Rotación molecular y fotoisomerización de sondas ópticas en polímeros

El objetivo de esta tesis es estudiar rotaciones e isomerizaciones moleculares de sondas ópticas incorporadasen matrices poliméricas. Estos procesos tienen en común el hecho de que involucran grandes movimientosmoleculares, por lo que son sensibles al grado de flexibilidad del entorno y al volumen disponiblepara el movimiento. Las rotaciones moleculares fueron estudiadas a través de medidas de anisotropla de fluorescencia. En unaprimera parte del trabajo se estudió la rotación de una serie de carbocianinas en alcoholes normales con elfin de investigar la dinámica de la rotación molecular. Los resultados mostraron que el régimenhidrodinámico de rotación, así como la influencia de factores no hidrodinámicos como la friccióndieléctrica, depende del grado de interacción soluto-solvente, determinado principalmente por lacapacidad de la cianina de establecer uniones puente de hidrógeno. Por otro lado, se estudió la rotaciónmolecular de una serie de sondas que difieren en forma y tamaño, en una matriz de poliestirenoentrecruzado. Los resultados mostraron que estas sondas pueden realizar amplios movimientos durante eltiempo de vida del estado excitado, con una pequeña restricción que correlaciona con el tamaño de lasonda. Las restricciones al movimiento pueden provenir de interacciones sonda-matriz, o pueden debersea limitaciones en el volumen libre. En una segunda parte del trabajo se estudió el fotocromismo y termocromismo de espiropiranos y espirooxazinasen poli(metacrilatos de alquilo). Estas sustancias isomerizan al ser irradiadas en el UV,formando una merocianina, un isómero coloreado producido por apertura de un ciclo. La merocianinarevierte termicamente a la cerrada, que es la más estable. En el caso del fotocromismo, el trabajo se centróen el estudio de la cinética de la transfromación térmica entre la merocianina y el isómero cerrado. Elobjetivo principal fue analizar las causas por las cuales la matriz provoca desviaciones en la cinéticarespecto del comportamiento monoexponencial observado comúnmente en solución. El análisis cinéticose realizó mediante los modelos habituales de bibliografia, y se elaboró uno nuevo que incorpora ladinámica de la matriz en forma simultánea al decaimiento de la sonda. Los modelos fueron analizadoscomparativamente, y se discuten las ventajas y desventajas de cada uno. En forma similar a lo realizadopara la cinética, en el estudio del termocromismo el objetivo fue el de analizar la influencia de la matrizsobre el equilibrio entre la forma abierta y cerrada, y su dependencia con la temperatura. Los resultadosfueron analizados mediante un modelo que se elaboró en este trabajo para interpretar cuantitativamentelas desviaciones obtenidas respecto del comportamiento observado en los solventes comunes. Estemodelo supone que las distribuciones de energia total de las formas abierta y cerrada es Gaussiana. Por último se estudiaron las propiedades piezoeléctricas y de electrostricción de peliculas delgadas depoli(metacrilato de isobutilo) conteniendo espiropirano y merocianina, con el objetivo de investigar losposibles cambios en las propiedades dieléctricas y mecánicas de la pelicula al inducir la isomerizaciónfotoqulmicamente. Las medidas permitieron detectar un efecto piezoeléctrico fotoinducido y ademásmedir el momento dipolar del fotoisómero directamente en la matriz de polímero, lo cual no habla podidolograrse hasta el momento mediante las técnicas comunes debido a su corto tiempo de vida.The aim of this work is to study molecular rotations and isomerizations of optical probes in polymermatrixes. The common feature of these processes is that they involve big molecular movements, and areconsequently sensitive to the flexibility of the environment and the free volume. Molecular rotations were studied by means of steady state fluorescence anisotropy. In the first part of thework, the rotation of a series of carbocyanines in normal alcohols was studied in order to obtaininformation about the rotation dynamics. Results show that the hydrodynamic regime for rotation, as wellas the influence of non-hydrodynamical factors such as dielectric friction, are dependent on the degree ofsolute-solvent interaction, mainly determined by the hydrogen-bonding capability of the carbocyanine. Molecular rotations were also studied in a crosslinked polystyrene matrix using probes with different sizeand shape. Results show that the probes can perform ample movements during the excited state lifetime,with a small restriction which depends on the probe size. This restriction can be due to interactions of theprobes with the matrix, or may be due to the restricted free volume available for rotation. In the second part of this work, the photochromism and thermoochromism of spiropyrans andspirooxazines were studied in a series of poly(alkyl methacrylates). When these compounds are irradiatedwith UV-light, a ring opens by cleavage of a carbon-oxygen bond leading to the formation of an open-formcolored isomer, which is similar to a merocyanine dye. The merocyanine reverts thermally to theclosed form, which is more stable. In the case of photochromism, the work was focused on the study of the kinetics of the thermal backreaction of merocyanine to spinopyran. The main goal was to analyze the reasons of the matrix-induceddeviations from the simple kinetic behavior observed in most liquids. The kinetic analysis was performedusing models available in the literature, and a new model was developed which takes into account thesimultaneous relaxation of the matrix and the probe. The kinetic models were analyzed comparatively,and the advantages and disadvantages of each one are discussed. In a similar way, the study of thethermochromism was focused on the analysis of the influence of the matrix in the equilibrium between theclosed and open forms, and its temperature dependence. In this case also, a new model was developed inorder to explain the observed deviations from the usual behavior in common solvents. This modelassumes that the closed and open forms have a Gaussian distribution of total energies. In the last part of the work, the piezoelectric and electrostriction properties of a thin film of poly(isobutylmethacrylate) containing spiropyran were studied in order to measure the changes in mechanical anddielectric properties produced as a result of ring opening. These measurements allowed the determinationof the dipole moment of a metastable molecule such as the merocyanine, and revealed a photoinducedpiezoelectric effect.Fil: Levitus, Marcia. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina

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[Abstract unavailable

A new twist on PIFE: photoisomerisation-related fluorescence enhancement

PIFE was first used as an acronym for protein-induced fluorescence enhancement, which refers to the increase in fluorescence observed upon the interaction of a fluorophore, such as a cyanine, with a protein. This fluorescence enhancement is due to changes in the rate of cis/trans photoisomerisation. It is clear now that this mechanism is generally applicable to interactions with any biomolecule and, in this review, we propose that PIFE is thereby renamed according to its fundamental working principle as photoisomerisation-related fluorescence enhancement, keeping the PIFE acronym intact. We discuss the photochemistry of cyanine fluorophores, the mechanism of PIFE, its advantages and limitations, and recent approaches to turn PIFE into a quantitative assay. We provide an overview of its current applications to different biomolecules and discuss potential future uses, including the study of protein-protein interactions, protein-ligand interactions and conformational changes in biomolecules.Comment: No Comment

A new twist on PIFE: photoisomerisation-related fluorescence enhancement

PIFE was first used as an acronym for protein-induced fluorescence enhancement, which refers to the increase in fluorescence observed upon the interaction of a fluorophore, such as a cyanine, with a protein. This fluorescence enhancement is due to changes in the rate of cis/trans photoisomerisation. It is clear now that this mechanism is generally applicable to interactions with any biomolecule and, in this review, we propose that PIFE is thereby renamed according to its fundamental working principle as photoisomerisation-related fluorescence enhancement, keeping the PIFE acronym intact. We discuss the photochemistry of cyanine fluorophores, the mechanism of PIFE, its advantages and limitations, and recent approaches to turn PIFE into a quantitative assay. We provide an overview of its current applications to different biomolecules and discuss potential future uses, including the study of protein-protein interactions, protein-ligand interactions and conformational changes in biomolecules

Precision and accuracy of single-molecule FRET measurements - a multi-laboratory benchmark study

Single-molecule Förster resonance energy transfer (smFRET) is increasingly being used to determine distances, structures, and dynamics of biomolecules in vitro and in vivo. However, generalized protocols and FRET standards to ensure the reproducibility and accuracy of measurements of FRET efficiencies are currently lacking. Here we report the results of a comparative blind study in which 20 labs determined the FRET efficiencies (E) of several dye-labeled DNA duplexes. Using a unified, straightforward method, we obtained FRET efficiencies with s.d. between ±0.02 and ±0.05. We suggest experimental and computational procedures for converting FRET efficiencies into accurate distances, and discuss potential uncertainties in the experiment and the modeling. Our quantitative assessment of the reproducibility of intensity-based smFRET measurements and a unified correction procedure represents an important step toward the validation of distance networks, with the ultimate aim of achieving reliable structural models of biomolecular systems by smFRET-based hybrid methods

Rotación molecular y fotoisomerización de sondas ópticas en polímeros

El objetivo de esta tesis es estudiar rotaciones e isomerizaciones moleculares de sondas ópticas incorporadasen matrices poliméricas. Estos procesos tienen en común el hecho de que involucran grandes movimientosmoleculares, por lo que son sensibles al grado de flexibilidad del entorno y al volumen disponiblepara el movimiento. Las rotaciones moleculares fueron estudiadas a través de medidas de anisotropla de fluorescencia. En unaprimera parte del trabajo se estudió la rotación de una serie de carbocianinas en alcoholes normales con elfin de investigar la dinámica de la rotación molecular. Los resultados mostraron que el régimenhidrodinámico de rotación, así como la influencia de factores no hidrodinámicos como la friccióndieléctrica, depende del grado de interacción soluto-solvente, determinado principalmente por lacapacidad de la cianina de establecer uniones puente de hidrógeno. Por otro lado, se estudió la rotaciónmolecular de una serie de sondas que difieren en forma y tamaño, en una matriz de poliestirenoentrecruzado. Los resultados mostraron que estas sondas pueden realizar amplios movimientos durante eltiempo de vida del estado excitado, con una pequeña restricción que correlaciona con el tamaño de lasonda. Las restricciones al movimiento pueden provenir de interacciones sonda-matriz, o pueden debersea limitaciones en el volumen libre. En una segunda parte del trabajo se estudió el fotocromismo y termocromismo de espiropiranos y espirooxazinasen poli(metacrilatos de alquilo). Estas sustancias isomerizan al ser irradiadas en el UV,formando una merocianina, un isómero coloreado producido por apertura de un ciclo. La merocianinarevierte termicamente a la cerrada, que es la más estable. En el caso del fotocromismo, el trabajo se centróen el estudio de la cinética de la transfromación térmica entre la merocianina y el isómero cerrado. Elobjetivo principal fue analizar las causas por las cuales la matriz provoca desviaciones en la cinéticarespecto del comportamiento monoexponencial observado comúnmente en solución. El análisis cinéticose realizó mediante los modelos habituales de bibliografia, y se elaboró uno nuevo que incorpora ladinámica de la matriz en forma simultánea al decaimiento de la sonda. Los modelos fueron analizadoscomparativamente, y se discuten las ventajas y desventajas de cada uno. En forma similar a lo realizadopara la cinética, en el estudio del termocromismo el objetivo fue el de analizar la influencia de la matrizsobre el equilibrio entre la forma abierta y cerrada, y su dependencia con la temperatura. Los resultadosfueron analizados mediante un modelo que se elaboró en este trabajo para interpretar cuantitativamentelas desviaciones obtenidas respecto del comportamiento observado en los solventes comunes. Estemodelo supone que las distribuciones de energia total de las formas abierta y cerrada es Gaussiana. Por último se estudiaron las propiedades piezoeléctricas y de electrostricción de peliculas delgadas depoli(metacrilato de isobutilo) conteniendo espiropirano y merocianina, con el objetivo de investigar losposibles cambios en las propiedades dieléctricas y mecánicas de la pelicula al inducir la isomerizaciónfotoqulmicamente. Las medidas permitieron detectar un efecto piezoeléctrico fotoinducido y ademásmedir el momento dipolar del fotoisómero directamente en la matriz de polímero, lo cual no habla podidolograrse hasta el momento mediante las técnicas comunes debido a su corto tiempo de vida.The aim of this work is to study molecular rotations and isomerizations of optical probes in polymermatrixes. The common feature of these processes is that they involve big molecular movements, and areconsequently sensitive to the flexibility of the environment and the free volume. Molecular rotations were studied by means of steady state fluorescence anisotropy. In the first part of thework, the rotation of a series of carbocyanines in normal alcohols was studied in order to obtaininformation about the rotation dynamics. Results show that the hydrodynamic regime for rotation, as wellas the influence of non-hydrodynamical factors such as dielectric friction, are dependent on the degree ofsolute-solvent interaction, mainly determined by the hydrogen-bonding capability of the carbocyanine. Molecular rotations were also studied in a crosslinked polystyrene matrix using probes with different sizeand shape. Results show that the probes can perform ample movements during the excited state lifetime,with a small restriction which depends on the probe size. This restriction can be due to interactions of theprobes with the matrix, or may be due to the restricted free volume available for rotation. In the second part of this work, the photochromism and thermoochromism of spiropyrans andspirooxazines were studied in a series of poly(alkyl methacrylates). When these compounds are irradiatedwith UV-light, a ring opens by cleavage of a carbon-oxygen bond leading to the formation of an open-formcolored isomer, which is similar to a merocyanine dye. The merocyanine reverts thermally to theclosed form, which is more stable. In the case of photochromism, the work was focused on the study of the kinetics of the thermal backreaction of merocyanine to spinopyran. The main goal was to analyze the reasons of the matrix-induceddeviations from the simple kinetic behavior observed in most liquids. The kinetic analysis was performedusing models available in the literature, and a new model was developed which takes into account thesimultaneous relaxation of the matrix and the probe. The kinetic models were analyzed comparatively,and the advantages and disadvantages of each one are discussed. In a similar way, the study of thethermochromism was focused on the analysis of the influence of the matrix in the equilibrium between theclosed and open forms, and its temperature dependence. In this case also, a new model was developed inorder to explain the observed deviations from the usual behavior in common solvents. This modelassumes that the closed and open forms have a Gaussian distribution of total energies. In the last part of the work, the piezoelectric and electrostriction properties of a thin film of poly(isobutylmethacrylate) containing spiropyran were studied in order to measure the changes in mechanical anddielectric properties produced as a result of ring opening. These measurements allowed the determinationof the dipole moment of a metastable molecule such as the merocyanine, and revealed a photoinducedpiezoelectric effect.Fil: Levitus, Marcia. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina