Single-molecule protein folding: Diffusion fluorescence resonance energy transfer studies of the denaturation of chymotrypsin inhibitor 2

We report single-molecule folding studies of a small, single-domain protein, chymotrypsin inhibitor 2 (CI2). CI2 is an excellent model system for protein folding studies and has been extensively studied, both experimentally (at the ensemble level) and theoretically. Conformationally assisted ligation methodology was used to synthesize the proteins and site-specifically label them with donor and acceptor dyes. Folded and denatured subpopulations were observed by fluorescence resonance energy transfer (FRET) measurements on freely diffusing single protein molecules. Properties of these subpopulations were directly monitored as a function of guanidinium chloride concentration. It is shown that new information about different aspects of the protein folding reaction can be extracted from such subpopulation properties. Shifts in the mean transfer efficiencies are discussed, FRET efficiency distributions are translated into potentials, and denaturation curves are directly plotted from the areas of the FRET peaks. Changes in stability caused by mutation also are measured by comparing pseudo wild-type CI2 with a destabilized mutant (K17G). Current limitations and future possibilities and prospects for single-pair FRET protein folding investigations are discussed.

Visualization of unwinding activity of duplex RNA by DbpA, a DEAD box helicase, at single-molecule resolution by atomic force microscopy

The Escherichia coli protein DbpA is unique in its subclass of DEAD box RNA helicases, because it possesses ATPase-specific activity toward the peptidyl transferase center in 23S rRNA. Although its remarkable ATPase activity had been well defined toward various substrates, its RNA helicase activity remained to be characterized. Herein, we show by using biochemical assays and atomic force microscopy that DbpA exhibits ATP-stimulated unwinding activity of RNA duplex regardless of its primary sequence. This work presents an attempt to investigate the action of DEAD box proteins by a single-molecule visualization methodology. Our atomic force microscopy images enabled us to observe directly the unwinding reaction of a DEAD box helicase on long stretches of double-stranded RNA. Specifically, we could differentiate between the binding of DbpA to RNA in the absence of ATP and the formation of a Y-shaped intermediate after its progression through double-stranded RNA in the presence of ATP. Recent studies have questioned the designation of DbpA, in particular, and DEAD box proteins in general as RNA helicases. However, accumulated evidence and the results reported herein suggest that these proteins are indeed helicases that resemble in many aspects the DNA helicases.

Mechanism for nucleic acid chaperone activity of HIV-1 nucleocapsid protein revealed by single molecule stretching

The nucleocapsid protein (NC) of HIV type 1 is a nucleic acid chaperone that facilitates the rearrangement of nucleic acids into conformations containing the maximum number of complementary base pairs. We use an optical tweezers instrument to stretch single DNA molecules from the helix to coil state at room temperature in the presence of NC and a mutant form (SSHS NC) that lacks the two zinc finger structures present in NC. Although both NC and SSHS NC facilitate annealing of complementary strands through electrostatic attraction, only NC destabilizes the helical form of DNA and reduces the cooperativity of the helix-coil transition. In particular, we find that the helix-coil transition free energy at room temperature is significantly reduced in the presence of NC. Thus, upon NC binding, it is likely that thermodynamic fluctuations cause continuous melting and reannealing of base pairs so that DNA strands are able to rapidly sample configurations to find the lowest energy state. The reduced cooperativity allows these fluctuations to occur in the middle of complex double-stranded structures. The reduced stability and cooperativity, coupled with the electrostatic attraction generated by the high charge density of NC, is responsible for the nucleic acid chaperone activity of this protein.

Single molecule physics and chemistry

New experiments using scanning probe microcopies and advanced optical methods allow us to study molecules as individuals, not just as populations. The findings of these studies not only include the confirmation of results expected from studies of bulk matter, but also give substantially new information concerning the complexity of biomolecules or molecules in a structured environment. The technique lays the groundwork for achieving the control of an individual molecule’s motion. Ultimately, this work may lead to such practical applications as miniaturized sensors.

Single-exciton spectroscopy of semimagnetic quantum dots

A photoexcited II-VI semiconductor quantum dots doped with a few Mn spins is considered. The effects of spin-exciton interactions and the resulting multispin correlations on the photoluminescence are calculated by numerical diagonalization of the Hamiltonian, including exchange interaction between electrons, holes, and Mn spins, as well as spin-orbit interaction. The results provide a unified description of recent experiments on the photoluminesnce of dots with one and many Mn atoms as well as optically induced ferromagnetism in semimagnetic quantum dots.

Single-exciton spectroscopy of single Mn doped InAs quantum dots

The optical spectroscopy of a single InAs quantum dot doped with a single Mn atom is studied using a model Hamiltonian that includes the exchange interactions between the spins of the quantum dot electron-hole pair, the Mn atom, and the acceptor hole. Our model permits linking the photoluminescence spectra to the Mn spin states after photon emission. We focus on the relation between the charge state of the Mn, A0 or A−, and the different spectra which result through either band-to-band or band-to-acceptor transitions. We consider both neutral and negatively charged dots. Our model is able to account for recent experimental results on single Mn doped InAs photoluminescence spectra and can be used to account for future experiments in GaAs quantum dots. Similarities and differences with the case of single Mn doped CdTe quantum dots are discussed.

Perylene Diimide Molecular Glass: Investigations of Charge Transport

A new glass-forming organic semiconductor material was synthesized using a known electron transport material, perylene diimide, and attaching it to a molecular glass in order to allow the material to be solution processed. Devices were made using a simple metal-semiconductor-metal structure and electrodes were selected to produce Schottky diodes. Experiments were carried out to characterize this new molecular glass perylene diimide. The new material shows evidence of traps, hysteresis, and other behaviours that are explored in this thesis. The material shows some potential as an electron transport layer with possibilities of memory storage behaviour.

Single-molecule fluorescence resonance energy transfer study of SNARE-mediated membrane fusion

This is a comprehensive study of protein-mediated membrane fusion through single-molecule fluorescence resonance energy transfer (smFRET). Membrane fusion is one of the important cellular processes by which two initially distinct lipid bilayers merge their hydrophobic cores, resulting in one interconnected structure. For example, exocytosis, fertilization of an egg by a sperm and communication between neurons are a few among many processes that rely on some form of fusion. Proteins called soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptor (SNARE) play a central role in fusion processes which is also regulated by many accessory proteins, such as synaptotagmin, complexin and Munc18. By a new lipid mixing method at the single-vesicle level, we are able to accurately detect different stages of SNARE-mediated membrane fusion including docking, hemi and full fusion via FRET value of single donor/acceptor vesicle pair. Through this single-vesicle lipid mixing assay, we discovered the vesicle aggregation induced by C2AB/Ca2+, the dual function of complexin, and the fusion promotion role of Munc18/SNARE-core binding mode. While this new method provides the information regarding the extent of the ensemble lipid mixing, the fusion pore opening between two vesicular cavities and the interaction between proteins cannot be detected. In order to overcome these limitations, we then developed a single-vesicle content mixing method to reveal the key factor of pore expansion by detecting the FRET change of dual-labeled DNA probes encapsulated in vesicles. Through our single-vesicle content mixing assay, we found the fusion pore expansion role of yeast SNAREs as well as neuronal SNAREs plus synaptotagmin 1.

Synthesis, structure and magnetic properties of heterometallic complexes towards single-molecule magnets using flexible aminopolyol ligands

No abstract available.

Ab Initio Calculations of Structural Evolution and Conductance of Benzene-1,4-dithiol on Gold Leads

By performing at) initio density functional theory (DFT) calculations and electronic transport simulations based on the OFT nonequilibrium Green`s functions method we investigate how the conformational changes of a benzene-1,4-dithiol molecule bonded to gold affect the molecular transport as the electrodes are separated from each other. In particular we consider the full evolution of the stretching process until the Junction breaking point and compare results obtained with a standard semilocal exchange and correlation functional to those computed with a self-interaction corrected method. We conclude that the inclusion of self-interaction corrections is fundamental for describing both the molecule conductance and its stability against conformational fluctuations.

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.

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.

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.