Structure and dynamics of supramolecular assemblies studied by advanced solid-state NMR spectroscopy

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Aufklärung von Struktur und Dynamik komplexer supramolekularer Systeme mittels Festkörper NMR Spektroskopie. Die Untersuchung von pi-pi Wechselwirkungen, welche einen entscheidenden Einfluss auf die strukturellen und dynamischen Eigenschaften supra- molekularer Systeme haben, hilft dabei, die Selbst- organisationsprozesse dieser komplexen Materialien besser zu verstehen. Mit dipolaren 1H-1H and 1H-13C Wiedereinkopplungs NMR Methoden unter schnellem MAS können sowohl 1H chemische Verschiebungen als auch dipolare 1H-1H und 1H-13C Kopplungen untersucht werden, ohne dass eine Isotopenmarkierung erforderlich ist. So erhält man detaillierte Informationen über die Struktur und die Beweglichkeit einzelner Molekül- segmente. In Verbindung mit sogenannten nucleus independent chemical shift (NICS) maps (berechnet mit ab-initio Methoden) lassen sich Abstände von Protonen relativ zu pi-Elektronensystemen bestimmen und so Strukturvorschläge ableiten. Mit Hilfe von homo- und heteronuklearen dipolaren Rotationsseitenbandenmustern könnenaußerdem Ordnungs- parameter für verschiedene Molekülsegmente bestimmt werden. Die auf diese Weise gewonnenen Informationen über die strukturellen und dynamischen Eigenschaften supramolekularer Systeme tragen dazu bei, strukturbestimmende Molekül- einheiten und Hauptordnungsphänomene zu identifizieren sowie lokale Wechselwirkungen zu quantifizieren, um so den Vorgang der Selbstorganisation besser zu verstehen.

Plasmonic nanorods and nanoparticle-assemblies

Die vorliegenden Dissertation beschäftigt sich mit plasmonischen Nanopartikeln, deren Wechselwirkung mit Licht in einer Plasmonenschwingung resultiert. Suspensionen dieser Partikel zeigen kräftige Farben, da sich die Resonanzfrequenz der Plasmonenschwingung im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrum befindet. Durch die Veränderung interner (Material, Größe, Form) oder externer Parameter (Brechungsindex der Umgebung, Abstand zu anderen plasmonischen Partikeln) lässt sich die Farbe der Partikel verändern, eine Verschiebung der Resonanzfrequenz kann beobachtet werden. Ihre Sensitivität gegenüber äußeren Bedingungen ist der Grund, weshalb plasmonische Nanopartikel als Sensoren eingesetzt werden können. Wichtig ist hierbei nicht nur, dass die Partikel eine hohe Sensitivität zeigen, sondern auch die Möglichkeit, reproduzierbar Partikel zu synthetisieren, die experimentellen Anforderungen entsprechen. In der vorliegenden Arbeit wird das Wachstum von reinen Gold- und mit Silber beschichteten Goldnanostäbchen untersucht. Des Weiteren werden plasmonische Nanopartikel als Orientierungs-, Brechungsindex- und Abstandssensoren verwendet. Die Synthese von Goldnanostäbchen erfolgt auf nasschemischen Weg, ihr anisotropes Wachstum aus isotropen Keimen wird durch zahlreiche Faktoren beeinflusst. In diesem Zusammenhang wurde ein Wachstumsmodell entwickelt, das neben dem Vorhandensein eines Stabilisators auch die Rolle von Bromid- und Silberionen herausstellt, die durch selektive Adsorption das Wachstum bestimmter Kristallflächen inhibieren. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Potentialdifferenz zwischen Reduktions- und Oxidationsmittel klein sein muss, um ein langsames selektives Wachstum zu gewährleisten. rnDurch das Aufwachsen einer dünnen Silberschicht auf Goldnanostäbchen verbessert sich deren Qualität im Bezug auf die heterogene Linienbreite. Der “Plasmonic Focusing Effect”, die Änderung der Steigung des linearen Zusammenhangs von Plasmonenresonanz und Aspektverhältnis, konnte theoretisch berechnet und experimentell verifiziert werden. Durch die Aufnahme zeitaufgelöster Spektren und die Untersuchung des Verlaufs der Reaktion wurden sowohl Reaktionsordnung, als auch Aktivierungsenergie ermittelt. Das so gefundene kinetische Model erlaubt zudem die Vorhersage des Reaktionsprodukts zu verschiedenen Zeiten. rnEinzelne Goldnanostäbchen wurden in einer Gelmatrix bei verschiedenen Temperaturen untersucht, die Aufnahme der zeitlichen Variation der polarisationsabhängigen Streuintensität konnte genutzt werden, um den Kollaps des Gels zu charakterisieren. Neben der Verwendung einzelner plasmonischer Nanopartikel wurden auch Dimere, bestehend aus zwei Goldnanokugeln, untersucht. Nach der Kalibrierung der Resonanzfrequenz gegenüber des Abstandes der beiden Partikel durch externe Methoden (Lichtstreuung, Cryo- Elektronenmikroskopie) wurde der so gefundene exponentielle Zusammenhang verwendet, um sowohl den Brechungsindex der Umgebung, als auch den Abstand der beiden Goldnanokugeln zu bestimmen. Des Weiteren wurden Goldnanopartikeldimere benutzt, um ein als Linker verwendetes thermoresponsives Elastin-Polymer bei verschiedenen Temperaturen zu charakterisieren. Neben Aggregaten aus zwei Goldnanokugeln wurden auch so genannte “core-satellite” Strukturen synthetisiert, die um einen großen Goldnanopartikelkern viele kleine Goldnanopartikel tragen. Diese Partikel haben eine theoretisch vorhergesagte höhere Sensitivität gegenüber Brechungsindexänderungen, was in ersten Experimenten gezeigt werden konnte.

Stabilizing molecular self-assemblies via on-surface reactions

Für die Realisierung zukünftiger Technologien, wie z.B. molekulare Elektronik, werden Strategien benötigt, um funktionale Strukturen direkt auf Oberflächen zu erzeugen. Für die Bewältigung dieser Aufgabe ist die molekulare Selbstanordnung ein äußerst vielversprechender Bottom-up-Ansatz. Hierbei ist eine der größten Herausforderungen das Zusammenspiel aus intramolekularer Wechselwirkung und der Wechselwirkung zwischen Substrat und Molekülen in ein Gleichgewicht zu bringen. Da jedoch die wirkenden Kräfte der molekularen Selbstanordnung ausschließlich reversibler Natur sind, ist eine langfristige Stabilität fragwürdig. Somit ist die kovalente Verknüpfung der gebildeten Strukturen durch Reaktionen direkt auf der Oberfläche unerlässlich, um die Stabilität der Strukturen weiter zu erhöhen. Hierzu stellt die vorliegende Arbeit eine ausführliche Studie zu molekularer Selbstanordnung und der zielgerichteten Modifikation ebensolcher Strukturen dar. Durch den Einsatz von hochauflösender Rasterkraftmikroskopie im Ultrahochvakuum, welche es erlaubt einzelne Moleküle auf Nichtleitern abzubilden, wurde der maßgebliche Einfluss von Ankerfunktionalitäten auf den Prozess der molekularen Selbstanordnung gezeigt. Des Weiteren konnte die Stabilität der selbst angeordneten Strukturen durch neue Oberflächenreaktionskonzepte entschieden verbessert werden. Der Einfluss von Ankerfunktionen, die elektrostatische Wechselwirkung zwischen Molekül und Substrat vermitteln, auf den Strukturbildungsprozess der molekularen Selbstanordnung wird eingehend durch den Vergleich eines aromatischen Moleküls und seines vierfach chlorierten Derivates gezeigt. Für diese beiden Moleküle wurde ein deutlich unterschiedliches Verhalten der Selbstanordnung beobachtet. Es wird gezeigt, dass die Fähigkeit zur Bildung selbst angeordneter, stabiler Inseln entscheidend durch die Substituenten und die Abmessungen des Moleküls beeinflusst wird. Auch wird in dieser Arbeit die erste photochemische Reaktion organischer Moleküle auf einem Isolator gezeigt. Qualitative und quantitative Ergebnisse liefern ein detailliertes Bild darüber, wie die Abmessungen des Substratgitters die Richtung der Reaktion gezielt beeinflussen. Des Weiteren wird ein allgemeines Konzept zur selektiven Stabilisierung selbstangeordneter Molekülstrukturen durch den kontrollierten Transfer von Elektronen präsentiert. Durch die gezielte Steuerung der Menge an Dotierungsatomen wird die Desorptionstemperatur der molekularen Inseln signifikant erhöht und das Desorptionsverhalten der Inseln entschieden verändert. Diese Arbeit präsentiert somit erfolgreich durchgeführte Strategien um den Prozess der molekularen Selbstanordnung zu steuern, sowie entscheidende Mechanismen um die Stabilisierung und Modifizierung von selbst angeordneten Strukturen zu gewährleisten.

Homeorhetic assemblies: turning beehive formation dynamics into high-res tectonics

Homeorhetic Assemblies indaga le potenzialità tettoniche ed architettoniche derivanti dallo studio dei sistemi biologici decentralizzati, dei loro comportamenti e delle relazioni dinamiche con la colonia in termini di processi adattativi e costruttivi continui nel tempo. La ragione di questo interesse è radicata nei principi dell’ecologia applicata al design ed alle tecnologie di fabbricazione contemporanee, che vanno al di là della mera imitazione formale: ci si è quindi chiesto come raggiungere una spazialità complessa ed articolata, omogeneità di prestazioni ed una struttura continua caratterizzata da molti elementi aventi le stesse caratteristiche di forma e materiale. L’ecologia è lo studio di un insieme di economie, ovvero rapporti di scambio, tra un organismo ed il suo ambiente e l’efficenza dei pattern distributivi che derivano da queste relazioni sono fondamentali al fine del successo evolutivo del sistema stesso. I sistemi su cui ci si è concentrati sono caratterizzati dalla capacità di creare strutture a buon mercato (con l’uso di istruzioni semplici ed un unico materiale) e ad elevato grado di complessità ed efficienza, armonizzando l’aspetto formale con l’organizzazione materica e fisiologica. Il modello di comportamento considerato riguarda le dinamiche alla base della creazione degli alveari naturali creati dalle api millifere. Queste caratteristiche sono state codificate nella programmazione di un sistema multi agente composto da agenti autonomi in grado di interagire in un ambiente eterogeneo e capaci di depositare selettivamente elementi in una struttura composta da springs e particles, periodicamente stabilizzata ed ottimizzata. In un tale sistema, a priori sono note solo le relazioni locali per i singoli agenti ed il comportamento strutturale generale, mentre gli oggetti e gli eventi emergono in maniera non predeterminata come risultato di queste interazioni nello spazio e nel tempo. I risultati appaiono estremamente complessi ed eterogenei nella loro organizzazione spaziale, pur emergendo un set di elementi identificabili nella loro specifica singolarità (come ad esempio superfici, colonne, capriate etc...) ma che generano strutture continue, e creano grande differenziazione di densità e di disposizione dei singoli elementi all’interno della struttura. La ridondanza strutturale ottenuta è una scelta deliberata e permessa dall’automatizzazione della fase di costruzione attraverso la programmazione di robot, tramite i quali si intende realizzare un prototipo fisico delle strutture ottenute.

Enhanced Sensitivity by Nonuniform Sampling Enables Multidimensional MAS NMR Spectroscopy of Protein Assemblies

We report dramatic sensitivity enhancements in multidimensional MAS NMR spectra by the use of nonuniform sampling (NUS) and introduce maximum entropy interpolation (MINT) processing that assures the linearity between the time and frequency domains of the NUS acquired data sets. A systematic analysis of sensitivity and resolution in 2D and 3D NUS spectra reveals that with NUS, at least 1.5- to 2-fold sensitivity enhancement can be attained in each indirect dimension without compromising the spectral resolution. These enhancements are similar to or higher than those attained by the newest-generation commercial cryogenic probes. We explore the benefits of this NUS/MaxEnt approach in proteins and protein assemblies using 1-73-(U-C-13,N-15)/74-108-(U-N-15) Escherichia coil thioredoxin reassembly. We demonstrate that in thioredoxin reassembly, NUS permits acquisition of high-quality 3D-NCACX spectra, which are inaccessible with conventional sampling due to prohibitively long experiment times. Of critical importance, issues that hinder NUS-based SNR enhancement in 3D-NMR of liquids are mitigated in the study of solid samples in which theoretical enhancements on the order of 3-4 fold are accessible by compounding the NUS-based SNR enhancement of each indirect dimension. NUS/MINT is anticipated to be widely applicable and advantageous for multidimensional heteronuclear MAS NMR spectroscopy of proteins, protein assemblies, and other biological systems.

Racemates revisited: heterochiral assemblies and the example of DL-thalidomide

The existence of racemic compounds, comprised of pairs of opposite enantiomers as discrete molecular entities, has been accepted for over a century. However, their ability to remain as associated dimers when in solution is uncertain, if not generally doubted. In this article, data has been assembled to provide evidence for the presence of intact dimeric heterochiral assemblies in solution and presents DL-thalidomide as a probable example of this phenomenon.

The supramolecular assemblies of voltage-dependent anion channels in the native membrane

Voltage-dependent anion channels (VDACs) are major constituents of the outer mitochondrial membrane (OMM). These primary transporters of nucleotides, ions and metabolites mediate a substantial portion of the OMM molecular traffic. To study the native supramolecular organization of the VDAC, we have isolated, characterized and imaged OMMs from potato tubers. SDS-PAGE and mass spectrometry of OMMs revealed the presence of the VDAC isoforms POM34 and POM36, as well as the translocase of the OMM complex. Tubular two-dimensional crystals of the VDAC spontaneously formed after incubation of OMMs for two to three months at 4 degrees C. Transmission electron microscopy revealed an oblique lattice and unit cells housing six circular depressions arranged in a hexagon. Atomic force microscopy of freshly isolated OMMs demonstrated (i) the existence of monomers to tetramers, hexamers and higher oligomers of the VDAC and (ii) its spatial arrangement within the oligomers in the native membrane. We discuss the importance of the observed oligomerization for modulation of the VDAC function, for the binding of hexokinase and creatine kinase to the OMM and for mitochondria-mediated apoptosis.

Subcritical Propagation and Coalescence of Oil-Filled Cracks: Getting the Oil Out of Low-Permeability Source Rocks

We use a fracture mechanics model to study subcritical propagation and coalescence of single and collinear oil-filled cracks during conversion of kerogen to oil. The subcritical propagation distance, propagation duration, crack coalescence and excess oil pressure in the crack are determined using the fracture mechanics model together with the kinetics of kerogen-oil transformation. The propagation duration for the single crack is governed by the transformation kinetics whereas the propagation duration for the multiple collinear cracks may vary by two orders of magnitude depending on initial crack spacing. A large amount of kerogen (>90%) remains unconverted when the collinear cracks coalesce and the new, larger cracks resulting from coalescence will continue to propagate with continued kerogen-oil conversion. The excess oil pressure on the crack surfaces drops precipitously when the collinear cracks are about to coalesce, and crack propagation duration and oil pressure on the crack surfaces are strongly dependent on temperature. Citation: Jin, Z.-H., S. E. Johnson, and Z. Q. Fan (2010), Subcritical propagation and coalescence of oil-filled cracks: Getting the oil out of low-permeability source rocks, Geophys. Res. Lett., 37, L01305, doi:10.1029/2009GL041576.

The Biological Side of Water-Soluble Arene Ruthenium Assemblies

This review article covers the synthetic strategies, structural aspects, and host-guest properties of ruthenium metalla-assemblies, with a special focus on their use as drug delivery vectors. The two-dimensional metalla-rectangles show interesting host-guest possibilities but seem less appropriate for being used as drug carriers. On the other hand, metalla-prisms allow encapsulation and possible targeted release of bioactive molecules and consequently show some potential as drug delivery vectors. The reactivity of these metalla-prisms can be fine-tuned to allow a fine control of the guest’s release. The larger metalla-cubes can be used to stabilize the formation of G-quadruplex DNA and can be used to encapsulate and release photoactive molecules such as porphins. These metalla-assemblies demonstrate great prospective in photodynamic therapy.