@phdthesis{Schulze2020,
  author    = {Schulze, Andrea},
  title     = {Investigating the mechanism of the Hsp90 molecular chaperone using photoinduced electron transfer fluorescence quenching},
  doi       = {10.25972/OPUS-16215},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-162155},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2020},
  abstract  = {The molecular chaperone Hsp90 facilitates the folding and activation of a wide array of structurally and functionally diverse client proteins. Hsp90 presents a central node of protein homeostasis and is frequently involved in the development of many human diseases. Although Hsp90 is a promising target for disease treatment, the mechanism by which Hsp90 facilitates client recognition and maturation is poorly understood. The shape of the homodimeric protein resembles a molecular clamp that opens and closes in response to binding and hydrolysis of ATP. Structural studies reveal a network of distinct local conformational rearrangements that coordinate the slow transition into the hydrolysis-active, closed state configuration (time order of minutes). However, the kinetics of local conformational changes remain elusive because spectroscopic tools that can detect them have been missing so far. Fluorescence quenching of extrinsic fluorophores by the natural amino acid Tryptophan is based on a photoinduced electron transfer (PET) reaction, which requires sub-nanometer contact between fluorophore and Tryptophan. This quenching mechanism has been developed into a 1-nm spectroscopic tool for the detection of rapid protein folding dynamics. Within the scope of this doctoral thesis, PET-reporter systems were designed to investigate the kinetics of local conformational motions that are part of the mechanistic core of the Hsp90 chaperone cycle. ATP-triggered kinetics of closure of the ATP-lid as well as swapping of the N-terminal ß-strand across subunits and association of the N-terminal and middle-domain were estimated in solution. Bulk experiments revealed that local motions occur on similar timescales and are in good agreement with the ATP-hydrolysis rate. Functional mutations demonstrated that local motions act cooperatively. Furthermore, the lid was shown to close via a two-step process consisting of a rapid lid-reconfiguration in direct response to ATP-binding, followed by slow closure of the lid. The co-chaperone Aha1 seems to act early in the chaperone cycle by remodelling of the lid and by stabilization of apo Hsp90 in a NM-domain pre-associated conformation. A two-colour single-molecule PET microscopy method was developed to observe local motions at remote positions simultaneously and in real-time. Thus, directionality within the network of local conformational changes could be revealed. In a first attempt, the feasibility of detecting PET-complexes on the single-molecule surface was tested on Hsp90 constructs that report on only one motion (one-colour single-molecule PET microscopy). PET-quenched complexes could be distinguished from photobleached fluorophores through oxidation by molecular oxygen, resulting in fluorescence recovery. In two-colour experiments, a dimmed state was identified for PET-quenched complexes, but not for all of the used PET-reporter systems. Results suggest that local motions occur simultaneously within the time-resolution of the experiment (0.3 sec). Furthermore, bi-exponential kinetics of transition into the closed clamp configuration indicate a more complex mechanism of clamp-closure than of clamp-opening, which could be well described by a mono-exponential function.},
  subject      = {Hitzeschock-Proteine},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Draeger2020,
  author    = {Draeger, Simon},
  title     = {Rapid Two-Dimensional One-Quantum and Two-Quantum Fluorescence Spectroscopy},
  doi       = {10.25972/OPUS-19816},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-198164},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2020},
  abstract  = {In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich die koh{\"a}rente mehrdimensionale Femtosekunden- Spektroskopie zu einem leistungsstarken und vielseitigen Instrument zur Untersuchung der chemischen Dynamik einer Vielzahl von Quantensystemen entwickelt. Die Kombination von transienten Informationen, die der Anrege-Abrage-Spektroskopie entsprechen, mit Informationen zur Kopplung zwischen energetischen Zust{\"a}nden und der Systemumgebung erm{\"o}glicht einen umfassenden Einblick in atomare und molekulare Eigenschaften. Viele experimentelle 2D-Aufbauten verwenden den koh{\"a}renzdetektierten Ansatz, bei dem nichtlineare Systemantworten als koh{\"a}rente elektrische Felder emittiert und r{\"a}umlich getrennt von den Anregungspulsen detektiert werden. Als Alternative zu diesem experimentell anspruchsvollen Ansatz wurde die populationsbasierte 2D-Spektroskopie etabliert. Hier wird die koh{\"a}rente Information in den Phasen einer kollinearen Anregungspulsfolge codiert und aus inkoh{\"a}renten Signalen wie Fluoreszenz {\"u}ber Phase Cycling extrahiert. Grunds{\"a}tzlich kann durch die Verwendung von Fluoreszenz als Observable eine Sensitivit{\"a}t bis zum Einzelmolek{\"u}lniveau erreicht werden. Ziel dieser Arbeit war die Realisierung eines pulsformergest{\"u}tzten vollst{\"a}ndig kollinearen fluoreszenzdetektierten 2D-Aufbaus und die Durchf{\"u}hrung von Proof-of- Principle-Experimenten in der Fl{\"u}ssigphase. Dieser inh{\"a}rent phasenstabile und kompakte Aufbau wurde in Kapitel 3 vorgestellt. Der verwendete Pulsformer erm{\"o}glicht eine Amplituden- und Phasenmodulation von Schuss zu Schuss. Zwei verschiedene Arten von Weißlichtquellen wurden angewendet und hinsichtlich ihrer jeweiligen Vorteile f{\"u}r die 2D-Fluoreszenzspektroskopie bewertet. Eine Vielzahl von Artefaktquellen, die mit dem vorliegenden Aufbau auftreten k{\"o}nnen, wurden diskutiert und Korrekturschemata und Anweisungen zur Vermeidung dieser Artefakte bereitgestellt. In Kapitel 4 wurde der Aufbau anhand einer Vierpulssequenz mit Cresylviolett in Ethanol demonstriert. Es wurde ein detailliertes Datenerfassungs- und Datenanalyseverfahren vorgestellt, bei dem Phase Cycling zur Extraktion der nichtlinearen Beitr{\"a}ge verwendet wird. Abh{\"a}ngig vom Phase Cycling-Schema ist es m{\"o}glich, alle nichtlinearen Beitr{\"a}ge in einer einzigen Messung aufzudecken. Literaturbekannte Oszillationen von Cresylviolett w{\"a}hrend der Populationszeit konnten reproduziert werden. Aufgrund der Messung in einer Umgebung im Rotating Frame und einer 1 kHz Schuss-zu-Schuss Pulsinkrementierung war es m{\"o}glich, ein 2D-Spektrum f{\"u}r eine Populationszeit in 6 s zu erhalten. Eine Fehlerevaluierung hat gezeigt, dass eine zehnfache Mittelwertbildung (1 min) ausreicht, um eine mittlere quadratische Abweichung von < 0:05 gegen� uber einer 400-fachen Mittelwertbildung zu erhalten, was beweist, dass das verwendete Messschema gut geeignet ist. Die Realisierung des ersten experimentellen fluoreszenzdetektierten 2Q-2D-Experiments und der erste experimentelle Zugang zum theoretisch vorhergesagten 1Q-2Q-Beitrag wurden in Kapitel 5 vorgestellt. Zu diesem Zweck wurde eine Dreipulssequenz auf Cresylviolett in Ethanol angewendet und die experimentellen Ergebnisse wurden mit Simulationen eines einfachen Sechs-Level-Systems verglichen. Im Gegensatz zur koh{\"a}renzdetektierten 2Q-2D-Spektroskopie sind bei dem vorgestellten Aufbau keine nichtresonanten L{\"o}sungsmittelsignale und Streuungsbeitr{\"a}ge sichtbar und es ist kein zus{\"a}tzliches Phasing-Verfahren erforderlich. Durch eine Kombination aus Experimenten und systematischen Simulationen wurden Informationen {\"u}ber die Relaxation der L{\"o}sungsmittelh{\"u}lle und die Korrelationsenergie gewonnen. Auf der Basis von Simulationen wurden Effekte der Pfadausl{\"o}schung diskutiert, die darauf schließen lassen, dass die 1Q-2Q-2D-Spektroskopie m{\"o}glicherweise die quantitative Analyse f{\"u}r molekulare Systeme erleichtert, die eine starke nichtstrahlende Relaxation aus h{\"o}heren elektronischen Zust{\"a}nden aufweisen. Zusammenfassend ist es mit der vorgestellten Methode m{\"o}glich, alle nichtlinearen Beitr{\"a}ge mit einer schnellen Datenaufnahme und einem einfach einzurichtenden Aufbau zu erfassen. Die gezeigten Proof-of-Principle-Experimente stellen eine Erweiterung der 2D-Spektroskopie-Werkzeugpalette dar und bieten eine fundierte Grundlage f{\"u}r zuk{\"u}nftige Anwendungen wie mehrdimensionale Spektroskopie, mehrfarbige 2D-Spektroskopie oder die Kombination von simultanen Fl{\"u}ssig- und Gasphasen-2D-Experimenten.},
  subject      = {Fluoreszenzspektroskopie},
  language  = {en}
}