Visible Light-Triggered Precursor Molecules: Relating Reactivity and Ultrafast Dynamics

Die vorliegende Untersuchung konzentriert sich auf Korrelationen zwischen Reaktivität und ultraschneller Dynamik für zwei Arten von reaktionsauslösenden Molekülen, welche mit sichtbarem Licht angeregt werden können. $\\$ In einer ersten Untersuchung wurde eine Bibliothek von vierzehn Acylgermanen sowie einem Tetramesitoylstannan mittels gepulster Laser Polymerisation, gekoppelt mit Elektrosprüh-Ionisations-Massenspektrometrie (PLP-ESI-MS), transienter Breitbandabsorptionsspektroskopie (fs-TA) und zeitabhängiger Dichtefunktionaltheorie (TDDFT) in Nettoinitiierungseffizienz und ultraschneller Dynamik charakterisiert. Es handelt sich bei den untersuchten Verbindungen um Norrish Typ I Photoinitiatoren, welche für photoinduzierte freie radikalische Polymerisation (FRP) im Wellenlängenbereich von 400-490 nm verwendet werden. Bei der Untersuchung der Nettoinitierungseffizienz von Mono-, Bis- und Tetraccylgermane wurde ein herausragender nicht-stöchiometrischer Anstieg von 40-100 % beobachtet, welcher mit der Anzahl an Benzoyleinheiten skaliert. Zum Beispiel konnte ein Faktor von 8.13 $\pm$ 0.76 für ein Tetrabenzoylgerman im Vergleich zu einem Benzoyltrimethylgerman bestimmt werden. Die am höchsten beobachtete Nettoinitiierungseffizienz für Tetraacylgermane korreliert dabei mit einer deutlich schnelleren primären Radikalbildung innerhalb von 70-127 ps im Unterschied zu Bis- und Monoacylgermanen, welche vermultich auf einer ns-Skala spalten. Außerdem zeigen Bis- und Tetraacylgermane ein ausgeprägtes Mehrfachspaltungsverhalten, welches mittels einer neu entwickelten Vorhersagemethode für Isotopenmuster von n-armigen Sternpolymeren nachgewiesen wurde. Die beobachtete Größenabhängigkeit korreliert teilweise mit den nπ*-Extinktionskoeffizienten. Allerdings führen Substitutionsmuster in para-Position der Benzoyleinheiten zu größeren Abweichungen von 20-50 %, die durch einen starken Einfluss der Substituenten auf die Potentialhyperflächen in den angeregten Zustän-den verursacht werden. Eine Modellstudie an fünf $\textit{para}$-substituierten Benzoyltrimethylgerman-Derivaten zeigt, dass Initiatoren mit Elektronen-ziehenden Gruppen (Cyano, Nitro) eine schnelle Relaxation mittels innerer Konversion (IC) innerhalb von 2-12 ps zurück in den Grundzustand bevorzugen, was mit einer schwachen Initiierungseffizient korreliert (Monomerumsatz von 0.1-1 % bei maximalen Einstrahlungsenergien von ~110 J). Dagegen offenbarten Initiatoren mit Elektronen-dückenden ${\it para}$-Substituenten (Fluoro, Methoxy) eine ultraschnelle Interkombination (ISC) in angeregte Triplettzustände innerhalb von 2-4 ps. Dieser Befund kann dabei mit einer effizienten Initiierung in FRP korreliert werden (Monomerumsatz von 4-5 % bei ma-ximalen Einstrahlungsenergien von ~30 J). $\\$ Das Tetramesitoylstannan weißt eine um den Faktor 0.5 reduzierte Nettoinitiierungseffizienz im Vergleich zum Tetrabenzoylgerman auf. Die Ursache liegt dafür in einer geringeren Grundzustandsstabilität sowie einer dominierenden Singulett-Relaxation (90 %) innerhalb von hunderten von fs, die in Konkurrenz zu einem ISC und möglicher Radikalbildung steht. $\\$ In einer zweiten Studie wurden die mit sichtbarem Licht anregbaren 2-Phenyl-5-Pyren- (PyTet), 2-Phenyl-5-Biphenyl- (BiphTet) und ein UV-anregbares 2,5-Diphenyl-Tetrazol (Tet) gelöst in Dichloromethane (DCM) mittels fs-TA untersucht. Die Verbindungen werden als Startermoleküle in Nitril-Imin-vermittelte Tetrazol-Ene Zykloadditionen (NITEC) eingesetzt. In Übereinstimmung mit hohen Fluoreszenzquantenausbeuten Φ$_F$ von ~8 und 11 %, sowie mit Lebenszeiten von 1.3 beziehungsweise 1.8 ns zeigen die transienten Spektren von PyTet und BiphTet eine dominierende Singulettdynamik nach Anregung mit sichtbarem Licht bei 400 nm. Durch die Fluoreszenzlöschenden Eigenschaften von Iodethan wurde ein langlebiger Triplettzustand in PyTet im Einklang mit reduzierten Φ$_F$ von 8.3 nach 6.7 % nachgewiesen. In Konsistenz mit dem nicht-fluoreszierenden Referenzsystem Tet zeigt PyTet folglich ein ultraschnelles ISC innerhalb von ~500 fs. Im Unterschied dazu ist das transiente Spektrum von BiphTet ausschließlich von einer Singulettdynamik dominiert. Im Vergleich zu Literatur-bekannten Reaktionseingenschaften von PyTet und Tet kann die Bildung des Nitril-Imin-Intermediates aus einem angeregten Triplettzustand angenommen werden, während BiphTet mittels Sigulettrelaxation deaktiviert wird. $\\$ In der voliegenden Arbeit wurde damit der tiefgreifende Zusammenhang zwischen Reaktivität und ultraschneller Dynamik an zwei beispielhaften Studien verdeutlicht

Influence of Sulfoxide Group Placement on Polypeptide Conformational Stability.

The synthesis of a homologous series containing five new nonionic sulfoxide containing polypeptides was described. Sulfoxide groups bestowed water solubility for all homologues, which allowed their use as a model for study of helix-coil transitions in water while avoiding contributions from charged groups or phase separation. Polypeptides were found to adopt chain conformations in water that were dependent on distance of sulfoxides from chain backbones, overall side-chain lengths, and solvent. These results allow preparation of polypeptide segments with different chain conformations without changing chemical functionality for potential use in structural studies and functional applications

A global profile of replicative polymerase usage

Three eukaryotic DNA polymerases are essential for genome replication. Polymerase (Pol) α–primase initiates each synthesis event and is rapidly replaced by processive DNA polymerases: Polɛ replicates the leading strand, whereas Polδ performs lagging-strand synthesis. However, it is not known whether this division of labor is maintained across the whole genome or how uniform it is within single replicons. Using Schizosaccharomyces pombe, we have developed a polymerase usage sequencing (Pu-seq) strategy to map polymerase usage genome wide. Pu-seq provides direct replication-origin location and efficiency data and indirect estimates of replication timing. We confirm that the division of labor is broadly maintained across an entire genome. However, our data suggest a subtle variability in the usage of the two polymerases within individual replicons. We propose that this results from occasional leading-strand initiation by Polδ followed by exchange for Polɛ

The polymerisation of oligo(ethylene glycol methyl ether) methacrylate from a multifunctional poly(ethylene imine) derived amide: a stabiliser for the synthesis and dispersion of magnetite nanoparticles

A facile synthetic route to poly(ethylene imine)-graft-poly(oligo(ethylene glycol methyl ether)) (PEI-graft-POEGMA) functionalised superparamagnetic magnetite nanoparticles is described. The polymerisation of OEGMA from a model molecular amide demonstrated the feasibility of POEGMA synthesis under mild ATRP conditions (20 °C in ethanol) albeit with low initiator efficiencies. DFT studies suggest that the amide functionality is intrinsically of lower activity than ester functional monomers and initiators for atom transfer polymerisation (ATRP) as a consequence of higher bond dissociation energies and bond dissociation free energies (BDFE). However these studies further highlighted that use of an appropriate solvent could reduce the free energy of dissociation thereby reducing the relative difference in BDFE between the ester and amide groups. A commercial branched PEI sample was functionalised by reaction with 2-bromo-2-methylpropanoyl bromide giving an amide macroinitiator suitable for the atom transfer radical polymerisation (ATRP) of oligo(ethylene glycol methyl ether) methacrylate. The resulting PEI-graft-POEGMA copolymers were characterised by SEC, FT-IR and 1H and 13C NMR spectroscopy. PEI-graft-POEGMA coated magnetite nanoparticles were synthesised by a basic aqueous co-precipitation method and were characterised by transmission electron microscopy, thermogravimetric analysis and vibrating sample magnetometry and dynamic light scattering. These copolymer coated magnetite nanoparticles were demonstrated to be effectively stabilised in an aqueous medium. Overall the particle sizes and magnetic and physical properties of the coated samples were similar to those of uncoated samples

Translation elongation can control translation initiation on eukaryotic mRNAs

Synonymous codons encode the same amino acid, but differ in other biophysical properties. The evolutionary selection of codons whose properties are optimal for a cell generates the phenomenon of codon bias. Although recent studies have shown strong effects of codon usage changes on protein expression levels and cellular physiology, no translational control mechanism is known that links codon usage to protein expression levels. Here, we demonstrate a novel translational control mechanism that responds to the speed of ribosome movement immediately after the start codon. High initiation rates are only possible if start codons are liberated sufficiently fast, thus accounting for the observation that fast codons are overrepresented in highly expressed proteins. In contrast, slow codons lead to slow liberation of the start codon by initiating ribosomes, thereby interfering with efficient translation initiation. Codon usage thus evolved as a means to optimise translation on individual mRNAs, as well as global optimisation of ribosome availability

HCV IRES manipulates the ribosome to promote the switch from translation initiation to elongation.

The internal ribosome entry site (IRES) of the hepatitis C virus (HCV) drives noncanonical initiation of protein synthesis necessary for viral replication. Functional studies of the HCV IRES have focused on 80S ribosome formation but have not explored its role after the 80S ribosome is poised at the start codon. Here, we report that mutations of an IRES domain that docks in the 40S subunit's decoding groove cause only a local perturbation in IRES structure and result in conformational changes in the IRES-rabbit 40S subunit complex. Functionally, the mutations decrease IRES activity by inhibiting the first ribosomal translocation event, and modeling results suggest that this effect occurs through an interaction with a single ribosomal protein. The ability of the HCV IRES to manipulate the ribosome provides insight into how the ribosome's structure and function can be altered by bound RNAs, including those derived from cellular invaders

Quantifying the Reactivity of Photolytically Generated Radicals Towards Vinylic Monomers via Electrospray Ionization-Mass Spectrometry

Exact knowledge of the reactivity of photolytically generated radicals towards initiating free radical polymerization processes is still scarce. In here, quantitative coupled size-exclusion chromatography (SEC) - electrospray ionization-mass spectrometry (ESI-MS) as well as direct infusion ESI-MS was employed to obtain the propensity of variable photolytically generated radical species to initiate macromolecular growth

Improved Ribosome-Footprint and mRNA Measurements Provide Insights into Dynamics and Regulation of Yeast Translation

Ribosome-footprint profiling provides genome-wide snapshots of translation, but technical challenges can confound its analysis. Here, we use improved methods to obtain ribosome-footprint profiles and mRNA abundances that more faithfully reflect gene expression in Saccharomyces cerevisiae. Our results support proposals that both the beginning of coding regions and codons matching rare tRNAs are more slowly translated. They also indicate that emergent polypeptides with as few as three basic residues within a ten-residue window tend to slow translation. With the improved mRNA measurements, the variation attributable to translational control in exponentially growing yeast was less than previously reported, and most of this variation could be predicted with a simple model that considered mRNA abundance, upstream open reading frames, cap-proximal structure and nucleotide composition, and lengths of the coding and 50 UTRs. Collectively, our results provide a framework for executing and interpreting ribosome-profiling studies and reveal key features of translational control in yeast.UCSF Program for Breakthrough Biomedical Research - Sandler FoundationNIH DP5OD017895, GM061835Burroughs Wellcome FundDavid and LucilePackard FoundationUS Department of the Interior Grant D12AP00025US Army Research Office W911NF-12-1-0552Cellular and Molecular Biolog