Focus des Interesses, da sie eine kostengünstige und umweltverträgliche Alternative zu anorganischen Silizium-basierten Halbleitern darstellt. Die Möglichkeit der gezielten Funktionalisierung von definierten Strukturen durch synthetische Methoden, welche eine große Vielfalt an Materialien ermöglicht, steht dabei besonders im Vordergrund. Die Modifikation von physikalischen Eigenschaften ermöglicht dabei eine stark erleichterte Anpassung für den geplanten Anwendungsbereich. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden organische Halbleitermaterialien basierend auf Cyclopenta[2,1-b:3,4-b']dithiophen (CDT) dargestellt und hinsichtlich ihrer strukturellen und elektronischen Eigenschaften untersucht. In Kombination mit Benzo[c][1,2,5]thiadiazol (BTZ) und weiteren Akzeptoren wurden zunächst Donor(D)-Akzeptor(A)-Polymere synthetisiert und Struktur-Eigenschaft-Beziehungen aufgestellt. So konnte ein sehr hochmolekulares Polymer CDT-BTZ-Polymer (Mn = 36 kg mol-1, PDI = 2.6) erhalten werden, welches sich durch eine hohe lamellare Ordnung und eine gemessene Ladungsträgermobilität in FETs von über 5.0 cm2V-1s-1 bei Raumtemperatur auszeichnete; bei niedrigen Temperaturen (240 K) war letztgenannte 6.5 cm2V-1s-1. Aufgrund dieses hohen Ladungstransports und der Abwesenheit niedermolekularer Polymerketten innerhalb des Polymers konnte erstmals eine Messung eines HALL-Effektes bewerkstelligt werden. Dies war der erste Beweis eines Band-artigen Ladungstransportes an einem Polymerhalbleiter. Des Weiteren wurde durch synthetische Veränderung der Grundstruktur des Polymers zu längeren Alkylketten eine anisotrope Anordnung der Polymerketten erreicht und die Ladungsträgermobilität (6.5 cm2V-1s-1 bei Raumtemperatur) weiter gesteigert. Darauf aufbauend wurde der Einfluss von stereoisomeren Seitenketten an CDT-BTZ-Polymeren auf Packungsverhalten, Parametern (Sperrstrom, Einschaltstrom) in FETs und Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln untersucht. Durch cis-trans-Isomerisierung der Seitenketten wurde hier eine neue Methode zur Optimierung des Packungsverhaltens von Polymeren in dünnen Filmen und Lösung gefunden. Zuletzt wurden D-π-A-Farbstoffen, welche CDT als Verbrückungseinheit (π) beinhalten, dargestellt. Durch Variation von D und A konnten Struktur-Eigenschaft-Beziehungen in der Anwendung in Solarzellen (Feststoffsolarzellen, Flüssigsolarzellen) gefunden werden. Die Untersuchungen der photoinduzierten Absorption und der Photolumisenzenzquantenausbeute lieferten dabei Erklärungen für physikalische Prozesse wie Ladungsinjektion- und rekombination.

Phosphonsäurehaltige polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe für Anwendungen in Brennstoffzellen

Die vorliegende Arbeit umfasst die Synthese und Charakterisierung phosphonsäurehaltiger, organischer Kristalle als ionenleitende Verbindungen in Brennstoffzellen-Anwendungen. Sie zielt dabei einerseits auf die Darstellung von protonenleitenden Polyphenylenverbindungen und deren Verwendung als Linker für den Aufbau protonenleitender Aluminium-Phosphonat-Netzwerke ab und behandelt andererseits die Einführung stark polarer Phosphonsäuregruppen in einen diskreten Nanographenkern sowie deren Einfluss auf die ionen- und elektronenleitenden Eigenschaften, um diese als gemischt-leitende Kompatibilisatoren an der isolierenden Elektrode/ Membran-Grenzfläche in einer Brennstoffzelle zu verwenden. Am Beispiel eines phosphonsäurefunktionalisierten, phenylenisch-expandierten Hexaphenylbenzols konnte ein solvothermisch stabiler Protonenleiter mit einer Selbstorganisation in kolumnare, supramolekulare Strukturen und hoher, temperaturunabhängiger Leitfähigkeit mit dominierendem Grotthuss-Anteil präsentiert werden. Durch einen Wechsel dieser 1D-radialen Phosphonsäureanordnung in der Molekülhülle hin zu 2D- und 3D-H2PO3-funktionalisierten, dendritischen Stäbchen- bzw. Kugelstrukturen konnte gezeigt werden, dass eine kolumnare Molekülanordnung jedoch kein notwendiges Kriterium für einen Grotthuss-artigen Protonentransport darstellt. Durch die mehrdimensionale Orientierung der Phosphonsäuren in der Außenhülle der Dendrimere garantieren die synthetisierten Strukturen hochaggregierte Phosphonsäurecluster, die als dichtes Säurekontinuum die eigentlichen protonenleitfähigen Kanäle darstellen und somit als entscheidendes Kriterium für das Auftreten eines Grotthuss-artigen Mechanismus definiert werden müssen. Eine signifikante Erhöhung der Leitfähigkeit konnte durch den Aufbau poröser, organisch-anorganischer Netzwerke (Al-HPB-NETs) über Komplexierung einer unterstöchiometrischen Menge an Aluminium-Kationen mit der Polyphosphonsäureverbindung Hexakis(p-phosphonatophenyl)benzol als Linkereinheit erfolgen, die anschließend mit kleinen intrinsischen Protonenleitern wie Phosphonsäure dotiert wurden. Diese dotierten Netzwerke wiesen außergewöhnliche Leitfähigkeit auf, da sie die σ-Werte des Referenzpolymers Nafion® bereits in einem Temperaturbereich oberhalb von 135°C übertrafen, aber gleichzeitig ein sehr gutes Säureretentionsverhalten von einem Gew.-% Säuredesorption über eine Immersionsdauer von 14 h gegenüber wässrigem Medium zeigten. Durch Mischen dieser Aluminiumphosphonate mit einer dotierten Polymermatrix wie PBI konnten synergistische Effekte durch zusätzliche attraktive H-Brückenbindungen zwischen molekular angebundener Phosphonsäure und mobiler H3PO4 an Hand eines signifikanten Leitfähigkeitsanstiegs für die resultierenden Membranen beobachtet werden. Die Protonenleitfähigkeit lag in diesen Materialien in dem gesamten untersuchten Temperaturbereich oberhalb von Nafion®. Durch das Einbringen der NETs in PBI konnte ebenfalls die Säureretention von PBI um etwa 9 % bei kurzen Immersionszeiten (bis 1 min) verbessert werden. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Arbeit die synthetische Kombination eines hydrophoben, elektronenleitenden Nanographenkerns mit einer, durch eine isolierende Peripherie getrennten, stark polaren, protonenleitenden Außenhülle realisiert. Am Beispiel von zwei phosphonsäurefunktionalisierten Triphenylenen, die sich in Länge und Planarität der gewählten Peripheriebausteine unterschieden, sollten polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe mit gemischt protonen- und elektronenleitenden Eigenschaften hergestellt werden, die über Impedanzspektroskopie und Vierpunktmessungen untersucht wurden. Da es sich bei der Anwendung solcher gemischtleitenden Verbindungen um grenz-flächenaktive Substanzen handelt, die das ohne verbesserte Anbindung bestehende Dielektrikum zwischen Elektrode und protonenleitender Membran überbrücken sollen, wurde die Untersuchung eines möglichen Elektronentransportes durch eine Molekülmonolage ebenfalls über kombinatorische STM- und STS-Technik durchgeführt.

Atomistic simulations of 2D bicomponent self-assembly: from molecular recognition to self-healing

Supramolecular two-dimensional engineering epitomizes the design of complex molecular architectures through recognition events in multicomponent self-assembly. Despite being the subject of in-depth experimental studies, such articulated phenomena have not been yet elucidated in time and space with atomic precision. Here we use atomistic molecular dynamics to simulate the recognition of complementary hydrogen-bonding modules forming 2D porous networks on graphite. We describe the transition path from the melt to the crystalline hexagonal phase and show that self-assembly proceeds through a series of intermediate states featuring a plethora of polygonal types. Finally, we design a novel bicomponent system possessing kinetically improved self-healing ability in silico, thus demonstrating that a priori engineering of 2D self-assembly is possible.

Modulation of chiroptical properties by DNA-guided assembly of fluorenes

The supramolecular organization of fluorene building blocks in a DNA scaffold is described. The molecular assembly into ordered pi-aggregates leads to distinct changes in the electronic properties.

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.

Cooperative and Noncooperative Assembly of Oligopyrenotides Resolved by Atomic Force Microscopy

The supramolecular assembly of amphiphilic oligopyrenotide building blocks (covalently linked heptapyrene, Py7) is studied by atomic force microscopy (AFM) in combination with optical spectroscopy. The assembly process is triggered in a controlled manner by increasing the ionic strength of the aqueous oligomer solution. Cooperative noncovalent interactions between individual oligomeric units lead to the formation of DNA-like supramolecular polymers. We also show that the terminal attachment of a single cytidine nucleotide to the heptapyrenotide (Py7-C) changes the association process from a cooperative (nucleation−elongation) to a noncooperative (isodesmic) regime, suggesting a structure misfit between the cytidine and the pyrene units. We also demonstrate that AFM enables the identification and characterization of minute concentrations of the supramolecular products, which was not accessible by conventional optical spectroscopy.

Manipulation of energy transfer processes in nanochannels

The realisation of molecular assemblies featuring specific macroscopic properties is a prime example for the versatility of supramolecular organisation. Microporous materials such as zeolite L are well suited for the preparation of host-guest composites containing dyes, complexes, or clusters. This short tutorial focuses on the possibilities offered by zeolite L to study and influence Förster resonance energy transfer inside of its nanochannels. The highly organised host-guest materials can in turn be structured on a larger scale to form macroscopic patterns, making it possible to create large-scale structures from small, highly organised building blocks for novel optical applications.

DNA-multiporhyrinic systems: promising objects for materials science

Porphyrin-containing materials are attractive objects for advanced light-harvesting systems [1]. Despite existence of numerous approaches to arrange porphyrines in a controlled and programmed way and therefore mimic natural photosynthetic systems, the problem of porphyrin`s arraying remains challenging [2]. Herein, we present an approach based on using DNA as a scaffold to hold porphyrines together. The whole spectroscopic investigation of the compounds containing several porphyrines and a possibility of their usage as molecular blocks for functional supramolecular architectures is discussed [3].

Observation of the rare chrysene excimer

Formation of the so far elusive chrysene excimer in solution is achieved by using DNA as a supramolecular scaffold. Oligonucleotides possessing one or two chrysene building blocks have been synthesized. Chrysene excimer fluorescence has been unambiguously observed in DNA double strands, as well as in single strands containing two neighbouring chrysenes.

Multiple GABA receptors in rabbit retina

The task of encoding and processing complex sensory input requires many types of transsynaptic signals. This requirement is served in part by an extensive group of neurotransmitter substances which may include thirty or more different compounds. At the next level of information processing, the existence of multiple receptors for a given neurotransmitter appears to be a widely used mechanism to generate multiple responses to a given first messenger (Snyder and Goodman, 1980). Despite the wealth of published data on GABA receptors, the existence of more than one GABA receptor was in doubt until the mid 1980's. Presently there is still disagreement on the number of types of GABA receptors, estimates for which range from two to four (DeFeudis, 1983; Johnston, 1985). Part of the problem in evaluating data concerning multiple receptor types is the lack of information on the number of gene products and their subsequent supramolecular organization in different neurons. In order to evaluate the question concerning the diversity of GABA receptors in the nervous system, we must rely on indirect information derived from a wide variety of experimental techniques. These include pharmacological binding studies to membrane fractions, electrophysiological studies, localization studies, purification studies, and functional assays. Almost all parts of the central and peripheral nervous system use GABA as a neurotransmitter, and these experimental techniques have therefore been applied to many different parts of the nervous system for the analysis of GABA receptor characteristics. We are left with a large amount of data from a wide variety of techniques derived from many parts of the nervous system. When this project was initiated in 1983, there were only a handful of pharmacological tools to assess the question of multiple GABA receptors. The approach adopted was to focus on a single model system, using a variety of experimental techniques, in order to evaluate the existence of multiple forms of GABA receptors. Using the in vitro rabbit retina, a combination of pharmacological binding studies, functional release studies and partial purification studies were undertaken to examine the GABA receptor composition of this tissue. Three types of GABA receptors were observed: Al receptors coupled to benzodiazepine and barbiturate modulation, and A2 or uncoupled GABA-A receptors, and GABA-B receptors. These results are evaluated and discussed in light of recent findings by others concerning the number and subtypes of GABA receptors in the nervous system. ^

The Exploitation of Versatile Building Blocks for the Self-Assembly of Novel Molecular Magnets

Using molecular building blocks to self-assemble lattices supporting long-range magnetic order is currently an active area of solid-state chemistry. Consequently, it is the realm of supramolecular chemistry that synthetic chemists are turning to in order to develop techniques for the synthesis of structurally well-defined supramolecular materials. In recent years we have investigated the versatility and usefulness of two classes of molecular building blocks, namely, tris-oxalato transition-metal (M. Pilkington and S. Decurtins, in “Magnetoscience—From Molecules to Materials,” Wiley–VCH, 2000), and octacyanometalate complexes (Pilkington and Decurtins, Chimia 54, 593 (2001)), for applications in the field of molecule-based magnets. Anionic, tris-chelated oxalato building blocks are able to build up two-dimensional honeycomb-layered structural motifs as well as three-dimensional decagon frameworks. The discrimination between the crystallization of the two- or three-dimensional structures relies on the choice of the templating counterions (Decurtins, Chimia 52, 539 (1998); Decurtins et al. Mol. Cryst. Liq. Cryst. 273, 167 (1995); New J. Chem. 117 (1998)). These structural types display a range of ferro, ferri, and antiferromagnetic properties (Pilkington and Decurtins, in “Magnetoscience—From Molecules to Materials”). Octacyanometalate building blocks self-assemble to afford two new classes of cyano-bridged compounds namely, molecular clusters and extended three dimensional networks (J. Larionova et al., Angew. Chem. Int. Ed. 39, 1605 (2000); Pilkington et al., in preparation). The molecular cluster with a MnII9MoV6 core has the highest ground state spin value, S=51/2, reported to-date (Larionova et al., Angew. Chem. Int. Ed. 39, 1605 (2000)). In the high-temperature regime, the magnetic properties are characterized by ferromagnetic intracluster coupling. In the magnetic range below 44 K, the magnetic cluster signature is lost as possibly a bulk behavior starts to emerge. The three-dimensional networks exhibit both paramagnetic and ferromagnetic behavior, since the magnetic properties of these materials directly reflect the electronic configuration of the metal ion incorporated into the octacyanometalate building blocks (Pilkington et al., in preparation). For both the oxalate- and cyanide-bridged materials, we are able to manipulate the magnetic properties of the supramolecular assemblies by tuning the electronic configurations of the metal ions incorporated into the appropriate molecular building blocks (Pilkington and Decurtins, in “Magnetoscience—From Molecules to Materials,” Chimia 54, 593 (2000)).