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.

Thiacalix[4]arene-Supported Planar Ln(4) (Ln = Tb-III, Dy-III) Clusters: Toward Luminescent and Magnetic Bifunctional Materials

This paper reports the syntheses, crystal structures, and luminescent and magnetic properties of four tetranuclear Tb-III (1 and 3) and Dy-III (2 and 4) complexes supported by p-phenylthiacalix[4]arene (H(4)PTC4A) and p-tert-butylthiacalix-[4]arene (H(4)TC4A). All four frameworks can be formulated as [Ln(4)(III)(PTC4A/TC4A)(2)(mu(4)-OH)Cl-3(CH3OH)(2)(H2O)(3)], and some methanol and water solvent molecules are occupied in the interstices. The compounds are featured with a sandwichlike unit constructed by two tail-to-tail calixarene molecules and a planar tetragonal (mu(4)-OH)Ln(4) cluster. The photoluminescent analyses suggest that there is an efficient ligand-to-Ln(III) energy transfer for compounds 1-3 and H(4)PTC4A is a more efficient "antenna" than H(4)TC4A.

Observation of Slow Magnetic Relaxation in Discrete Dysprosium Cubane

A discrete dysprosium cubane has been prepared and structurally characterized Slow relaxation of magnetization in this complex is observed, which may stimulate further investigations into the dynamics of magnetization in lanthanide clusters with different topologies.

Architectures radiales hétéro-poly-métalliques pour la photosynthèse artificielle et le stockage de l'information

Par une approche supramoléculaire, des architectures radiales hétéro-poly-métalliques ont été réalisées pour des applications en photosynthèse artificielle et en magnétisme moléculaire. Dans une première partie, la synthèse et la caractérisation (spectroscopie UV-vis, émission, électrochimique, DRX) de complexes de ruthénium(II), possédant une gamme de ligands polypyridines, ont été réalisées. Les calculs théoriques ont été effectués afin de soutenir l’interprétation des propriétés photophysiques. Ces complexes, présentant un certain nombre de pyridines externes, ont servi de cœur à des architectures à base de rhénium tris-carbonyles (pour les effets d’antenne), et de cobaloximes (pour les propriétés catalytiques). Les nucléarités obtenues varient de 2 à 7 selon le cœur utilisé. Ces systèmes ont été engagés dans des cycles de photo-production de dihydrogène, démontrant une meilleure efficacité que la référence du domaine, le [Ru(bpy)3]2+. La seconde partie concerne l’étude de couples de métaux de transition, construits à partir de briques polycyanométallates, ou de lanthanides pontés par des ligands oxamides. Ces approches « complexes comme ligand » puis « assemblages comme ligand » permettent d’obtenir des systèmes de haute nucléarité, présentant des propriétés de molécule-aimant ou des effets magnéto-caloriques (à base de CrNi, GdCu, DyCu). Des propriétés photomagnétiques ont été observées sur les couples RuCu et MoCu, pouvant servir de commutateurs moléculaires dans des systèmes complexes. Enfin, une structure hétéro-tétra-métallique trifonctionnelle a été obtenue contenant à la fois un commutateur MoCu, une entité molécule-aimant CuTb et un complexe de ruthénium.

Selbstassemblierte Monolagen und magnetisch strukturierte Submonolagen mit dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Phthalocyanin- und Subphthalocyanin-Basis

Mit dieser Arbeit wurde die Selbstassemblierung von dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Goldsubstraten und magnetisch strukturierten Substraten untersucht. Dazu wurden drei verschiedene Klassen an Phthalocyaninderivaten verwendet: Diamagnetische Subphthalocyanine, paramagnetische Phthalocyaninatometalle und Diphthalocyaninatolanthanidkomplexe. Alle synthetisierten Verbindungen sind peripher thioethersubstituiert. Die Alkylketten (a: n-C8H17, b: n-C12H25) vermitteln die Löslichkeit in vielen organischen Solventien und sorgen für eine geordnete Assemblierung auf einer Oberfläche, wobei die Bindung auf Gold hauptsächlich über die Schwefelatome stattfindet. Die aus Lösung abgeschiedenen selbstassemblierten Monolagen wurden mit XPS, NEXAFS-Spektroskopie und ToF-SIMS untersucht. Bei der Selbstassemblierung auf magnetisch strukturierten Substraten stehen die Moleküle unter dem Einfluss magnetischer Streufelder und binden bevorzugt nur in bestimmten Bereichen. Die gebildeten Submonolagen wurden zusätzlich mit X-PEEM untersucht. Die erstmals dargestellten Manganphthalocyanine [MnClPc(SR)8] 1 wurden ausgehend von MnCl2 erhalten. Hier fand bei der Aufarbeitung an Luft eine Oxidation zu Mangan(III) statt; +III ist die stabilste Oxidationsstufe von Mangan in Phthalocyaninen. Der Nachweis des axialen Chloridoliganden erfolgte mit Massenspektrometrie und FIR- sowie Raman-Spektroskopie. SQUID-Messungen haben gezeigt, dass die Komplexe 1 vier ungepaarte Elektronen haben. Bei den Subphthalocyaninen [BClSubpc(SR)6] 2 wurde der axiale Chloridoligand mit dem stäbchenförmigen Phenolderivat 29-H substituiert und die erfolgreiche Ligandensubstitution durch NMR- und IR-Spektroskopie sowie Massenspektrometrie an den Produkten [BSubpc(SR)6(29)] 30 belegt. Der Radikalcharakter der synthetisierten Terbiumkomplexe [Tb{Pc(SR)8}2] 3 wurde spektroskopisch nachgewiesen; SQUID-Messungen ergaben, dass es sich um Einzelmolekülmagnete mit einer Energiebarriere U des Doppelpotentialtopfs von 880 K oder 610 cm-1 bei 3a handelt. Zunächst wurden die SAMs der Komplexverbindungen 1, 2, 30 und 3 auf nicht magnetisch strukturierten Goldsubstraten untersucht. Die Manganphthalocyanine 1 bilden geordnete SAMs mit größtenteils flach liegenden Molekülen, wie die XPS-, NEXAFS- und ToF-SIMS-Analyse zeigte. Die Mehrzahl der Thioether-Einheiten ist auf Gold koordiniert und die Alkylketten zeigen ungeordnet von der Oberfläche weg. Bei der Adsorption findet eine Reduktion zu Mangan(II) statt und der axiale Chloridoligand wird abgespalten. Das beruht auf dem sog. Oberflächen-trans-Effekt. Im vorliegenden Fall übt die Metalloberfläche einen stärkeren trans-Effekt als der axiale Ligand aus, was bisher experimentell noch nicht beobachtet wurde. Die thioethersubstituierten Subphthalocyanine 2 und 30 sowie die Diphthalocyaninatoterbium-Komplexe 3 sind ebenfalls für SAMs geeignet. Ihre Monolagen wurden mit XPS und NEXAFS-Spektroskopie untersucht, und trotz einer gewissen Unordnung in den Filmen liegen die Moleküle jeweils im Wesentlichen flach auf der Goldoberfläche. Vermutlich sind bei diesen Systemen auch die Alkylketten größtenteils parallel zur Oberfläche orientiert. Im Gegensatz zu den Manganphthalocyaninen 1 tritt bei 2b, 30a, 30b und 3b neben der koordinativen Bindung der Schwefelatome auf Gold auch eine für Thioether nicht erwartete kovalente Au–S-Bindung auf, die durch C–S-Bindungsbruch unter Abspaltung der Alkylketten ermöglicht wird. Der Anteil, zu dem dieser Prozess stattfindet, scheint nicht mit der Molekülstruktur zu korrelieren. Selbstassemblierte Submonolagen auf magnetisch strukturierten Substraten wurden mit dem diamagnetischen Subphthalocyanin 2b hergestellt. Der Nachweis der Submonolagen war schwierig und gelang schließlich durch eine Kombination von ToF-SIMS, NEXAFS Imaging und X-PEEM. Die Analyse der ToF-SIMS-Daten zeigte, dass tatsächlich eine Modulation der Verteilung der Moleküle auf einem unterwärts magnetisch strukturierten Substrat eintritt. Mit X-PEEM konnte die magnetische Struktur der ferromagnetischen Schicht des Substrats direkt der Verteilung der adsorbierten Moleküle zugeordnet werden. Die Subphthalocyanine 2b adsorbieren nicht an den Domänengrenzen, sondern vermehrt dazwischen. Auf Substraten mit abwechselnd 6.5 und 3.5 µm breiten magnetischen Domänen binden die Moleküle bevorzugt in den Bereichen geringster magnetischer Streufeldgradienten, also den größeren Domänen. Solche Substrate wurden für die ToF-SIMS- und X-PEEM-Messungen verwendet. Bei größeren magnetischen Strukturen mit ca. 400 µm breiten Domänen, wie sie aufgrund der geringeren Ortsauflösung dieser Methode für NEXAFS Imaging eingesetzt wurden, binden die Moleküle dann in allen Domänen. Die diamagnetischen Moleküle werden nach dieser Interpretation aus dem inhomogenen Magnetfeld über der Probenoberfläche heraus gedrängt und verhalten sich analog makroskopischer Diamagnete. Die eindeutige Detektion der Moleküle auf den magnetisch strukturierten Substraten konnte bisher nur für die diamagnetischen Subphthalocyanine 2b erfolgen. Um die Interpretation ihres Verhaltens bei der Selbstassemblierung in einem inhomogenen Magnetfeld weiter voranzutreiben, wurde das Subphthalocyanin 37b dargestellt, welches ein stabiles organisches TEMPO-Radikal in seinem axialen Liganden enthält. Das paramagnetische Subphthalocyanin 37b sollte auf den magnetisch strukturierten Substraten in Regionen starker magnetischer Streufelder binden und damit das entgegengesetzte Verhalten zu den diamagnetischen Subphthalocyaninen 2b zeigen. Aus Zeitgründen konnte dieser Nachweis im Rahmen dieser Arbeit noch nicht erbracht werden.

High-Spin Molecules: Synthesis, X-ray Characterization, and Magnetic Behavior of Two New Cyano-Bridged Ni II 9 Mo V 6 and Ni II 9 W V 6 Clusters with a S = 12 Ground State

The preparations, X-ray structures, and magnetic characterizations are presented for two new pentadecanuclear cluster compounds:  [NiII{NiII(MeOH)3}8(μ-CN)30{MV(CN)3}6]·xMeOH·yH2O (MV = MoV (1) with x = 17, y = 1; MV = WV (2) with x = 15, y = 0). Both compounds crystallize in the monoclinic space group C2/c, with cell dimensions of a = 28.4957(18) Å, b = 19.2583(10) Å, c = 32.4279(17) Å, β = 113.155(6)°, and Z = 4 for 1 and a = 28.5278(16) Å, b = 19.2008(18) Å, c = 32.4072(17) Å, β = 113.727(6)°, and Z = 4 for 2. The structures of 1 and 2 consist of neutral cluster complexes comprising 15 metal ions, 9 NiII and 6 MV, all linked by μ-cyano ligands. Magnetic susceptibilities and magnetization measurements of compounds 1 and 2 in the crystalline and dissolved state indicate that these clusters have a S = 12 ground state, originating from intracluster ferromagnetic exchange interactions between the μ-cyano-bridged metal ions of the type NiII−NC−MV. Indeed, these data show clearly that the cluster molecules stay intact in solution. Ac magnetic susceptibility measurements reveal that the cluster compounds exhibit magnetic susceptibility relaxation phenomena at low temperatures since, with nonzero dc fields, χ‘ ‘M has a nonzero value that is frequency dependent. However, there appears no out-of-phase (χ‘ ‘M) signal in zero dc field down to 1.8 K, which excludes the expected signature for a single molecule magnet. This finding is confirmed with the small uniaxial magnetic anisotropy value for D of 0.015 cm-1, deduced from the high-field, high-frequency EPR measurement, which distinctly reveals a positive sign in D. Obviously, the overall magnetic anisotropy of the compounds is too low, and this may be a consequence of a small single ion magnetic anisotropy combined with the highly symmetric arrangement of the metal ions in the cluster molecule.

Mn-doped II-VI quantum dots: artificial molecular magnets

The notion of artificial atom relies on the capability to change the number of carriers one by one in semiconductor quantum dots, and the resulting changes in their electronic structure. Organic molecules with transition metal atoms that have a net magnetic moment and display hysteretic behaviour are known as single molecule magnets (SMM). The fabrication of CdTe quantum dots chemically doped with a controlled number of Mn atoms and with a number of carriers controlled either electrically or optically paves the way towards a new concept in nanomagnetism: the artificial single molecule magnet. Here we study the magnetic properties of a Mn-doped CdTe quantum dot for different charge states and show to what extent they behave like a single molecule magnet.

Stretching single DNA-molecules with temperature-stabilized optical tweezers

This thesis consists of two parts; in the first part we performed a single-molecule force extension measurement with 10kb long DNA-molecules from phage-λ to validate the calibration and single-molecule capability of our optical tweezers instrument. Fitting the worm-like chain interpolation formula to the data revealed that ca. 71% of the DNA tethers featured a contour length within ±15% of the expected value (3.38 µm). Only 25% of the found DNA had a persistence length between 30 and 60 nm. The correct value should be within 40 to 60 nm. In the second part we designed and built a precise temperature controller to remove thermal fluctuations that cause drifting of the optical trap. The controller uses feed-forward and PID (proportional-integral-derivative) feedback to achieve 1.58 mK precision and 0.3 K absolute accuracy. During a 5 min test run it reduced drifting of the trap from 1.4 nm/min in open-loop to 0.6 nm/min in closed-loop.

Stretching single polymer chains of donor-acceptor foldamers: toward the quantitative study on the extent of folding

Single-molecule force spectroscopy has proven to be an efficient tool for the quantitative characterization of flexible foldamers on the single-molecule level in this study. The extent of folding has been estimated quantitatively for the first time to the best of our knowledge, which is crucial for a better understanding of the ``folding-process'' on single-molecule level. Therefore, this study may provide a guidance to regulate folding for realizing rational control over the functions of bulk materials.

Coherent (photon) vs incoherent (current) detection of multidimensional optical signals from single molecules in open junctions

The nonlinear optical response of a current-carrying single molecule coupled to two metal leads and driven by a sequence of impulsive optical pulses with controllable phases and time delays is calculated. Coherent (stimulated, heterodyne) detection of photons and incoherent detection of the optically induced current are compared. Using a diagrammatic Liouville space superoperator formalism, the signals are recast in terms of molecular correlation functions which are then expanded in the many-body molecular states. Two dimensional signals in benzene-1,4-dithiol molecule show cross peaks involving charged states. The correlation between optical and charge current signal is also observed. (C) 2015 AIP Publishing LLC.

Reversible Aptamer-Au Plasmon Rulers for Secreted Single Molecules

Plasmon rulers, consisting of pairs of gold nanoparticles, allow single-molecule analysis without photobleaching or blinking; however, current plasmon rulers are irreversible, restricting detection to only single events. Here, we present a reversible plasmon ruler, comprised of coupled gold nanoparticles linked by a single aptamer, capable of binding individual secreted molecules with high specificity. We show that the binding of target secreted molecules to the reversible plasmon ruler is characterized by single-molecule sensitivity, high specificity, and reversibility. Such reversible plasmon rulers should enable dynamic and adaptive live-cell measurement of secreted single molecules in their local microenvironment.

Surface-enhanced resonance Raman scattering spectroscopy of single R6G molecules

Surface-enhanced resonance Raman scattering (SERRS) of Rhodamine 6G (R6G) adsorbed on colloidal silver clusters has been studied. Based on the great enhancement of the Raman signal and the quench of the fluorescence, the SERRS spectra of R6G were recorded for the samples of dye colloidal solution with different concentrations. Spectral inhomogeneity behaviours from single molecules in the dried sample films were observed with complementary evidences, such as spectral polarization, spectral diffusion, intensity fluctuation of vibrational lines and even "breathing" of the molecules. Sequential spectra observed from a liquid sample with an average of 0.3 dye molecules in the probed volume exhibited the expected Poisson distribution for actually measuring 0, 1 or 2 molecules. Difference between the SERRS spectra of R6G excited by linearly and circularly polarized light were experimentally measured.

Imaging and tracking single fluorescent nanobeads in solution

In single-particle tracking (SPT), fluorescence video microscopy is used to record the motion images of single particle or single molecule. Here, by using a total-internal-reflection microscope equipped with an argon ion laser and a charge-coupled device (CCD) camera with high-speed and high-sensitivity, video images of single nanobeads in solutions were obtained. From the trajectories, the diffusion coefficient of individual nanobead was determined by the mean square displacements as a function of time. The sizes of nanobeads were calculated by Stokes-Einstein equation, and the results were compared with the actual values.