Phase behaviour of DNA in presence of DNA-binding proteins

To characterize the thermodynamical equilibrium of DNA chains interacting with a solution of non-specific binding proteins, a Flory-Huggins free energy model was implemented. We explored the dependence on DNA and protein concentrations of the DNA collapse. For physiologically relevant values of the DNA-protein affinity, this collapse gives rise to a biphasic regime with a dense and a dilute phase; the corresponding phase diagram was computed. Using an approach based on Hamiltonian paths, we show that the dense phase has either a molten globule or a crystalline structure, depending on the DNA bending rigidity, which is influenced by the ionic strength. These results are valid at the thermodynamical equilibrium and should therefore be consistent with many biological processes, whose characteristic timescales range typically from 1 ms to 10 s. Our model may thus be applied to biological phenomena that involve DNA-binding proteins, such as DNA condensation with crystalline order, which occurs in some bacteria to protect their chromosome from detrimental factors; or transcription initiation, which occurs in clusters called transcription factories that are reminiscent of the dense phase characterized in this study.Comment: 20 pages, 9 figures, accepted for publication at The Biophysical Journa

Photo- And Thermally Driven Ligation Techniques And Their Application In Step-Growth Polymerization Of Bioinspired And Synthetic Materials

In der vorliegenden Arbeit werden neue Konzepte für Stufenwachstumspolymerisationen im Bereich segmentierter Copolymere und Polymer-Peptide Materialien vorgestellt. Hierfür werden effiziente thermische sowie lichtinduzierte Reaktionen, u.a. Diels-Alder (DA) Reaktionen, als Plattform für Polymerisations- und bioorthogonale Reaktionen verwendet. Zusätzlich wird eine reversible ortsaufgelöste Oberflächenfunktionalisierung mit speziellen Peptiden gezeigt. Zunächst werden Stufenwachstumspolymerisationen durchgeführt, wobei zwei verschiedene DA Reaktionen mit AA/BB-Monomersystemen angewandt werden, um die daraus resultierenden Stufenwachstumspolymere als Templat für die reversible Additions-Fragmentierungs Kettenübertragungs (RAFT) Polymerisation einzusetzen. Im Falle der lichtinduzierten DA Reaktionen werden difunktionale ortho-Methyl Benzaldehyd Monomere in Kombination mit Difumaraten Monomeren unter UV-Lichteinstrahlung polymerisiert. Bei der Polymerisation werden multiple Trithiocarbonat Gruppen in die Wiederholeinheit und in das Rückgrat des Polymers eingebaut, welche zuvor im Difumarat Monomer vorhanden sind. Dadurch kann das Stufenpolymer ohne Postmodifikation direkt als Templat für die RAFT Polymerisation eingesetzt werden, wodurch segmentierte Copolymere generiert werden. In einer detaillierten Studie werden das Stufen- sowie das RAFT-Polymer in Kooperation mit Prof. D´hooge von der Universität Gent in in silico Berechnungen untersucht um einen tieferen Einblick in den Polymerisationsprozess zu gewinnen. Des Weiteren können die Berechnungen fundamentale molekulare Eigenschaften der verschiedenen Polymere bestimmen, z.B. die Verteilung der RAFT-Gruppen im Polymer nach der RAFT Polymerisation. Zusätzlich können die Simulationen die experimentellen Parameter für die Polymerisation optimieren, da durch eine Nebenreaktion während des lichtinduzierten Stufenwachstums die Stöchiometrie der Monomere angepasst werden muss. In einem zweiten Stufenwachstumsprozess, ebenfalls ein AA/BB Monomersystem, wird eine thermisch induzierte DA Reaktionen von Dicyclopentadienen und analogen Difumaraten durchgeführt um wohldefinierte Stufenwachstumspolymere zu erzeugen. Hier zeigt der Stufenwachstumsprozess keine Nebenreaktionen und die Effizienz des Systems spiegelt sich in der einfachen Prozedur wider, u.a. durch den simplen Reaktionsaufbau, redundantem Katalysator und Reaktion bei Raumtemperatur. Wie im Falle des lichtinduzierten Systems, wird das thermisch generierte Stufenpolymer als Templat für eine RAFT Polymerisation eingesetzt um wohldefinierte segmentierte Copolymere mit hochmolekularen Spezies zu erhalten. Im zweiten Teil werden Cystein-reiche Domänen (CRDs) als funktionelle Einheit für Stufenwachstumspolymerisation und ortsaufgelöste Oberflächenmodifikation verwendet. CRDs sind kurze Peptide, die mutiple Cysteineinheiten tragen und in der Lage sind intra- oder intermolekulare Disulfidebindungen zu bilden. Diese Disulfidbildungen liegen in einem sensiblen Gleichgewicht vor, welches, abhängig von einem Stimulus oder von den Umgebungsbedingungen, zwischen den Thiolen und den Disulfiden schalten kann (Disulfid-Reshuffling). In der Natur tritt ein Disulfid-Reshuffling von CRDs in einem Stufenwachstums-prozess von Minikollagenen auf, welcher von einem enzymatischen Stimulus ausgelöst wird. Dieser natürliche Stufenwachstumsprozess soll adaptiert werden, indem CRDs einerseits analog für synthetische Stufenwachtumsprozesse verwendet werden, und andererseits um als Entwicklungsmotiv für ortsaufgelöste funktionale Oberflächen zu fungieren. Im Falle der Stufenwachstumsprozesse sollen Polymere mit je zwei CRD-Endgruppen hergestellt werden, die durch Disulfid-Reshuffling eine Stufenwachtsumspolymerisation auslösen. Im ersten Schritt werden die CRDs oxidativ intramolekular gefaltet um die Thiole vor Nebenreaktionen zu schützen. Dann werden an die gefalteten CRD-Einheiten orthogonalen Ankergruppen angebracht, die für die Kopplung an das Polymer geeignet sind. Gleichzeitig werden Polymere mit dem entsprechenden Gegenstück hergestellt. Um die Ligationsmethode zwischen Polymer und Peptid zu prüfen, werden die funktionalen CRDs mit Kleinmolekülen in bioorthogonalen Reaktionen eingesetzt, u.a. DA Reaktionen, Kupfer-katalysierte Azid-Alkin Cycloaddtionen (CuAAC) und Nitril-Imin mediierte Tetrazol-En Cycloadditionen (NITEC). Nach der erfolgreichen Kleinmolekülstudie, werden diese auf polymere Systeme übertagen. Nachdem die Funktionalisierung von CRDs erfolgreich durchgeführt wurde, werden CRDs als reversible Funktionalisierungseinheit für Oberflächenmodifikationen verwendet, wobei hier lichtinduzierte Reaktionen und das Disulfid-Reshuffling angewandt werden. Hierzu wird lichtinduziert im ersten Schritt eine aus Polyethylenglykol bestehende CRD abweisende Schicht auf der Oberfläche angebracht um im zweiten Schritt die CRDs kovalent und ortsaufgelöst auf den nicht CRD-abweisenden Stellen zu immobilisieren. In der nächsten Stufe wird eine speziell funktionalisierte CRD durch Disulfid-Reshuffling aufgebracht, die entsprechend in einem ähnlichen reoxidativen Verfahren wieder von der Oberfläche entfernt wird. Diese speziell funktionale CRD ist mit einer Gruppe versehen, die durch Flugzeit-Sekundärionen Massenspektrometrie (ToF-SIMS) selektiv detektiert werden kann. Nach dem Schreib- bzw. Löschprozess kann die Bildgebung durch ToF-SIMS das erfolgreiche Beschreiben bzw. Entfernen der speziell funktionalen CRD erfolgreich darstellen