@phdthesis{Neubert2019,
  author    = {Neubert, Franziska},
  title     = {Markierung postsynaptischer Proteine f{\"u}r die hochaufl{\"o}sende Fluoreszenzmikroskopie},
  doi       = {10.25972/OPUS-19239},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-192394},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {Das menschliche Gehirn ist ein Organ, das aufgrund seiner Komplexit{\"a}t und zellul{\"a}ren Diversit{\"a}t noch am wenigsten verstanden ist. Eine der Ursachen daf{\"u}r sind zahlreiche Herausforderungen in diversen neurobiologischen Bild-gebungsverfahren. Erst seit der Erfindung der hochaufl{\"o}senden Fluoreszenz-mikroskopie ist es m{\"o}glich, Strukturen unterhalb der Beugungsgrenze zu visua-lisieren und somit eine maximale Aufl{\"o}sung von bis zu 20 nm zu erreichen. Zus{\"a}tzlich h{\"a}ngt die F{\"a}higkeit, biologische Strukturen aufzul{\"o}sen, von der Markierungs-gr{\"o}ße und -dichte ab. Derzeit ist die h{\"a}ufigste Methode zur Proteinf{\"a}rbung die indirekte Antik{\"o}rperf{\"a}rbung, bei der ein Fluorophor-markierter Sekund{\"a}rantik{\"o}rper an einen Epitop-spezifischen Prim{\"a}rantik{\"o}rper bindet. Dabei kann der Abstand von Zielstruktur und Fluorophor bis zu 30 nm betragen, was eine Aufl{\"o}sungs-verminderung zur Folge haben kann. Aufgrund dessen wurden in dieser Arbeit alternative Markierungsmethoden getestet, um postsynaptische Proteine sicht-bar zu machen. Zun{\"a}chst wurde der postsynaptische N-Methyl-D-Aspartat (NMDA)-Rezeptor mit Hilfe konventioneller indirekter Antik{\"o}rperf{\"a}rbung markiert. Hier war die NR1-Untereinheit des NMDA-Rezeptors von besonderem Interesse, da diese in der Autoimmunerkrankung Anti-NMDA-Rezeptor-Enzephalitis invol-viert ist. Patienten dieser seltenen Krankheit bilden Autoantik{\"o}rper gegen die NR1-Untereinheit, wodurch ein schneller reversibler Verlust der NMDA-Rezeptoren auf der Postsynapse induziert wird. Wichtige Informationen k{\"o}nnen nicht mehr ausreichend weitergegeben werden, was psychiatrische und neurologi-sche St{\"o}rungen zur Folge hat. In dieser Arbeit wurden sowohl kommerzielle NR1-Antik{\"o}rper, als auch rekombinante monoklonale NR1-Antik{\"o}rper von Patien-ten mit Anti-NMDA-Rezeptor-Enzephalitis getestet. In konfokalen und in hochaufgel{\"o}sten SIM- (engl. structured illumination microscopy) und dSTORM- (engl. direct stochastic optical reconstruction microscopy) Messun-gen konnten kommerzielle NR1-Antik{\"o}rper keine erfolgreichen F{\"a}rbungen erzielen. Dagegen erwiesen sich die rekombinanten monoklonalen NR1-Patientenantik{\"o}rper als sehr spezifisch, sowohl in prim{\"a}ren Neuronen als auch im Hippocampus von murinen Gehirnschnitten und lieferten gute Kolokalisati-onen mit dem postsynaptischen Markerprotein Homer. Um die optische Aufl{\"o}sung zu verbessern, wurde eine neue Markierungs-methode mit sog. „Super-Binde-Peptiden" (SBPs) getestet. SBPs sind modifi-zierte Peptide, die erh{\"o}hte Affinit{\"a}ten und Spezifit{\"a}ten aufweisen und mit ei-ner Gr{\"o}ße von ~ 2,5 nm wesentlich kleiner als Antik{\"o}rper sind. In dieser Arbeit best{\"a}tigte sich ein kleines hochspezifisches SPB, das an den Fluoreszenzfarb-stoff Tetra- methylrhodamin (TMR) gekoppelt ist, als effektiver Marker f{\"u}r das Ankerpro-tein Gephyrin. Gephyrin ist f{\"u}r die Lokalisation und Verankerung einiger post-synaptischer Rezeptoren zust{\"a}ndig, indem es sie mit dem Cytoskelett der Zelle verbindet. SIM-Messungen in prim{\"a}ren Neuronen zeigten eine bessere Clus-terrepr{\"a}sentation bei der F{\"a}rbung von Gephyrin mit SBPs, als mit Antik{\"o}rper-f{\"a}rbung. Zus{\"a}tzlich wurden Kolokalisationsanalysen von Gephyrin zusammen mit dem inhibito-rischen pr{\"a}synaptischen vesikul{\"a}ren GABA-Transporter VGAT durchgef{\"u}hrt. Eine weitere F{\"a}rbemethode stellte die bioorthogonale Click-F{\"a}rbung durch die Erweiterung des eukaryotischen genetischen Codes (engl. genetic code ex-pansion, GCE) dar. Dabei wurde eine unnat{\"u}rliche, nicht-kanonische Amino-s{\"a}ure (engl. non-canonical amino acid, ncAA) ins Zielprotein eingebaut und in Kombination mit der Click-Chemie ortsspezifisch mit organischen Tetrazin-Farbstoff-Konjugaten angef{\"a}rbt. Organische Fluorophore haben den Vorteil, dass sie mit einer Gr{\"o}ße von 0,5 - 2 nm sehr klein sind und damit die nat{\"u}rli-chen Funktionen der Proteine in der Zelle kaum beeinflussen. In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal gezeigt, dass der tetramere postsynaptische NMDA-Rezeptor durch die Amber-Supres-sionsmethode bioorthogonal angef{\"a}rbt werden konnte. Aus sieben verschiede-nen Amber-Mutanten der NR1-Untereinheit stellte sich die Y392TAG-NR1-Mutante als diejenige mit der besten Proteinexpression, F{\"a}rbeeffizienz und rezeptorfunktionalit{\"a}t heraus. Dies konnte durch Fluoreszenzmikroskopie- und Whole-Cell Patch-Clamp-Experimenten gezeigt werden. Die bioorthogo-nale Click-F{\"a}rbung durch GCE eignete sich f{\"u}r die F{\"a}rbung des NMDA-Rezeptors in verschiedenen Zelllinien, mit unterschiedlichen Tetrazin-Farbstoff-Konjugaten und f{\"u}r Lebendzellexperimente. In dSTORM-Messungen erwies sich das Tetrazin-Cy5-Farbstoff-Konjugat als ideal aufgrund seiner Gr{\"o}-ße, Photostabilit{\"a}t, Helligkeit und seines geeigneten Blinkverhaltens, sodass eine homogene NMDA-Rezeptorverteilung auf der Zellmembran gezeigt wer-den konnte. NR1-Antik{\"o}rperf{\"a}rbungen wiesen dagegen starke Clusterbildun-gen auf. Die Ergebnisse konnten belegen, dass kleinere Farbstoffe eine deut-lich bessere Zug{\"a}nglichkeit zu ihrem Zielprotein haben und somit besser f{\"u}r die hochaufl{\"o}sende Fluoreszenzmikroskopie geeignet sind.},
  subject      = {hochaufl{\"o}sende Fluoreszenzmikroskopie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Helmerich2023,
  author    = {Helmerich, Dominic Andreas},
  title     = {Einfl{\"u}sse der Photophysik und Photochemie von Cyaninfarbstoffen auf die Lokalisationsmikroskopie},
  doi       = {10.25972/OPUS-24716},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-247161},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {In den letzten Jahren haben sich hochaufl{\"o}sende Fluoreszenzmikroskopiemethoden, basierend auf der Lokalisation einzelner Fluorophore, zu einem leistungsstarken Werkzeug etabliert, um Fluoreszenzbilder weit unterhalb der Aufl{\"o}sungsgrenze zu generieren. Hiermit k{\"o}nnen r{\"a}umliche Aufl{\"o}sungen von ~ 20 nm erzielt werden, was weit unterhalb der Beugungsgrenze liegt. Dabei haben zahlreiche Optimierungen und Entwicklungen neuer Methoden in der Einzelmolek{\"u}l-Lokalisationsmikroskopie die Genauigkeit der orstspezifischen Bestimmung einzelner Fluorophore auf bis zu ~ 1 - 3 nm erh{\"o}ht. Eine Aufl{\"o}sung im molekularen Bereich, weit unterhalb von ~ 10 nm bleibt allerdings herausfordernd, da die Lokalisationsgenauigkeit nur ein Kriterium hierf{\"u}r ist. Allerdings wurde sich in den letzten Jahren {\"u}berwiegend auf die Verbesserung dieses Parameters konzentriert. Weitere Kriterien f{\"u}r die fluoreszenzmikroskopische Aufl{\"o}sung sind dabei unter anderem die Markierungsdichte und die Kopplungseffizienz der Zielstruktur, sowie der Kopplungsfehler (Abstand zur Zielstruktur nach Farbstoffkopplung), die sich herausfordernd f{\"u}r eine molekulare Aufl{\"o}sung darstellen. Auch wenn die Kopplungseffizienz und -dichte hoch und der Kopplungsfehler gering ist, steigt bei Interfluorophordistanzen < 5nm, abh{\"a}ngig von den Farbstoffen, die Wahrscheinlichkeit von starken und schwachen Farbstoffwechselwirkungen und damit von Energie{\"u}bertragungsprozessen zwischen den Farbstoffen, stark an. Daneben sollten Farbstoffe, abh{\"a}nging von der Lokalisationsmikroskopiemethode, spezifische Kriterien, wie beispielsweise die Photoschaltbarkeit bei dSTORM, erf{\"u}llen, was dazu f{\"u}hrt, dass diese Methoden h{\"a}ufig nur auf einzelne Farbstoffe beschr{\"a}nkt sind. In dieser Arbeit konnte mithilfe von definierten DNA-Origami Konstrukten gezeigt werden, dass das Blinkverhalten von Cyaninfarbstoffen unter dSTORM-Bedingungen einer Abstandsabh{\"a}ngigkeit aufgrund von spezifischen Energie{\"u}bertragungsprozessen folgt, womit Farbstoffabst{\"a}nde im sub-10 nm Bereich charakterisiert werden konnten. Dar{\"u}ber hinaus konnte diese Abstandsabh{\"a}ngigkeit an biologischen Proben gezeigt werden. Hierbei konnten verschiedene zellul{\"a}re Rezeptoren effizient und mit geringem Abstandsfehler zur Zielstruktur mit Cyaninfarbstoffen gekoppelt werden. Diese abstandsabh{\"a}nigen Prozesse und damit Charakterisierungen k{\"o}nnten dabei nicht nur spezifisch f{\"u}r die h{\"a}ufig unter dSTORM-Bedingungen verwendeten Cyaninfarbstoffen g{\"u}ltig sein, sondern auch auf andere Farbstoffklassen, die einen Auszustand zeigen, {\"u}bertragbar sein. Dar{\"u}ber hinaus konnte gezeigt werden, dass hochaufl{\"o}sende dSTORM Aufnahmen unabh{\"a}ngig vom Farbstoffkopplungsgrad der Antik{\"o}rpern sind, welche h{\"a}ufig f{\"u}r Standardf{\"a}rbungen von zellul{\"a}ren Strukturen verwendet werden. Dabei konnte durch Photonenkoinzidenzmessungen dargelegt werden, dass aufgrund komplexer Farbstoffwechselwirkungen im Mittel nur ein Farbstoff aktiv ist, wobei h{\"o}here Kopplungsgrade ein komplexes Blinkverhalten zu Beginn der Messung zeigen. Durch die undefinierten Farbstoffabst{\"a}nde an Antik{\"o}rpern konnte hier kein eindeutiger Energie{\"u}bertragungsmechanismus entschl{\"u}sselt werden. Dennoch konnte gezeigt werden, dass Farbstoffaggregate bzw. H-Dimere unter dSTORM-Bedingungen destabilisiert werden. Durch die zuvor erw{\"a}hnten DNA-Origami Konstrukte definierter Interfluorophordistanzen konnten Energie{\"u}bertragungsmechanismen entschl{\"u}sselt werden, die auch f{\"u}r die Antik{\"o}rper diverser Kopplungsgrade g{\"u}ltig sind. Des Weiteren konnten, ausgel{\"o}st durch komplexe Energie{\"u}bertragungsprozesse h{\"o}herer Kopplungsgrade am Antik{\"o}rper, Mehrfarbenaufnahmen zellul{\"a}rer Strukturen generiert werden, die {\"u}ber die spezifische Fluoreszenzlebenszeit separiert werden konnten. Dies stellt hier eine weitere M{\"o}glichkeit dar, unter einfachen Bedingungen, schnelle Mehrfarbenaufnahmen zellul{\"a}rer Strukturen zu generieren. Durch die Verwendung des selben Farbstoffes unterschiedlicher Kopplungsgrade kann hier nur mit einer Anregungswellenl{\"a}nge und frei von chromatischer Aberration gearbeitet werden. Neben den photophysikalischen Untersuchungen der Cyaninfarbstoffe Cy5 und Alexa Fluor 647 wurden diese ebenso photochemisch n{\"a}her betrachtet. Dabei konnte ein neuartiger chemischer Mechanismus entschl{\"u}sselt werden. Dieser Mechanismus f{\"u}hrt, ausgel{\"o}st durch Singulett-Sauerstoff (1O2), zu einer Photozerschneidung des konjugierten Doppelbindungssystems um zwei Kohlenstoffatome, was zu strukturellen und spektroskopischen Ver{\"a}nderungen dieser Farbstoffe f{\"u}hrt. Auf Grundlage dieses Mechanismus konnte eine neue DNA-PAINT Methode entwickelt werden, die zu einer Beschleunigung der Aufnahmezeit f{\"u}hrt.},
  subject      = {Einzelmolek{\"u}lmikroskopie},
  language  = {de}
}