Funktionale DNA-Architekturen - Synthese und optische Charakterisierung neuer Chromophor- und Fullerenkonjugate

Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurden durch die Modifikation von Nukleosiden supramolekulare, DNA-templierte Architekturen aufgebaut, mithilfe unterschiedlicher optischer Spektroskopiemethoden charakterisiert und deren Anwendung in der organischen Elektronik untersucht. Im ersten Teil wurde ein bichromophores DNA-Aggregat entwickelt, dessen struktureller Aufbau mithilfe des DNA-Templates bestimmt wird und die optischen Eigenschaften somit eingestellt werden können. Zudem wurde ein nukleosidmodifiziertes Fulleren-Derivat synthetisiert und dessen Wechselwirkung mit DNA sowie dessen Akzeptoreigenschaften untersucht. In einem weiteren Projekt wurde die Struktur bekannter funktionaler Chromophor-DNA-Aggregate innerhalb Schichten CD-spektroskopisch charakterisiert und diese Aggregate zusammen mit dem Fulleren-Derivat als aktive Schicht in organischen Solarzellen eingesetzt. Abschließend sollte das Farbspektrum erweitert und das Assemblierungsverhalten von chromophormodifizierten Nukleosiden näher untersucht werden. Dafür wurden vier Perylenbisimid-Derivate synthetisiert und deren DNA-templierte Assemblierung sowie die Struktur der ausgebildeten Aggregate spektroskopisch analysiert

Funktionelle DNA-Bausteine: GFP-Chromophor, pyrenmodifiziertes 2\u27-Desoxyuridin und bioorthogonale Nukleosidtriphosphate

Die Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer funktioneller DNA-Bausteine. Das GFP-Chromophor dient als Basis für eine fluoreszente Sonde mit großer apparenter Stokes-Verschiebung aufgrund eines Nukleinsäure-kontrollierten Protonentransfers im angeregten Zustand. Neue bioorthogonale Triphosphate werden für postsynthetische Click-Reaktionen verwendet und photoinduzierter Elektronentransfer in LNA wird mit einem pyrenmodifiziertem 2\u27-Desoxyuridin als Elektronendonor untersucht

Conformation and dynamics of RNA monitored via fluorescent dye molecules

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der konformationellen und elektronischen Eigenschaften sowie der Dynamik verschiedener RNA-Systeme. Zur Durchführung dieser Experimente wurde zusätzlich zu bereits vorhandenen statischen und zeitaufgelösten Absorptionsspektrometern im Rahmen dieser Arbeit eine Apparatur zur Messung von Fluoreszenzlebensdauern entwickelt, die durch die integrative Verwendung zweier verschiedener, etablierter Technologien (TCSPC und Aufkonvertierung) über einen weiten Zeitbereich von 9 Größenordnungen (100 fs - 0,1 ms) operiert. Mit diesem Aufbau konnten neben den RNA-Studien wichtige Beiträge zum Verständnis der Isomerisierung eines Retinalproteins, des Transportprozess des Membrantransportproteins TbSMR und der im Infraroten liegenden Fluoreszenz des Radikalkations von Astaxanthin gewonnen werden. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt auf der Untersuchung verschiedener RNA-Systeme: So werden die optischen Eigenschaften einer 1-Ethinylpyren-modifzierten RNA-Adeninbase allein und in RNA-Strängen eingebunden untersucht. Statische Fluoreszenzmessungen zeigen einen ausgeprägten Ladungstransfercharakter des Chromophors und eine generell große Wechselwirkung zwischen Ethinylpyren und Adenin, die in einer substanziellen Änderung der optischen Eigenschaften des Pyrens resultiert. Die Untersuchung der schnellen Photodynamik von Pyrenadenin zeigt zudem eine Verringerung der Lebensdauer von Pyren um etwa 2 Größenordnungen. Pyrenadenin zeigt sowohl Fluoreszenz eines neutralen (100-200 ps), als auch eines energetisch tiefer liegenden Ladungstransferzustands (1-2 ns). Die Formationszeit des Ladungstransferzustandes fällt mit steigender Polarität des Lösemittels. Eingebunden in Modell-RNA-Stränge ist Fluoreszenzquantenausbeute des Chromophors ein deutlicher Indikator für seine Interkalation. Nur in der stabileren Umgebung von GC-Basenpaaren ist das Pyren in der Lage, sich dauerhaft innerhalb des Duplex aufzuhalten, während in einer flexibleren AU-Umgebung eine Position außerhalb des RNA-Duplex präferiert wird. Transiente Absorptionsmessungen zeigen, dass die Photophysik des in RNA eingebundenen Pyrenadenins nur kleine Variationen im Vergleich zur Photophysik des Labels allein aufweist. Die deutliche Abnahme der Quantenausbeute des interkalierten Chromophors geht hauptsächlich auf Kosten der langlebigeren Ladungstransferfluoreszenz, so dass interkaliertes Pyren insgesamt schneller in den Grundzustand zurückkehrt als nicht interkaliertes. Mit Hilfe eines doppelt modifizierten Duplex, bei dem sich jeweils ein Farbstoff an einem der beiden Stränge befindet, kann nachgewiesen werden, dass aufgrund von Exzimerwechselwirkungen eine Verschiebung des Fluoreszenzmaximums von 35 nm auftritt. Kurzzeitspektroskopische Messungen zeigen Signale, die als Superposition von Monomeren und Exzimeren interpretiert werden können, wobei die Lebensdauer des letzteren mit 18,5 ns die der Monomerkomponente um ein Vielfaches übertrifft. Ein weiterer Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit einer Studie zur Bindung des fluoreszenten Liganden Tetrazyklin an das Tetrazyklin bindende Aptamer. Hier wird auf Basis verschiedener Mutanten mit Hilfe des TCSPC eine Analyse der Stabilität der Bindetasche sowie mit der Stopped-Flow-Methode eine Beobachtung des Bindungsprozesses durchgeführt. Insgesamt folgt die Bindung des Tetrazyklins an das Aptamer einer zweistufigen Kinetik, deren zweiter Schritt irreversibel ist. Die Bindung läuft, verglichen mit anderen Aptameren, sehr schnell ab. Während die Mutationen von A13 und A50,die direkte Kontakte zum Substrat bilden, nur einen leichten Einfluss auf beide Bindungsschritte ausüben, führt eine Mutation der für die Präformation verantwortlichen Base A9 zu einer Verlangsamung des Bindungsprozesses um mehr als einen Faktor 20 durch eine immens gesteigerten Rückreaktionsrate des ersten Bindungsschritts. Hieraus lässt sich schließen, dass bei fehlender Präformation des Aptamers nur wenige Tetrazyklinmoleküle ein für vollständige Bindung geeignetes Aptamer vorfinden. Die Bindung an A13 und A50 geschieht bereits im ersten Schritt des Bindungsprozesses. Ferner konnte anhand von Lebensdauermessungen gezeigt werden, dass nach dem Wildtyp die Mutante A9G die stabilste Bindetasche aufwies. Das Fehlen eines direkten Kontaktes wirkt sich deutlich stärker aus. Insbesondere führt die Abwesenheit der Fixierung des Gegenions durch A50 zu der instabilsten Bindetasche. Wie in dieser Arbeit gezeigt wird, ist die zeitaufgelöste optische Spektroskopie insbesondere in Verbindung mit fluoreszierenden Molekülen ein ausgezeichnetes Mittel zur Beobachtung von Struktur und Dynamik von RNA. Die Empfindlichkeit von Fluoreszenz auf die Veränderung der Umgebung des Chromophors erlaubt es, Konformationsdynamik und elektronische Konfigurationen in Echtzeit zu beobachten.This thesis treats the examination of the conformational and electronic properties, as well as the dynamics of various RNA systems. These experiments were carried out with static and time resolved absorption spectrometers, as well as with a newly developed fluorescence lifetime measurement setup. This setup operates over 9 orders of magnitude in time (100 fs – 0.1 ms) by applying two different established techniques (TCSPC and Upconversion) using the same hardware. With this setup, valuable contributions could be made to the study of the isomerisation of a retinal protein, the transport process of the membrane transporter TbSMR and the infrared fluorescence of the radical cation of astaxanthin. The focus of this thesis lies on the examination of various RNA-systems. The optical properties of a 1-ethynylpyrene-modified RNA-adenine-base, alone and incorporated into RNA strands, are examined. Static fluorescence measurements show a strong charge transfer character of the chromophore and a generally strong interaction between ethynylpyrene and adenine, which results in a substantial change of the optical properties of pyrene. The observation of the fast photodynamics of pyreneadenine shows a shortening of the overall lifetime of pyrene by 2 orders of magnitude. Pyreneadenine exhibits fluorescence of both a neutral (100-200 ps) and a energetically lower lying charge transfer state (1-2 ns). The formation time of the charge transfer state decreases with rising solvent polarity. Incorporated into model-RNA-strands, the fluorescence quantum efficiency of the chromophore is a significant indicator for its intercalation. Only in the more stable surrounding of GC-base pairs, pyrene is able to effectively remain within the duplex, while in a more flexible AU-surrounding, a position outside of the duplex is preferred. Transient absorption measurements show, that the photophysics of the pyreneadenine incorporated into RNA shows only small variations compared to that of the label alone. The strong decrease of quantum efficiency of the intercalated pyrene is mainly attributed to a quenching of the longer-lived charge transfer fluorescence. Thus, the ground state recovery of intercalated pyrene is faster than that of non-intercalated pyrene. With the aid of a doubly modified duplex, where a pyrene is located on each strand, it can be shown, that a shift of the fluorescence maximum of 35 nm occurs due to excimer interactions. Ultrafast spectroscopy shows signals, which can be interpreted as a superposition of monomer and excimer characteristics. The lifetime of the latter was found to be 18.5 ns and thus exceeds that of the monomer components by a multiple. The second part of this work discusses the binding of the fluorescent ligand tetracycline to the tetracycline binding aptamer. Here, on the basis of various mutants, an analysis of the stability of the binding pocket is carried out via TCSPC, and the stopped-flow method is used to monitor the binding process. Generally speaking, the binding of the tetracycline to the aptamer follows a two-step process with a irreversible second step. The binding is fast, compared to that of other aptamers. While the mutations of A13 and A50, which form direct contacts to the substrate, exert only small influences on both binding steps, indicating, that the binding to both bases occurs during the first binding step, the mutation of the base A9, which is responsible for the preformation, leads to a slowing of the binding process by a factor of 20, due to a strongly enhanced backreaction rate of the first step. This leads to the conclusion, that in this case, only few tetracycline molecules are able to find an aptamer, which is suited for complete binding. In addition to this, lifetime measurements showed, that of all mutants, the mutant A9G provides the most stable binding pocket. The mutation of direct contacts lead to more instable binding pockets, the least stable pocket is found in A50U. This may be due to the fact, that the attachment of the tetracycline counterion via A50 imposes the strongest restriction upon the flexibility of the tetracycline. This work shows, that time-resolved optical spectroscopy, especially together with fluorescent molecules, are a valuable tool for monitoring the structure and dynamics of RNA. The sensitivity of fluorescence on environmental factors allows the observation of conformational dynamics and electronic configurations in real time

Molekülstruktur und spektroskopische Eigenschaften des Kekulens

Beträchtliche Bindungslokalisation im Kekulen (1) wurde durch Röntgen-Strukturanalyse nachgewiesen: Nur jeder zweite Ring ist "aromatisch". Dieser zunächst überraschende Befund ist mit einigen spektroskopischen Eigenschaften von (1) in Einklang

Pentaleno[2.1.6-def]heptalen, ein nichtbenzoides Isomeres des Pyrens

Polycyclisch konjugierte, nichtbenzoide Kohlenwasserstoffe beanspruchen im Zusammenhang mit der Frage nach den Beziehungen zwischen Konstitution und ,,aromatischem" Charakter theoretisches Interesse [1]

Darstellung und Untersuchung cheletroper Fängersysteme für Stickstoffmonoxid

Zugriff auf den Volltext ist aus datenschutzrechtlichen Gründen gesperrt, neue Version unter DuEPublico-ID 47956 Kondensierte Aromaten sind häufig gute Fluorophore. Es ist in den letzten Jahren gelungen, o-Chinodimethanderivate zu konzipieren, die nach NO-Fixierung und Reduktion des dabei gebildeten Nitroxidradikals ein fluoreszierendes aromatisches System bilden. Dies erlaubt den direkten fluoreszenzspektroskopischen Nachweis von Stickstoffmonoxid. Diese Art von Stickstoffmonoxid-Fängern wurde als „Fluorescent Nitric Oxide Cheletropic Trap“ (FNOCT) bezeichnet. Besonders wichtig ist, dass nach Reaktion mit NO und Reduktion des Radikals ein intensives und leicht beobachtbares Fluoreszenzsignal entsteht. Die strukturelle Gemeinsamkeit der bisher synthetisierten Fängersysteme war zum einen das Phenanthrensystem als Fluorophor und zum anderen die Phenylgruppen am cheletropen Fängerzentrum. Diese Phenylgruppen wurden durch Methyl- sowie Carboxymethylester-Gruppen substituiert um die Wasserlöslichkeit zu verbessern, da die Lipophilie durch Einführen geeigneter Gruppen verringert werden könnte. Es zeigte sich, das die Methylgruppe oder Carboxygruppe einen desaktivierenden Effekt auf den NO-Abfang ausübt. Weitere substituierte Derivate sind wünschenswert, um die Palette verfügbarer Abfangreagenzien zu vergrößern und die Eigenschaften zu verbessern. Es wurde deshalb untersucht, ob die Konzeption eines Nachweises von NO analog der bekannten Fängersysteme auf der Basis von Pyren als Fluorophor möglich ist. Die Vergrößerung des aromatischen Systems konnte erfolgreich durchgeführt werden. Die Pyrensysteme zeigten eine Fluoreszenzverschiebung in den bathochromen Bereich. Gleichzeitig erhöhte sich die Quantenausbeute und die Sensitivität der FNOCT-Methode. Die NO-Abfangversuche waren ebenfalls erfolgreich. Durch das Pyrensystem verschiebt sich das Maximum der Anregungswellenlänge der Hydroxylamine bathochrom um ca. 50 nm, verglichen mit der unsubstituierten Phenanthrenverbindung. Die Verbindungen können in Phosphatpuffer pH 7.30 im Bereich von 350 nm angeregt werden und zeigen somit eine ausreichend langwellige Fluoreszenz bei 380 nm bis 420 nm für den Einsatz im biologischen System

Responsive Materialien auf Basis von Pyren

In der vorliegenden Arbeit wurden neuartige Alkoxy-modifizierte 2,7-Di-tert-butyl-4,5,9,10-tetra(arylethinyl)pyrene mittels einer einfachen SONOGASHIRA-Kupplungs-Methode synthetisiert und die Kristallstruktur sowie die photophysikalischen Eigenschaften abhängig vom Substitutionsmuster untersucht. Anhand der Einkristallstrukturen wurden eine koplanare Ausrichtung benachbarter Moleküle sowie das Auftreten von π-π-Wechselwirkungen in der molekularen Packung der Pyrene beobachtet. Weiterhin wurde festgestellt, dass die thermischen Eigenschaften und die kristalline Struktur sowie das Aggregationsverhalten maßgeblich vom Substitutions-muster am Pyrenkern beeinflusst werden. Die Wahl der Substituenten übte ebenfalls Einfluss auf das Emissionsverhalten aus. Des Weiteren wurden in dieser Arbeit neue Einkomponenten Sensoren auf Basis von Pyren-modifizierten Polymeren für die selektive Detektion von Proteinen hergestellt. In wässrigen Lösungen wurde aufgrund von hydrophoben Wechselwirkungen zwischen den DMAEMA- und Pyren-Einheiten die Bildung von Polymeraggregaten beobachtet, welche das Auftreten von zwei Emissionsbanden bei 394 und 488 nm bewirkenDurch Erstellen eines optischen Fingerabdrucks anhand der Intensitätsänderungen der Monomer- und Excimeremission des Pyrens und der Auswertung mittels linearer Diskriminanzanalyse (LDA), konnten verschiedene Metall- und Nichtmetallporteine selektiv differenziert werden.In this work the influence of the substitution pattern on the photophysical properties and the crystalline structure of novel alkyloxy modified 2,7-di-tert-butyl-4,5,9,10-tetra(arylethynyl)pyrenes were studied. The pyrene derivatives have been synthesized by a straightforward SONOGASHIRA coupling methodology. A co-planar stacking of chromophores stabilized by π–π-interactions in the crystal structure was revealed by single-crystal X-ray and computational analyses. The aggregation behavior, the thermal properties and the crystalline packing were strongly influenced by the number and chainlength of the attached alkylether substituents in the periphery of the pyrene core. The choice of different substituents also effected the emission properties. Furthermore, this work presents the synthesis of a novel pyrene-based polymer and its application as an efficient protein sensor. Hydrophobic interactions between the pyrene groups and/or uncharged DMAEMA moieties led to the formation of polymer aggregates in aqueous solution. This aggregation behavior resulted in a dual emissive state with a pyrene monomer emission at 394 nm and the characteristic red-shifted excimer fluorescence at 488 nm. The specific discrimination of various non-metallo- and metallo proteins was realized by using an optical fingerprint approach combined with linear discriminant analysis (LDA) based on the spectral changes of both emission intensities caused by non-specific interactions with the analyte

Azuleno[8,8a,1,2-def]heptalen

Die Darstellung von Methyl-Derivaten des noch nicht bekannten Azuleno[8.8a,1,2-dej]heptalens (Dicyclohept[cd-ij]-azulen) (1a) gelingt mit Hilfe eines einfachen Syntheseprinzips, das sich mehrfach bereits bei der Herstellung polycyclisch konjugierter nichtbenzoider Systeme bewährte[¹]