Die Untersuchung der molekularen Erkennung zwischen DNA und Proteinen ist Ziel des Teilprojektes K2. Verschiedene Epitope und Mutanten des Transkriptionsfaktors PhoB wurden bisher erfolgreich untersucht. Durch gezielten Einbau von photoschaltbaren Gruppen in Peptide und Proteine in Verbindung mit Einzelmolekülniveau-Messungen werden photoschaltbare DNA-bindende Moleküle synthetisiert, welche dann in vivo auf ihre Aktivität als Transkriptionsfaktor getestet werden sollen. Dieses Ziel soll durch Verwendung der in den letzten Förderperioden etablierten Methoden Rasterkraftspektroskopie, Optischen Pinzetten, Oberflächenplasmonresonanz und Circulardichroismus erreicht werden.
Einzelmoleküldetektion und -Manipulation in räumlicher und zeitlicher Auflösung mit magnetoresistiven Sensor-Arrays, die zudem die Vermessung der Bindungskräfte zwischen den beteiligten Molekülen erlauben.
Im Teilprojekt K5 wird die Charakterisierung und Steuerung funktionaler und schaltbarer supramolekularer Molekülsysteme mittels einzelmolekülphysikalischer Methoden wie der Rastersondenmikroskopie-/Kraftspektroskopie untersucht. Dabei werden in der neuen Antragsperiode Schwerpunkte auf der quantitativen Untersuchung neuer photoschaltbarer und chiraler Wirt-Gastsysteme, heterodimerer Kapselsysteme sowie in physikalischer Hinsicht auf deren mikroskopisch-kraftspektroskopischer Untersuchung gelegt.
Das Projekt untersucht die Dynamik reaktiver Prozesse, die durch optische Anregung von Einzelmolekülen, die in einer spezifisch organischen Umgebung eingebettet sind, ausgelöst werden. Dabei wird der Einfluss der System-Umgebungs-Wechselwirkung auf die Struktur der Gast-Wirtsysteme und den Ablauf von Reaktions- oder Dissoziationsprozessen mittels genauer quantenchemischer und numerisch exakter quantendynamischer Rechnungen in voller Dimensionalität auf mikroskopischer Ebene untersucht. Als Beispiel dient die Photodissoziation eines Methyljodid-Gastmoleküls, welches in ein Calixaren-Wirtsmolekül eingebettet ist.
Gegenstand dieses Projektes ist die theoretische Modellierung und Interpretation von Einzelmolekül-Dissoziationsprozessen, wie sie z.B. mittels dynamischer AFM-Kraftspektroskopie in anderen Teilprojekten des SFB experimentell erforscht werden. Eine befriedigende und konsistente theoretische Erklärung der experimentellen Daten ist nach wie vor ein schwieriges grundlegendes Problem auf diesem Gebiet. Vor kurzem haben wir erstmals ein solches mit den Daten konsistentes, mathematisches Modell formuliert. Dessen physikalische Begründung ist ein Haupt-Ziel der Projektfortsetzung.
Ziel des Projektes ist es, Migrationsmechanismen von Biomolekülen und biologischen Komplexen in Mikrofluidiksystemen zu untersuchen, um die gewonnenen Erkenntnisse zur Analytik z.B. von DNA und globulären Proteinen einsetzen zu können. Zunächst sollen theoretische Modelle erarbeitet werden, um neuartige Transportmechanismen zu identifizieren und quantitativ zu optimieren. Diese Voraussagen sollen dann in geeignet strukturierten Mikrofluidiksystemen experimentell umgesetzt, untersucht und gemeinsam mit der Theorie weiterentwickelt werden.
Aufbauend auf Projektarbeiten in D4 (A. L. Cavalieri et al, Nature (2007), 449, 1029) sollen ultrakurze Elektronenpakete (sub 1 fs) aus Oberflächenatomlagen in ihrem Transport entlang organischer Moleküladsorbate mittels der "streaking"-Methode zeitlich analysiert werden und auf der Subfemtosekundenskala mit der Photoemission aus dem organischen Molekülsystem verglichen werden. Außerdem werden die fs-zeitaufgelösten ESCA-Messungen nach erfolgreicher Demonstration des Messprinzips fortgeführt. Ziel ist die Untersuchung der photoinduzierten strukturellen und elektronischen Dynamik von Calixaren-basierten Adsorbaten.
Das Projekt beschäftigt sich mit der Aufklärung des Bindungsmechanismus eines Single RRM Proteins an sein RNA Substrat, die in vivo zu alternativem Splicing führt. Dabei steht die Untersuchung der durch die Bindung induzierten Strukturänderungen von RNA und Protein durch den Einsatz verschiedener einzelmolekülempfindlicher fluoreszenzspektroskopischer Verfahren im Vordergrund. Zur Untersuchung des Transports des RNA-Bindeproteins zwischen Cytoplasma und Kern bzw. subnukleären Territorien sollen Mehrfarben-Fluoreszenz imaging-Experimente an Wurzelzellen mit verschiedenen fluoreszierenden Fusionsproteinen durchgeführt werden.
In dem Projekt werden die optoelektronischen Eigenschaften von Einzelmolekülkontakten untersucht. Temperaturabhängige zeitaufgelöste Zwei-Puls-Korrelationsmessungen des induzierten Photostroms durch das Molekül geben Aufschluss über den Ladungstransferprozess. Drei Ziele werden im Projekt verfolgt:
i) Photostromleitung durch OligoPPE-basierte Einzelmolekülkontakte mit unterschiedlichen Ankergruppen,
ii) akzeptorassistierte unidirektionale Photoleitung in Molekülkontakten mit Perylendiimid-Einheit und
iii) Anregung und Kontrolle von Photoströmen im Metall-molekularer Tunnelkontakt-Metall-System.
Das integrale Membranprotein Halorhodopsin ist eine lichtgetriebene Anionenpumpe. Die Daten der bisher kristallographisch untersuchten Reaktionsintermediate weisen auf nur unwesentliche strukturelle Änderungen hin. Um den Transportweg der Anionen und den Reaktionsmechanimus der Pumpe zu verstehen, wollen wir die bisher nicht beschriebenen Reaktionsintermediate stabilisieren und ihre dreidimensionale Struktur mit zeitaufgelöster Proteinkristallographie aufklären. Da Halorhodopsin die kristallographisch gut nachweisbaren Ionen Br- und I- transportiert, eignet es sich besonders für die Untersuchung niedrig besetzter Zwischenzustände bzw. für zeitaufgelöste Studien.
Durch Aufheizen einzelner magnetischer Partikel sollen Zellsignale ausgelöst und das Ergebnis der Signaltransduktion in Form einer bimolekularen Fluoreszenzkomplementation (BiFC) bzw. der Synthese fluoreszenten Proteins (z.B. YFP oder mCherry) zeitaufgelöst quantifiziert werden. Dadurch sind wichtige Kenndaten zur Aktivierungsdynamik nach lokaler Stimulation, sowie über Schwellenwerte und Dämpfung der Signalweitergabe in der Zelle zugänglich. Die Signale sollen mit Hilfe nanostrukturierter Sensoren für magnetische Momente und Temperaturen erstmals ortsaufgelöst innerhalb einer Zelle aktiviert werden.
Die V-ATPase ist eine ATP-getriebene H+-Pumpe des Endomembransystems eukaryotischer Zellen. In der dritten Phase des Projekts sollen die publizierten und laufenden Untersuchungen konsequent auf drei Ebenen der molekularen Erkennung, Bindung und Dynamik vor allem mit laserspektroskopischen Methoden fortgeführt werden:
Die Kombination von chemischer und geometrischer Mustererkennung wird anhand der Interaktion von rod-coil-Blockcopolymeren mit chemisch strukturierten Self-Assembled Monolayers (SAMs) untersucht. Die coil-Segmente sind statistische Copolymere aus Styrol und substituierten Styrolen. Als rod-Segmente dienen Triptycen-haltige OligoPPE. Die SAMs bestehen aus 100 μm2 - 100 nm2 großen Bereichen von vernetzten Biphenyl- und 4'‑Aminobiphenylthiolen. Die Affinität wird u. a. über Art und Dichte der funktionellen Gruppen der coil-Segmente und der SAMs eingestellt. Zum Nachweis der Adsorption werden AFM und Fluoreszenz genutzt.
Natürlich vorkommende Antigefrierglykoproteine (AFGP) verhindern das Eiskristallwachstum, indem sie durch molekulare Erkennung an bestimmte Facetten von Eiskristallen adsorbieren. Damit verhindern AFGP bei intrazellulärer Eisbildung eine Zerstörung des betroffenen Gewebes. Durch interdisziplinäre experimentelle Arbeiten sowohl mit Einzelmolekültechniken, als auch mit Ensemble-Methoden sollen die der Inhibierung des Eiswachstums zugrunde liegenden Mechanismen aufgeklärt werden, um eine gezielte Entwicklung von Mimetika für medizinische oder lebensmitteltechnologische Anwendungen in Zukunft zu ermöglichen.
Zur molekularen Erkennung benachbarter Phosphatgruppen im DNA Rückgrat werden dinukleare Komplexe entwickelt, deren vorgegebener Metall-Metall-Abstand von ~6.5 Å dem Abstand benachbarter Phosphatdiestergruppen entspricht. Die Wahl der Metallionen bestimmt die Funktionalität von Spaltung bis zu Cytotoxizität. Durch Konjugation mit DNA erkennenden Polyamiden soll eine sequenzspezifische Bindung an DNA ermöglicht werden. Mit einer neuartigen 3D-Optischen Pinzette, bei der einzelne DNA-Stränge durch eine Nanopore gefädelt werden, soll die molekulare Bindungsreaktionen beobachtet und untersucht werden.
Das Projekt fokussiert sich auf die Untersuchung der Struktur-Funktions-Zusammenhänge von Membranproteinen (z. B. Bacteriorhodopsin, F0F1-ATPase) mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung. Hierzu werden die komplementären spektroskopischen Methoden der Surface-Enhanced Infrared Difference Absorption Spectroscopy (SEIDAS) und des dual-view Einzelmolekül-Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer (FRET)-Imagings an immobilisierten Membranproteinen entwickelt und eingesetzt.
Ziel des Projekts ist die Untersuchung generischer Wechselwirkungsmechanismen zwischen Membranlipiden und Membranproteinen mittels Computersimulationen eines vergröberten Lipidmodells, das sich speziell zur Untersuchung von Ordnungsphänomenen in Membranen eignet. Der Schwerpunkt soll auf der Untersuchung der Rolle der Lipid/Protein-Wechselwirkungen für die Bildung und Funktion von "Lipid rafts" liegen. Desweiteren sollen am Beispiel der V-ATPase und F-ATPase exemplarisch Wechselwirkungen zwischen Membranen und komplexen Membranproteinen studiert werden.
