TY  - THES
A1  - Neitz, Hermann
T1  - Hydrophobic recognition motifs in functionalized DNA
T1  - Hydrophobe Erkennungsmotive in funktionalisierter DNA
N2  - In wässriger Umgebung spielen hydrophobe Wechselwirkungen eine wichtige Rolle für die DNA. Die Einführung von Modifikationen, die auf hydrophoben aromatischen Einheiten basieren, kann die Erkennung und Reaktivität von funktionellen Gruppen in der DNA steuern. Modifikationen können durch ein künstliches Rückgrat oder in Form einer Erweiterung der Nukleobasen eingebracht werden und so zu zusätzlichen Eigenschaften der DNA führen.
Diese Dissertation befasst sich mit der Verwendung von hydrophoben Einheiten zur Funktionalisierung von DNA. 
Im ersten Teil der Arbeit wurde das Tolanmotiv (Diphenylacetylen) in Kombination mit dem acyclischen Rückgrat von GNA und BuNA verwendet, um Erkennungseinheiten im DNA-Kontext zu erzeugen. Die gezielte Fluorierung der aromatischen Ringe des Tolan-Bausteins bildete die Grundlage für eine supramolekulare Sprache, die auf Aren-Fluoroaren-Wechselwirkungen basiert. Die spezifische Erkennung wurde mittels thermodynamischer, kinetischer und NMR-spektroskopischer Methoden untersucht. 
Im zweiten Teil der Arbeit wurden Desoxyuridin-Derivate mit einer hydrophoben aromatischen Modifikation hergestellt und in die DNA-Doppelhelix eingebaut. Die Bestrahlung mit UV-Licht führte zu einer [2+2]-Cycloaddition zwischen zwei modifizierten Nukleosiden in der DNA. Das Reaktionsprodukt wurde strukturell charakterisiert und die Reaktion in verschiedenen biochemischen und nanotechnologischen DNA-Anwendungen eingesetzt.
N2  - In aqueous environment, hydrophobic interactions play an important role for DNA. The introduction of modifications based on hydrophobic aromatic moieties offers additional ways for controlling recognition and reactivity of functional groups in DNA. Modifications are introduced through an artificial backbone or in the form of an extension of the nucleobases, resulting in additional properties of the DNA.
This dissertation focuses on the use of hydrophobic units for the functionalization of DNA.
In the first part of the work, the tolane (i. e. diphenylacetylene) motif was used in combination with the acyclic backbone of GNA and BuNA to generate recognition units in the DNA context. Fluorination of the aromatic rings in the tolane moiety provided the basis for a supramolecular language based on arene-fluoroarene interactions. The specific recognition was investigated by thermodynamic, kinetic and NMR spectroscopic methods.
In the second part of the work, deoxyuridine derivatives with a hydrophobic aromatic modification were prepared and incorporated into DNA duplexes. The irradiation with UV light led to a [2+2] cycloaddition reaction between two modified nucleosides in the DNA. This reaction product was structurally characterized and the reaction was used in various biochemical and nanotechnological DNA applications.
KW  - Supramolekulare Chemie
KW  - Arene-Fluoroarene
KW  - Artificial Base Pair
KW  - Supramolecular Interaction
KW  - XNA
KW  - Crosslinking
KW  - DNA
KW  - DNS
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-348382
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wagenhäuser [geb. Vonhausen], Yvonne
T1  - Thermodynamic Investigations on the Dimerization and Anti-Cooperative Self-Assembly of Dipolar Merocyanines
T1  - Thermodynamische Untersuchungen zur Dimerisierung und anti-kooperativen Selbstassemblierung von dipolaren Merocyaninen
N2  - Dipolar merocyanines are very attractive supramolecular building blocks, as they combine interesting functional properties with strong, directional intermolecular interactions. The pyridine dioxocyano-pyridine (PYOP) chromophore (Chapter 2.2), used in this thesis, stands out because of its exceptionally high ground state dipole moment (g ~ 17 D), in combination with the option to retain good solubility also in unpolar solvents, by decoration with solubilizing groups. 
The reliable binding motif of anti-parallel -stacking due to dipole-dipole interactions has allowed the design of molecular building blocks that form assemblies of predictable geometry. The intense unstructured charge transfer UV/Vis absorption band (eg ~ 10.7 D) is a result of the dominant contribution of the zwitterionic resonance structure which brings the PYOP chromophore just beyond the cyanine limit in solvents of low polarity (c2 = 0.60, 1,4 dioxane). The high sensitivity of the S0 – S1 UV/Vis absorption band to the environment manifests itself in a pronounced negative solvatochromism and strong H-type exciton coupling within -stacked PYOP assemblies. In accordance with the classical molecular exciton theory, an increasing hypsochromic shift of the dominant absorption band of these H aggregates can be observed as the stack size increases up to about six chromophores, where it levels out at about max ~ 440 nm (CHCl3). This allows a uniquely simple estimation of the number of interacting chromophores within the self-assembled structure from a single UV/Vis absorption spectrum of an aggregate.
The defined and well investigated PYOP dimer formation was employed in this thesis to probe the applicability and limitations of concentration-, temperature-, and solvent-dependent self-assembly studies (Chapter 3). Straightforward theoretical models to evaluate datasets of concentration-, temperature-, and solvent-dependent UV/Vis absorption by nonlinear regression analysis were derived for the case of dimer formation (Chapter 2.1). Although the dimer model is well known and widely applied in literature, this detailed derivation is helpful to understand assumptions and potential problems of the different approaches for the determination of thermodynamic parameters. This helps to decide on the most appropriate method to analyse a system of interest. In this regard it should be noted that covering a large portion of the self-assembly process with the experimental data is a prerequisite for the accuracy of the analysis.  Additionally, many of the insights can also be transferred to other self-assembly systems like supramolecular polymerization or host-guest interactions. 
The concentration-dependent analysis is the most straightforward method to investigate self-assembly equilibria. No additional assumptions, besides mass balance and mass action law, are required. Since it includes the least number of parameters (only K, if M/D are known), it is the most, or even only, reliable method, to elucidate the self-assembly mechanism of an unknown system by model comparison. To cover a large concentration range, however, the compound must be soluble enough and generally sample amounts at least in the low mg scale must be available. 
The temperature-dependent analysis has the advantage that all thermodynamic parameters G0, H0 and S0 can be obtained from a single sample in one automated measurement. However, the accessible temperature-range is experimentally often quite limited and dependent on the solvent. For systems which do not show the transition from monomer to aggregate in a narrow temperature range, as given for, e.g., cooperative aggregation or processes with a high entropy contribution, often not the entire self-assembly process can be monitored. Furthermore, the assumptions of temperature-independent extinction coefficients of the individual species as well as temperature-independent H0 and S0 must be met. Monte Carlo simulations of data sets demonstrated that even minor changes in experimental data can significantly impact the optimized values for H0 and S0. This is due to the redundancy of these two parameters within the model framework and even small thermochromic effects can significantly influence the results. The G0 value, calculated from H0 and S0, is, however, still rather reliable. 
Solvent-dependent studies can often cover the entire self-assembly process from monomeric (agg = 0) to the fully aggregated state (agg = 1). However, for dyes with strong solvatochromic effects, such as the dipolar merocyanines investigated in this thesis, the results are affected. Also, the assumption of a linear relation of the binding energy G0 and the fraction of denaturating solvent f, which is based on linear free energy relationships between G0 and the solvent polarity, can lead to errors. Especially when specific solvent effects are involved. 
For the evaluation of experimental data by nonlinear regression, general data analysis software can be used, where user-defined fit models and known parameters can be implemented as desired. Alternatively, multiple specialized programs for analysing self-assembly data are available online. While the latter programs are usually more user-friendly, they have the disadvantage of being a “black box” where only pre-implemented models can be used without the option for the user to adapt models or parameters for a specific system. 
In Chapter 3 comprehensive UV/Vis absorption datasets are presented for the dimerization of merocyanine derivative 1 in 1,4-dioxane, which allowed for the first time a direct comparison of the results derived from concentration-, temperature-, and solvent-dependent self-assembly studies. 
The results for the binding constant K and corresponding G0 from the concentration- and temperature-dependent analysis were in very good agreement, also in comparison to the results from ITC. For the temperature-dependent analysis, though, multiple datasets of samples with different concentration had to be evaluated simultaneously to cover a meaningful part of the self-assembly process. Furthermore, a significant dependence of the optimized parameters H0 and S0 on the wavelength chosen for the analysis was observed. This can be rationalized by the small thermochromic shifts of both the monomer and the dimer UV/Vis absorption band. The results from the solvent-dependent evaluation showed the largest deviation, as expected for the highly solvatochromic merocyanine dye.
However, even here by evaluation at 491 and 549 nm the deviation for G0 was only 2.5 kJ mol1 (9%) with respect to the results from the concentration-dependent analysis (G0 = 29.1 kJ mol1). Thus, despite the strong solvatochromism of the dipolar chromophore, it can still be considered a reliable method for estimating the binding strength. Furthermore, multiple repetitions of the concentration-, temperature-, and solvent-dependent studies provided insight into the reproducibility of the results and possible sources of experimental errors. In all cases, the deviations of the results were small (G0 < 0.4 kJ mol1) and within the same range as the fit error from the nonlinear regression analysis. 
The insights from these studies were an important basis for the in-depth investigation of a more complex supramolecular system in Chapter 4, as a single method is often not enough to capture the full picture of a more complicated self-assembly process. To elucidate the anti-cooperative self-assembly of the chiral merocyanine 2, a combination of multiple techniques had to be applied. 
Solvent-dependent UV/Vis absorption studies in CH2Cl2/MCH mixtures showed the step-wise assembly of the merocyanine monomer (max(M) = 549 nm, CH2Cl2) to first a dimer (max(D) = 498 nm, CH2Cl2/MCH 15:85) by dipole-dipole interactions, and then a -stacked higher aggregate (max(H) = 477 nm, MCH), with pronounced H-type coupling. 
The thermodynamic evaluation of this data, however, suffered from the severe solvatochromism, especially of the monomeric species (max(M, CH2Cl2) = 549 nm, max(M, MCH) = 596 nm). Therefore, concentration-dependent studies were performed  at three different temperatures (298, 323, 353 K) to elucidate the self-assembly mechanism and determine reliable thermodynamic parameters. The studies at elevated temperatures were hereby necessary, to obtain experimental data over a larger agg--range. Due to the pronounced difference in the thermodynamic driving force for dimerization and higher aggregate formation (KD/K5 = 6500) a concentration range exists in MCH where almost exclusively the dimer species of 2 is present, before further self-assembly by dispersion interactions occurs. Therefore, the data could be evaluated independently for the two self-assembly steps. The self-assembly of dimers into the higher aggregate could not be described by the isodesmic model but was fitted satisfactorily to a pentamer model. This rather small size of about ten -stacked PYOP chromophores was, furthermore, consistently indicated by AFM, VPO and DOSY NMR measurements. Based on 1D and 2D NMR data as well as the strong bisignate CD signal of the higher aggregate in combination with TD-DFT calculations, a P-helical stack is proposed as its structure. The small size can be rationalized by the anti-cooperative self-assembly mechanism and the sterical demand of the solubilizing trialkoxyphenyl and the chiral tetralin substituents. Additionally, the aliphatic shell formed by the solubilizing chains around the polar chromophore stack, can account for the exceptionally high solubility of 2 in MCH (> 15 mg mL1). These combined studies of the self-assembly process enabled the identification of suitable conditions for the investigation of fluorescence properties of the individual aggregate species. Aggregation-induced emission enhancement was observed for the almost non-emissive monomer (Fl(M) = 0.23%), which can be rationalized by the increasing rigidification within the dimer (Fl(D) = 2.3%) and the higher aggregate (Fl(H) = 4.5%). The helical chirality of the PYOP decamer stack, furthermore, gave rise to a strong CPL signal with a large glum value of 0.011.
The important conclusion of this thesis is that the temperature- and solvent-dependent analyses are valid alternatives to the classical concentration-dependent analysis to determine thermodynamic parameters of self-assembly equilibria. Although, for a specific supramolecular system, one approach might be favourable over the others for a variety of reasons. The experimental limitations often demand a combination of techniques to fully elucidate a self-assembly process and to gain insights in the aggregate structure. The anti-cooperative merocyanine self-assembly, which was described here for the first time for the PYOP merocyanine 2, is no exception. Besides the interest in the merocyanine assemblies from a structural and functional point of view, the insights gained from the presented studies can also be transferred to other self-assembly systems and be a guide to find the most appropriate analysis technique.
N2  - Dipolare Merocyanine sind sehr attraktive supramolekulare Bausteine, da sie interessante funktionale Eigenschaften mit starken, gerichteten zwischenmolekularen Wechselwirkungen vereinen. Der Pyridin-dioxocyano-pyridin (PYOP)-Chromophor (Kapitel 2.2), welcher in dieser Arbeit verwendet wurde, zeichnet sich durch sein besonders starkes Grundzustands-dipolmoment (g ~ 17 D) aus, in Kombination mit der Möglichkeit durch Funktionalisierung mit löslichkeitsvermittelnden Gruppen dennoch gute Löslichkeit zu bewahren. 
Das zuverlässige Bindungsmotiv der durch Dipol-Dipol Wechselwirkungen anti-parallel  gestapelten Merocyanine ermöglicht es, gezielt molekulare Bausteine zu entwerfen, welche sich zu Strukturen von vorhersagbarer Geometrie zusammenlagern. Der dominante Beitrag der zwitterionischen Resonanzstruktur führt zu einer intensiven, unstrukturierten Charge-Transfer UV/Vis-Absorptionsbande (eg ~ 10.7 D) und bringt den PYOP Chromophor leicht jenseits des Cyanin-Limits in unpolaren Lösungsmitteln (c2 = 0.60, 1,4-Dioxan). Die Sensitivität der S0   S1 UV/Vis-Absorptionsbande gegenüber der Umgebung zeigt sich in der ausgeprägten negativen Solvatochromie und einer starken H artigen excitonischen Kopplung in -gestapelten Aggregaten. In Übereinstimmung mit klassischer Excitonen-Theorie kann eine zunehmende hypsochrome Verschiebung der dominanten Absorptionsbande mit zunehmender Größe der H-Aggregate beobachtet werden, bis bei etwa sechs Chromophoren und max ~ 440 nm ein Plateau erreicht wird. Dies ermöglicht eine einmalig einfache Abschätzung, der Anzahl an wechselwirkenden Chromophoren innerhalb einer Aggregatstruktur, basierend auf einem einzigen UV/Vis-Absorptionsspektrum. 
Das definierte und gut untersuchte Beispiel des PYOP-Dimers wurde in dieser Arbeit verwendet, um die Anwendbarkeit und die Grenzen von konzentrations-, temperatur- und lösungsmittelabhängigen Aggregationsstudien auszutesten (Kapitel 3). Theoretische Modelle zur thermodynamischen Auswertung von konzentrations-, temperatur- und lösungsmittelabhängigen Studien mittels nichtlinearer Regression wurden für das Beispiel der Dimerisierung hergeleitet (Kapitel 2). Obwohl das Dimer-Modell literaturbekannt ist, ist diese detaillierte Herleitung hilfreich, um die Annahmen zu verstehen, die dem Modell zugrunde liegen. So können potenzielle Problemquellen der verschiedenen Methoden erkannt und die geeignetste Methode zur Bestimmung der thermodynamischen Parameter für ein bestimmtes System ausgewählt werden. Hierbei sollte man beachten, dass es sich für die Aussagekraft der Analyse klar als zuträglich erwiesen hat, wenn ein möglichst großer Bereich des Aggregationssprozesses von den experimentellen Daten abgedeckt werden kann. Viele der hier gewonnen Erkenntnisse lassen sich auch auf andere Systeme wie supramolekulare Polymere oder Wirt-Gast-Komplexe übertragen. 
Die konzentrationsabhängige Analyse ist die direkteste Methode, um ein supramolekulares Gleichgewicht zu untersuchen. Sie erfordert keine zusätzlichen Annahmen, außer dem Massenerhalt und dem Massenwirkungsgesetz. Da das konzentrationsabhängige mathematische Modell die wenigsten Parameter enthält (nur K, wenn M/D bekannt), ist es die zuverlässigste, wenn nicht sogar die einzig zuverlässige, Methode, um den Aggregationsmechanismus durch einen Vergleich der experimentellen Daten mit verschiedenen Modellen aufzuklären. Allerdings muss die zu untersuchende Verbindung hierbei löslich genug sein, damit ein großer Teil des Aggregationsprozesses in den Studien abgebildet werden kann und es werden üblicherweise Substanzmengen im niedrigen mg Bereich benötig.
Die temperaturabhängige Analyse hat den Vorteil, dass alle thermodynamischen Parameter G0, H0 und S0 in einer einzigen automatisierten Messung einer einzelnen Probe erhalten werden können. Allerdings ist der experimentell zugängliche Temperaturbereich oft sehr eingeschränkt und abhängig von dem verwendeten Lösungsmittel. Für Systeme, bei denen der Übergang vom Monomer zum Aggregat nicht in einem engen Temperaturbereich erfolgt, z.B. aufgrund von Kooperativität oder einem großen Entropie-Beitrag, ist es oft nicht möglich den gesamten Aggreationsprozess abzubilden. Zusätzlich sollten die Annahmen, dass sowohl die Extinktionskoeffizienten der einzelnen Spezies sowie H0 und S0 temperaturunabhängig sind, zutreffen. Mittels Monte Carlo Simulationen konnte gezeigt werden, dass selbst kleine Änderungen in den experimentellen Daten die erhaltenen Werte von H0 und S0 deutlich beeinflussen können. Dies liegt daran, dass die beiden Parameter im mathematischen Modell nicht völlig unabhängig voneinander sind. Selbst geringfügige thermochrome Veränderungen können daher die Ergebnisse für H0 und S0 beeinflussen. Die G0-Werte, die sich aus H0 und S0 berechnen lassen, sind allerding dennoch recht zuverlässig. Mittels lösungsmittelabhängiger Studien ist es oft am einfachsten, den vollständigen Prozess vom Monomer (agg = 0) bis zum Aggregat (agg = 1) abzubilden. Für stark solvatochrome Farbstoffe wie die hier untersuchten dipolaren Merocyanine werden die Ergebnisse allerdings deutlich verfälscht. Auch die Annahme einer linearen Abhängigkeit der Bindungsenergie G0 und der Lösungsmittelzusammensetzung f, die auf linearen Freie-Energie Beziehungen zwischen G0 und der Lösungsmittelpolarität beruhen, kann zu Abweichungen führen, vor allem, wenn spezifische Lösungsmitteleffekte involviert sind. Die Auswertung der experimentellen Daten erfolgt mittels nichtlinearer Regression. Hierfür können diverse Datenauswertungsprogramme genutzt werden, in die sich benutzerdefinierte Modelle inklusive bekannter Parameter implementieren lassen. Alternativ gibt es auch eine Auswahl von spezialisierten Programmen zur Auswertung von Aggregationsdaten im Internet. Diese sind zwar deutlich benutzerfreundlicher, aber auch „Black Boxes“, deren voreingestellte Modelle und Parameter in der Regel nicht vom Nutzer für ein spezielles System angepasst werden können. 
In Kapitel 3 wurden umfangreiche UV/Vis-Absorptionsstudien für die Dimerisierung von Merocyanin 1 in 1,4-Dioxan vorgestellt, welche zum ersten Mal einen direkten Vergleich zwischen den Ergebnissen von konzentrations-, temperatur- und lösungsmittelabhängigen  Aggregationsstudien ermöglichten. Die Ergebnisse für die Bindungskonstante K und dem dazugehörigen G0-Wert aus der konzentrations- und temperaturabhängigen Analyse stimmen mit den Ergebnissen der isothermalen Titrationskalorimetrie (ITC) überein.
Bei der temperaturabhängigen Auswertung mussten allerdings mehrere Datensätze von Proben mit unterschiedlichen Konzentrationen zusammen ausgewertet werden, um einen aussagekräftigen Bereich des Aggregationsprozesses abzudecken. Außerdem wurde eine deutliche Abhängigkeit der Ergebnisse für H0 und S0 von der Wellenlänge festgestellt, die für die Auswertung gewählt wurde. Dies liegt an der kleinen thermochromen Verschiebung der Monomer- und Dimer-Absorptionsbande. Die Ergebnisse der lösungsmittelabhängigen Studien zeigten, wie für den stark solvatochromen Chromophor erwartet, die größte Abweichung. Allerdings beträgt die Abweichung für G0 selbst hier nur 2.5 kJ mol1 (9%), bei Auswertung bei 491 und 549 nm, im Vergleich zur konzentrationsabhängigen Auswertung (G0 = 29.1 kJ mol1). Trotz der ausgeprägten Solvatochromie sind die lösungsmittelabhängigen Studien also geeignet, um die Bindungsstärke eines Systems abzuschätzen. Mehrmalige Wiederholung der Experimente erlaubte eine Abschätzung der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und möglicher Fehlerquellen. Die Ergebnisse schwankten hierbei in allen Fällen nur geringfügig (G0 < 0.4 kJ mol1) und in der gleichen Größenordnung wie der Fehler der nichtlinearen Regression. 
Die Erkenntnisse aus diesen Studien waren eine wichtige Grundlage für die Untersuchung eines komplexeren supramolekularen Systems in Kapitel 4. Eine einzelne Methode ist oft nicht ausreichend, um einen mehrstufigen Aggregationsprozess vollständig aufzuklären, und auch zur Aufklärung der anti-kooperativen Aggregation des chiralen Merocyanins 2, wurde eine Kombination verschiedener Techniken angewandt. Lösungsmittelabhängige UV/Vis-Absorptionsstudien in CH2Cl2/MCH Mischungen zeigten die stufenweise Zusammenlagerung der Merocyanin-Monomere (max(M) = 549 nm, CH2Cl2) zuerst durch Dipol-Dipol Wechselwirkungen zu Dimeren (max(D) = 498 nm, CH2Cl2/MCH 15:85) und dann zu größeren -Stapeln (max(H) = 477 nm, MCH) mit ausgeprägter H-Kopplung. 
Die thermodynamische Auswertung dieser Daten leidet allerdings unter der ausgeprägten Solvatochromie, vor allem der Monomer-Spezies (max(M, CH2Cl2) = 549 nm, max(M, MCH) = 596 nm). Daher wurden stattdessen konzentrationsabhängige Studien bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt, um den Aggregationsmechanismus aufzuklären und verlässliche thermodynamische Parameter zu bestimmen. Die Studien bei höheren Temperaturen waren notwendig, um mit den experimentellen Daten einen größeren agg--Bereich abdecken zu können. Aufgrund des ausgeprägten Unterschieds in der thermodynamischen Triebkraft für die Dimerisierung und die Bildung höherer Aggregate (KD/K5 = 6500) gibt es in MCH einen Konzentrationsbereich, in dem fast ausschließlich die dimere Spezies vorhanden ist, bevor eine weitere Zusammenlagerung durch Dispersionswechselwirkungen erfolgt. Dies ermöglichte eine unabhängige Auswertung der Daten für die beiden Aggregationsschritte. Der Zusammenschluss von Dimeren zum höheren Aggregat ließ sich nicht durch das isodesmische Modell beschreiben, sondern durch ein Pentamer-Modell. Diese Größe von etwa zehn -gestapelten PYOP-Chromophoren wurde außerdem durch AFM-, VPO- und DOSY-NMR-Messungen bestätigt. Basierend auf 1D- und 2D-NMR-Daten und dem CD-Signal des höheren Aggregats mit positivem Cotton-Effekt in Kombination mit TD-DFT Rechnungen, wurde ein P-helikaler -Stapel als Struktur angenommen. Die geringe Größe lässt sich durch den anti-kooperativen Aggregationsmechanismus und den sterischen Anspruch der lösungsvermittelnden Trialkoxyphenyl- und der chiralen Tetralin-Substituenten erklären. Die durch diese Substituenten ausgebildete aliphatische Hülle um den polaren Chromophorstapel kann außerdem die ungewöhnlich hohe Löslichkeit der Verbindung 2 in MCH erklären (> 15 mg mL1). Die detaillierte Untersuchung des Selbstorganisationsprozesses ermöglichte die Identifizierung geeigneter Bedingungen für die Untersuchung der Fluoreszenzeigenschaften der einzelnen Aggregatspezies. Für das nahezu nicht emittierende Monomer (Fl(M) = 0.23%) wurde durch zunehmende Rigidisierung im Dimer (Fl(D) = 2.3%) und im höherem Aggregat (Fl(H) = 4.5%) eine durch Aggregation induzierte Emissionssteigerung beobachtet. Die helikale Chiralität des PYOP-Decamer-Stapels führte außerdem zu einem starken CPL Signal mit einem hohen glum-Wert von 0.011.
Das wichtige Fazit dieser Arbeit ist, dass sowohl temperatur- als auch lösungsmittelabhängige Studien valide Alternativen zu den klassischen konzentrationsabhängigen Untersuchungen sind, mit denen thermodynamische Parameter von Selbstorganisations-Gleichgewichten bestimmt werden können. Wobei für ein bestimmtes supramolekulares System eine der Methoden aus verschiedenen Gründen vorteilhafter sein kann als die anderen. Üblicherweise gegebene experimentelle Beschränkungen erfordern oft den kombinierten Einsatz von Techniken, um einen Selbstorganisationsprozess und die Aggregatstrukturen vollständig aufzuklären. Die anti-kooperative Merocyanin-Selbstorganisation, die hier zum ersten Mal für das PYOP-Merocyanin 2 beschrieben wurde, ist keine Ausnahme. Neben dem Interesse an den Merocyanin-Aggregaten aus struktureller und funktioneller Sicht können die aus den vorgestellten Studien gewonnenen Erkenntnisse auch auf andere Selbstassemblierungs-systeme übertragen werden und als Leitfaden für die Suche nach der am besten geeigneten Analysemethode dienen.
KW  - Merocyanine
KW  - Supramolekulare Chemie
KW  - Self-Assembly
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-352111
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mahl, Magnus
T1  - Polycyclic Aromatic Dicarboximides as NIR Chromophores, Solid-State Emitters and Supramolecular Host Platforms
T1  - Polyzyklische aromatische Dicarboximide als NIR-Chromophore, Festkörperemitter und supramolekulare Wirtsplattformen
N2  - The present thesis introduce different synthetic strategies towards a variety of polycyclic aromatic dicarboximides (PADIs) with highly interesting and diverse properties. This included tetrachlorinated, tetraaryloxy- and tetraaryl-substituted dicarboximides, fused acceptor‒donor(‒acceptor) structures as well as sterically shielded rylene and nanographene dicarboximides. The properties and thus the disclosure of structure‒property relationships of the resulting dyes were investigated in detail among others with UV‒vis absorption spectroscopy, fluorescence spectroscopy, cyclic voltammetry and single crystal X-ray analysis. For instance, some of the fused and substituted PADIs offer strong absorption of visible and near infrared (NIR) light, NIR emission and low-lying LUMO levels. On the contrary, intriguing optical features in the solid-state characterize the rylene dicarboximides with their bulky N-substituents, while the devised sterically enwrapped nanographene host offered remarkable complexation capabilities in solution.
N2  - Die vorliegende Arbeit stellt verschiedene Synthesestrategien für eine Vielfalt an polyzyklischen aromatischen Dicarboximiden (PADIs) mit hochinteressanten und vielfältigen Eigenschaften vor. Dies beinhaltete tetrachlorierte, tetraryloxy- und tetraaryl-substituierte Dicarboximide, fusionierte Akzeptor‒Donor(‒Akzeptor)-Strukturen wie auch sterisch abgeschirmte Rylen- und Nanographen-Dicarboximide. Die Eigenschaften und damit die Offenlegung von Struktur‒Eigenschaftsbeziehungen der resultierenden Farbstoffe wurden unter anderem mittels UV‒vis Absorptionsspektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie, Zyklovoltammetrie und Einkristallstrukturanalyse detalliert untersucht. Zum Beispiel bieten einige der fusionierten und substituierten PADIs eine starke Absorption von sichtbaren und nahen Infrarot-Licht (NIR), NIR-Emission und niedrigliegende LUMO-Niveaus. Im Gegensatz dazu sind die Rylendicarboximide mit ihren voluminösen N-Substituenten durch faszinierende optische Eigenschaften im Festkörper charakterisiert, wohingegen der konzipierte sterisch eingehüllte Nanographen-Wirt bemerkenswerte Komplexierungs-Fähigkeiten in Lösung zeigte.
KW  - Organische Chemie
KW  - Perylenbisdicarboximide <Perylen-3,4:9,10-bis(dicarboximide)>
KW  - Farbstoff
KW  - Fluoreszenz
KW  - Supramolekulare Chemie
KW  - C-C coupling
KW  - dicarboximide
KW  - NIR chromophore
KW  - solid-state emitter
KW  - host-guest chemistry
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-234623
ER  - 
TY  - THES
A1  - Noll, Niklas
T1  - Second Coordination Sphere Engineering in Macrocyclic Ruthenium Water Oxidation Catalysts
T1  - Gestaltung der sekundären Koordinationssphäre von makrozyklischen Ruthenium Wasseroxidationskatalysatoren
N2  - About 2.4 billion years ago, nature has fundamentally revolutionized life on earth by inventing the multi-subunit protein complex photosystem II, the only molecular machine in nature that catalyzes the thermodynamically demanding photosynthetic splitting of water into oxygen and reducing equivalents. Nature chose a distorted Mn4CaO5 cluster as catalyst, better known as oxygen-evolving complex (OEC), thus recognizing the need for transition metals to achieve high-performance catalysts. The curiosity has always driven mankind to mimic nature’s achievements, but the performance of natural enzymes such as the oxygen-evolving complex in photosystem II remain commonly unmatched.  An important role in fine-tuning and regulating the activity of natural enzymes is attributed to the surrounding protein domain, which facilitates substrate preorganization within well-defined nanoenvironments. 
In light of growing energy demands and the depletion of fossil fuels, the unparalleled efficiency of natural photosynthesis inspires chemists to artificially mimic its natural counterpart to generate hydrogen as a ‘solar fuel’ through the light-driven splitting of water. As a result, significant efforts have been devoted in recent decades to develop molecular water oxidation catalysts based on earth-abundant transition metals and the discovery of the Ru(bda) (bda: 2,2’ bipyridine-6,6’-dicarboxylate) catalyst family enabled activities comparable to the natural OEC. Similar to the natural archetypes, the design of homogeneous catalysts that interplay judiciously with the second coordination sphere of the outer ligand framework proved to be a promising concept for catalyst design. In this present thesis, novel supramolecular design approaches for enzyme like activation of substrate water molecules for the challenging oxidative water splitting reaction were established via tailor-made engineering of the secondary ligand environment of macrocyclic Ru(bda) catalysts.
N2  - Vor etwa 2.4 Milliarden Jahren hat die Natur das Leben auf der Erde mit der Entwicklung des mehrgliedrigen Proteinkomplexes Photosystem II grundlegend revolutioniert. Dieser stellt die einzige molekulare Maschine in der Natur dar, die die thermodynamisch anspruchsvolle photosynthetische Spaltung von Wasser in Sauerstoff und reduzierende Äquivalente katalysieren kann. Als Katalyator hat die Natur hierfür ein verzerrtes Mn4CaO5-Cluster ausgewählt, welcher besser bekannt ist als Sauerstoff-produzierender Komplex (OEC, engl.: oxygen-evolving complex). Damit wird die Notwendigkeit von Übergangsmetallen als leistungsfähige Katalysatoren belegt. Die Wissbegierde hat die Menschheit schon immer dazu angetrieben, die Errungenschaften der Natur zu imitieren. Dennoch bleiben die Leistungen natürlicher Enzyme wie die des OEC in Photosystem II häufig unerreicht. Eine wichtige Rolle bei der Feinabstimmung und Regulierung der Aktivität natürlicher Enzyme nimmt die umliegende Proteindomäne ein, die die Vororganisation der Substrate in einer genau definierten Nanoumgebung ermöglicht.
Angesichts des wachsenden Energiebedarfs und der Erschöpfung von fossilen Brennstoffen werden Chemiker von der unvergleichlichen Effizienz der natürlichen Photosynthese zu deren künstlichen Nachahmung inspiriert, damit Wasserstoff als "solarer Brennstoff" durch die lichtgetriebene Spaltung von Wasser erzeugt werden kann. Infolgedessen wurden in den letzten Jahrzehnten erhebliche Anstrengungen in die Entwicklung molekularer Wasseroxidationskatalysatoren (WOKs) auf der Basis von Übergangsmetallen unternommen, wobei mit der Entdeckung der Katalysatorfamilie Ru(bda) (bda: 2,2'-Bipyridin-6,6'-dicarboxylat) Aktivitäten vergleichbar mit der des natürlichen OEC realisiert wurden. Als vielversprechendes Konzept für die Entwicklung von Katalysatoren erwies sich die Konstruktion homogener Katalysatoren, die, ähnlich zu den natürlichen Vorbildern, gezielt mit der zweiten Koordinationssphäre eines äußeren Liganden interagieren. In der hier vorliegenden Arbeit wurden neuartige supramolekulare Konzepte zur enzymartigen Aktivierung von Wassermolekülen entwickelt. Hierbei sollte durch eine maßgeschneiderte Konstruktion der sekundären Ligandenumgebung von makrozyklischen Ru(bda)-Katalysatoren die anspruchsvolle oxidative Wasserspaltungsreaktion begünstigt werden.
KW  - Katalyse
KW  - Metallosupramolekulare Chemie
KW  - Wasseroxidation
KW  - Metallosupramolecular chemistry
KW  - Catalysis
KW  - Water Oxidation
KW  - Second coordination sphere engineering
KW  - Ruthenium complexes
KW  - Ruthenium Komplexe
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-305332
ER  - 
TY  - THES
A1  - Seitz, Florian
T1  - Synthesis, enzymatic recognition and antiviral properties of modified purine nucleosides
T1  - Synthese, enzymatische Erkennung und antivirale Eigenschaften modifizierter Purin-Nukleoside
N2  - Beyond the four canonical nucleosides as primary building blocks of RNA, posttranscriptional modifications give rise to the epitranscriptome as a second layer of genetic information. In eukaryotic mRNA, the most abundant posttranscriptional modification is N6-methyladenosine (m6A), which is involved in the regulation of cellular processes. Throughout this thesis, the concept of atomic mutagenesis was employed to gain novel mechanistic insights into the substrate recognition by human m6A reader proteins as well as in the oxidative m6A demethylation by human demethylase enzymes. Non-natural m6A atomic mutants featuring distinct steric and electronic properties were synthesized and incorporated into RNA oligonucleotides. Fluorescence anisotropy measurements using these modified oligonucleotides revealed the impact of the atomic mutagenesis on the molecular recognition by the human m6A readers YTHDF2, YTHDC1 and YTHDC2 and allowed to draw conclusions about structural prerequisites for substrate recognition. Furthermore, substrate recognition and demethylation mechanism of the human m6A demethylase enzymes FTO and ALKBH5 were analyzed by HPLC-MS and PAGE-based assays using the modified oligonucleotides synthesized in this work. 
Modified nucleosides not only expand the genetic alphabet, but are also extensively researched as drug candidates. In this thesis, the antiviral mechanism of the anti-SARS-CoV-2 drug remdesivir was investigated, which causes delayed stalling of the viral RNA-dependent RNA polymerase (RdRp). Novel remdesivir phosphoramidite building blocks were synthesized and used to construct defined RNA-RdRp complexes for subsequent studies by cryogenic electron microscopy (cryo-EM). It was found that the 1'-cyano substituent causes Rem to act as a steric barrier of RdRp translocation. Since this translocation barrier can eventually be overcome by the polymerase, novel derivatives of Rem with potentially improved antiviral properties were designed.
N2  - Über die vier kanonischen Nukleoside als primäre RNA-Bausteine hinausgehend bauen posttranskriptionelle Modifikationen eine zweite Informationsebene, das Epitranskriptom, auf. Die häufigste posttranskriptionelle Modifikation in eukaryotischer mRNA ist N6-Methyladenosin (m6A), welches in die Regulierung zellulärer Prozesse involviert ist. In dieser Arbeit wurde das Konzept der atomaren Mutagenese genutzt, um neue Einblicke in die Erkennung von m6A durch menschliche m6A-bindende Proteine sowie in die oxidative Demethylierung von m6A durch menschliche Demethylase-Enzyme zu gewinnen. Es wurden nicht natürlich vorkommende m6A Atommutanten mit unterschiedlichen elektronischen und sterischen Eigenschaften synthetisiert und in RNA-Oligonukleotide eingebaut. Durch Fluoreszenzanisotropie-Messungen mit diesen Oligonukleotiden wurde der Einfluss der Atommutagenese auf die molekulare Erkennung durch die menschlichen m6A-bindenden Proteine YTHDF2, YTHDC1 und YTHDC2 untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse ließen Rückschlüsse auf die strukturellen Voraussetzungen für die Erkennung eines Substrates zu. Weiterhin wurden die in dieser Arbeit synthetisierten modifizierten Oligonukleotide zur Untersuchung von Substraterkennung und Demethylierungs-Mechanismus der menschlichen
m6A-Demethylasen FTO und ALKBH5 mittels HPLC-MS- und PAGE-basierter Analysen verwendet. 
Modifizierte Nukleoside dienen nicht nur zur Erweiterung des genetischen Alphabets, sondern werden auch als potentielle Wirkstoff-Kandidaten erforscht. In dieser Arbeit wurde der antivirale Wirkmechanismus des Anti-SARS-CoV-2-Wirkstoffes Remdesivir untersucht, der eine verzögerte Blockade der viralen RNA-abhängigen RNA-Polymerase (RdRp) bewirkt. Neuartige Remdesivir Phosphoramidit-Bausteine wurden synthetisiert und genutzt, um RNA-RdRp-Komplexe mit definierter Struktur zu konstruieren, welche anschließend mittels Cryoelektronenmikroskopie (Cryo-EM) untersucht wurden. Es wurde herausgefunden, dass der 1'-Cyano-Substituent dazu führt, dass Rem als sterische Blockade der RdRp-Translokation agiert. Da diese Tranlokationsbarriere von der Polymerase überwunden werden kann, wurden neuartige Rem-Derivate mit potentiell verbesserten antiviralen Eigenschaften entworfen.
KW  - Nucleinsäuren
KW  - Nucleoside
KW  - Demethylierung
KW  - COVID-19
KW  - SARS-CoV-2
KW  - Demethylase
KW  - Epitranskriptom
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-313238
ER  - 
TY  - THES
A1  - Stiller, Carina
T1  - Synthesis and applications of modified nucleosides and RNA nucleotides
T1  - Synthese und Anwendungen von modifizierten Nukleosiden und RNA-Nukleotiden
N2  - As central components of life, DNA and RNA encode the genetic information. However, RNA performs several functions that exceed the competences stated in the ‘central dogma of life‘. RNAs undergo extensive post-transcriptional processing like chemical modifications. Among all classes of RNA, tRNAs are the most extensively modified. Their modifications are chemically diverse and vary from simple methylations (e.g. m3C, m6A) to more complex residues, like isopentenyl group (e.g. i6A, hypermodifications: e.g. ms2i6A) or even amino acids (e.g. t6A). Depending on their location within the overall structure, modifications can have an impact on tRNA stability and structure, as well as affinity for the ribosome and translation efficiency and fidelity. Given the importance of  tRNA modifications new tools are needed for their detection and to study their recognition by proteins and enzymatic transformations.
The chemical synthesis of these naturally occurring tRNA modifications as phosphoramidite building blocks is a prerequisite to incorporate the desired modification via solid-phase synthesis into oligonucleotides. With the help of the m3C, (ms2)i6A, and t6A oligonucleotides, the importance and impact of tRNA modifications was investigated in this thesis. To this end, the role of METTL8 as the methyltransferase responsible for the installation of the methyl group at C32 for mt-tRNAThr and mt-tRNASer(UCN) was resolved. Thereby, the respective adenosine modification on position 37 is essential for the effectiveness of the enzyme. Besides, by means of NMR analysis, CD spectroscopy, thermal denaturation experiments, and native page separation, the impact of m3C32 on the structure of the tRNA ASLs was shown. The modification appeared to fine-tune the tRNA structure to optimize mitochondrial translation. To investigate the regulation of the dynamic modification pathway of m3C, demethylation assays were performed with the modified tRNA-ASLs and the (α-KG)- and Fe(II)-dependent dioxygenase ALKBH1 and ALKHB3. A demethylation activity of ALKBH3 on the mt-tRNAs was observed, even though it has so far only been described as a cytoplasmic enzyme. Whether this is physiologically relevant and ALKBH3 present a mitochondrial localization needs further validation. In addition, ALKBH1 was confirmed to not be able to demethylate m3C on mt-tRNAs, but indications for a deprenylation and exonuclease activity were found. Furthermore, the aforementioned naturally occurring modifications were utilized to find analytical tools that can determine the modification levels by DNAzymes, which cleave RNA in the presence of a specific modification. Selective DNA enzymes for i6A, as well as the three cytidine isomers m3C, m4C, and m5C have been identified and characterized. 
Besides the naturally occurring tRNA modifications, the investigation on artificially modified nucleosides is also part of this thesis. Nucleosides with specific properties for desired applications can be created by modifying the scaffold of native nucleosides.
During the pandemic, the potential of antiviral nucleoside analogues was highlighted for the treatment of the SARS-CoV-2 infection. For examinations of the potential drug-candidate Molnupiravir, the N4-hydroxycytidine phosphoramidite building block was synthesized and incorporated into several RNA oligonucleotides. A two-step model for the NHC-induced mutagenesis of SARS-CoV-2 was proposed based on RNA elongation, thermal denaturation, and cryo-EM experiments using the modified RNA strands with the recombinant SARS-CoV-2 RNA-dependent RNA polymerase. Two tautomeric forms of NHC enable base pairing with guanosine in the amino and with adenosine in the imino form, leading to error catastrophe after the incorporation into viral RNA. These findings were further corroborated by thermal melting curve analysis and NMR spectroscopy of the NHC-containing Dickerson Drew sequence. In conclusion, the anti-amino form in the NHC-G base pair was assigned by NMR analysis using a 15N-labeld NHC building block incorporated into the Dickerson Drew sequence. 
This thesis also addressed the synthesis of a 7-deazaguanosine crosslinker with a masked aldehyde as a diol linker for investigations of DNA-protein interactions. The diol functional group can be unmasked to release the reactive aldehyde, which can specifically form a covalent bond with amino acids Lys or Arg within the protein complex condensin. The incorporation of the synthesized phosphoramidite and triphosphate building blocks were shown and the functionality of the PCR product containing the crosslinker was demonstrated by oxidation and the formation of a covalent bond with a fluorescein label. 
The development of assays that detect changes in this methylation pattern of m6A could provide new insights into important biological processes. In the last project of this thesis, the influence of RNA methylation states on the structural properties of RNA was analyzed and a fluorescent nucleoside analog (8-vinyladenosine) as molecular tools for such assays was developed. Initial experiments with the fluorescent nucleoside analog N6-methyl-8-vinyladenosine (m6v8A) were performed and revealed a strong fluorescence enhancement of the free m6v8A nucleoside by the installation of the vinyl moiety at position 8.
Overall, this thesis contributes to various research topics regarding the application of naturally occurring and artificial nucleoside analogues. Starting with the chemical synthesis of RNA and DNA modifications, this thesis has unveiled several open questions regarding the dynamic (de-)methylation pathway of m3C and the mechanism of action of molnupiravir through in-depth analysis and provided the basis for further investigations of the protein complex condensin, and a new fluorescent nucleoside analog m6v8A.
N2  - Als zentrale Bestandteile des Lebens kodieren DNA und RNA die genetische Information. Die RNA erfüllt jedoch noch mehr Funktionen, die über die im 'zentralen Dogma des Lebens' ge-nannten Kompetenzen hinausreichen. RNA Stränge werden posttranskriptionell verändert, wie zum Beispiel durch chemische Modifikationen. tRNAs sind unter allen RNA-Klassen am umfangreichsten und chemisch vielfältigsten modifiziert. Ihre Modifikationen reichen von ein-fachen Methylierungen (z. B. m3C oder m6A) bis hin zu komplexeren Resten, wie einer Iso-pentenyl-Gruppe (i6A, Hypermodifikation: z. B. ms2i6A) oder sogar Aminosäuren (t6A). Ab-hängig von ihrer Position innerhalb der tRNA können Modifikationen Einfluss auf die tRNA Stabilität und Struktur, sowie die Affinität zu den Ribosomen und die Translationseffizienz und Genauigkeit, haben. Angesichts dieser Bedeutung von tRNA-Modifikationen werden zum einen Nachweisemethoden zur Detektion von Modifikationen, als auch Werkzeuge zur Unter-suchung der Erkennungsmechanismen spezifischer Proteine und deren enzymatischer Funk-tionalisierung benötigt. 
Dabei ist die chemische Synthese dieser natürlichen Modifikationen als Phosphoramidit-Bausteine die Voraussetzung, um die gewünschte Modifikation überhaupt erst über Festpha-sensynthese in Oligonukleotide einbauen zu können. Mit Hilfe der m3C-, (ms2)i6A- und t6A-modifizierten Oligonukleotide wurde die Bedeutung dieser tRNA-Modifikationen für die Struk-tur und Funktionalität des jeweiligen tRNA Anticodon-Loops (ACL) untersucht.
Ein Kapitel dieser Arbeit klärte die tatsächliche Rolle von METTL8 auf. Als Methyltransferase ist das Protein für den Einbau der Methylgruppe an C32 in den mitochondrialen tRNAThr und tRNASer(UCN) verantwortlich, kann dies aber nur bewerkstelligen, wenn zuvor bereits eine ent-sprechende Adenosin-Modifikation an A37 installiert wurde. Außerdem wurde mittels NMR-Analyse, CD-Spektroskopie, Schmelzkurvenanalysen und Gelelektrophorese der Einfluss von m3C32 auf die Struktur der tRNA Anticodon-Stem-Loops (ASLs) gezeigt. Die Modifikation scheint die tRNA-Struktur anzupassen, um die mitochondriale Translation zu optimieren.
Um herauszufinden, wie die dynamischen Modifikationswege von m3C reguliert werden, wurden mit den modifizierten tRNA-ASLs und den (α-KG)- und Fe(II)-abhängigen Dio-xygenasen ALKBH1 und ALKHB3 Demethylierungsassays durchgeführt. Obwohl ALKBH3 bisher nur als 
cytoplasmatisches Enzym bekannt war, konnte es mt-tRNAs demethylieren. Inwiefern diese Aktivität physiologisch relevant ist und ob ALKBH3 vielleicht zusätzlich auch eine mitochond-riale Lokalisierung aufweist, muss noch weiter untersucht werden. Zudem wurde gezeigt, dass ALKBH1 m3C32-modifizierte mt-tRNAs nicht demethylieren kann, es jedoch Hinweise darauf gibt, dass ALKBH1 zusätzlich zu der bereits beschriebenen Aktivität der Oxidation von m5C zu f5C in mitochondrialer tRNAMet eine noch näher zu untersuchende Deprenylierungs- und Exonuklease-Aktivität besitzt.
Außerdem wurden die zuvor erwähnten natürlichen Modifikationen verwendet, um DNA-Enzyme als analytische Werkzeuge zur Bestimmung des Modifikationsgrades zu finden. Die Enzyme katalysieren die Spaltung von RNA, falls eine spezielle Modifikation vorhanden ist. Es wurden selektive DNA-Enzyme für i6A sowie die drei Cytidin-Isomere m3C, m4C und m5C identifiziert und charakterisiert.
Neben den posttranskriptionalen Modifikationen war auch die Untersuchung künstlich modifi-zierter Nukleoside ein Teil dieser Arbeit. Das Gerüst nativer Nukleoside kann so modifiziert werden, dass die Nukleoside spezifischen Eigenschaften für die gewünschte Anwendung erhalten.
Während der Pandemie wurde antiviralen Nukleosidanaloga zur Behandlung der SARS-CoV-2-Infektion eine große Bedeutung zugeschrieben. Um den potenziellen Arzneimittelkandidaten Molnupiravir zu untersuchen, wurde N4-Hydroxycytidin als Phosphoramidit-Baustein syntheti-siert und in mehrere RNA-Oligonukleotide mittels Festphasensynthese eingebaut. Basierend auf den Ergebnissen von RNA-Elongations-, thermischen Denaturierungs- und Cryo-EM-Experimenten, bei denen die modifizierten RNA-Stränge und die rekombinante SARS-CoV-2-RNA-abhängige RNA-Polymerase verwendet wurde, wurde ein zweistufiges Modell für die NHC-induzierte Mutagenese von SARS-CoV-2 postuliert. Dieser Mechanismus wird durch die zwei tautomeren Formen von NHC ermöglicht, wobei die Amino-Form ein Basenpaar mit Guanosin bildet und die Imino-Form mit Adenosin basenpaaren kann. Nach dem Einbau in die virale RNA kommt es zu Mutationen und zur sogenannten Fehlerkatastrophe. Diese Er-kenntnisse wurden durch thermische Schmelzkurvenanalyse und NMR-Spektroskopie der NHC-haltigen Dickerson Drew Sequenz ergänzt. Mit Hilfe eines 15N-markierten NHC-Bausteins, der in die Dickerson Drew Sequenz eingebaut wurde, konnte schließlich die Anti-Amino Form in dem NHC-G Basenpaar durch NMR-Analyse eindeutig nachgewiesen wer-den. 
Ein weiteres Forschungsprojekt dieser Arbeit befasste sich mit der Synthese eines 7-Deazaguanosin-Crosslinkers, welcher einen geschützten Aldehyd als Diol-Linker enthielt. Die-ser Crosslinker sollte zur Untersuchung von DNA-Protein-Interaktionen dienen. Der Einbau der synthetisierten Phosphoramidit- und Triphosphat-Bausteine konnte erfolgreich durchge-führt werden und die Funktionalität des PCR-Produktes, welches den Crosslinker enthielt, wurde durch Oxidation und die Bildung einer kovalenten Bindung mit einem Fluorescein-Label demonstriert.
Der letzte Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit der der Entwicklung eines Assays, um Ver-änderungen im Methylierungslevel von m6A nachweisen zu können. Dies könnte neue Einbli-cke in wichtige biologische Prozesse liefern. Daher wurde im letzten Projekt der Einfluss von RNA-Methylierungszuständen auf die strukturellen Eigenschaften von RNA untersucht und dafür ein fluoreszierendes Nukleosidanalog (8-Vinyladenosin) als molekulares Werkzeug ent-wickelt. Die ersten Experimente mit dem Nukleosidanalog N6-Methyl-8-Vinyladenosin (m6v8A) zeigten einen deutlichen Fluoreszenzanstieg durch den Einbau der Vinyleinheit an Position 8 im Vergleich zu dem nicht fluoreszierenden m6A.
Insgesamt trägt diese Arbeit zu verschiedenen Forschungsthemen bezüglich der Anwendung von natürlich vorkommenden und künstlichen Nukleosidanaloga bei. Ausgehend von der chemischen Synthese von RNA- und DNA-Modifikationen hat diese Arbeit durch eingehende Analysen mehrere offene Fragestellungen zum dynamischen (De-)Methylierungsweg von m3C und zum Wirkmechanismus von Molnupiravir aufgedeckt und die Grundlage für weitere Untersuchungen des Proteinkomplexes Condensin und eines neuen fluoreszierenden Nukle-osidanalogons m6v8A geschaffen.
KW  - Nucleinsäuren
KW  - Chemische Synthese
KW  - SARS-CoV-2
KW  - Oligonucleotide
KW  - Festphasensynthese
KW  - Crosslinker
KW  - Phosphoramidite
KW  - Methyltransferase
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-311350
ER  - 
TY  - THES
A1  - Menekşe, Kaan
T1  - Fabrication of Organic Solar Cells, Screening of Non-Fullerene Acceptors and the Investigation of their Intermolecular Interactions
T1  - Herstellung von organischen Solarzellen, Screening von Nicht-Fulleren-Akzeptoren und die Untersuchung ihrer intermolekularen Wechselwirkungen
N2  - In this thesis, intermolecular acceptor-acceptor interactions in organic solar cells based on new non-fullerene acceptors are addressed. For this purpose, first the reproducibility of organic electronic devices was tested on a new facility for their fabrication. This was followed by the screening for new acceptor materials. Based on this, three molecular systems were investigated with regard to their acceptor-acceptor interactions and their influence on solar cell efficiency.
N2  - In der vorliegenden Doktorarbeit werden zwischenmolekulare Akzeptor-Akzeptor Wechselwirkungen in organischen Solarzellen auf Basis von neuen nichtfulleren Akzeptoren behandelt. Dazu wurde zuerst die Reproduzierbarkeit von organischen Bauteilelementen an einer neuen Anlage zur Fertigung ebendieser getestet. Anschließend erfolgte die Suche nach neuen Akzeptormaterialien. Darauf aufbauend wurden drei Molekülsysteme hinsichtlich ihrer Akzeptor-Akzeptor Wechselwirkungen und deren Einfluss auf die Solarzelleneffizienz untersucht.
KW  - Organische Solarzelle
KW  - Nicht-Fulleren Akzeptor
KW  - Non-Fullerene Acceptor
KW  - Intermolekulare Wechselwirkungen
KW  - Intermolecular Interactions
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-291124
ER  - 
TY  - THES
A1  - Scheitl, Carolin P. M.
T1  - In vitro selected ribozymes for RNA methylation and labeling
T1  - In vitro selektierte Ribozyme für Methylierung und Markierung von RNA
N2  - The focus of this work was the development and application of highly efficient RNA catalysts for the site-specific modification of RNA with special focus on methylation. In the course of this thesis, the first methyltransferase ribozyme (MTR1), which uses m6G as the methyl group donor was developed and further characterized. The RNA product was identified as the natural modification m1A. X-Ray crystallography was used to solve the 3D structure of the ribozyme, which directly suggested a plausible reaction meachnism. The MTR1 ribozyme was also successfully repurposed for a nucleobase transformation reaction of a purine nucleoside. This resulted in a formyl-imidazole moiety directly on the intact RNA, which was directly used for further bioconjugation reactions. Finally, additional selections and reselections led to the identification of highly active alkyltransferase ribozymes that can be used for the labeling of various RNA targets
N2  - Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Entwicklung sowie Anwendung hocheffizienter RNA-Katalysatoren für die positionsspezifische Modifikation von RNA mit besonderem Fokus auf Methylierungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das erste Methyltransferase-Ribozym (MTR1), das m6G als Methylgruppendonor verwendet, entwickelt und näher charakterisiert. Das RNA-Produkt wurde als die natürliche Modifikation m1A identifiziert. Mit Hilfe der Röntgenkristallographie wurde des Weiteren die 3D-Struktur des Ribozyms aufgeklärt, was direkt auf ein plausibles Reaktionsmuster schließen ließ. Das MTR1-Ribozym wurde zudem erfolgreich für eine Nukleobasen-Transformationsreaktion eines Purins verwendet, bei der eine Formyl-Imidazol-Einheit direkt an der intakten RNA gebildet wird. Dieses Reaktionsprodukt wurde für positionsgenaue Biokonjugationsreaktionen verwendet. Schließlich führten zusätzliche Selektionen und weitere Reselektionen zur Identifizierung hochaktiver Alkyltransferase-Ribozyme, die für die Markierung verschiedener Ziel-RNAs verwendet werden können.
KW  - RNA labeling
KW  - Methyltransferase
KW  - Methylierung
KW  - Ribozym
KW  - SELEX
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-330049
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sánchez Naya, Roberto
T1  - Synthesis and Characterization of Dye-Containing Covalent Organic Frameworks
T1  - Synthese und Charakterisierung von farbstoffhaltigen kovalenten organischen Netzwerken
N2  - The present thesis adress the synthesis and characterization of novel COFs that contain dye molecules as integral components of the organic backbone. These chromophore-containing frameworks open new research lines in the field and call for the exploration of applications such as catalysis, sensing, or in optoelectronic devices. Initially, the fabrication of organic-inorganic composites by the growth of DPP TAPP COF around functionalized iron oxide nanoparticles is reported. By varying the ratio between inorganic nanoparticles and organic COFs, optoelectronic properties of the materials are adjusted. The document also reports the synthesis of a novel boron dipyrromethene-containing (BODIPY) COF. Synthesis, full characterization and the scope of potential applications with a focus on environmental remediation are discussed in detail. Last, a novel diketopyrrolopyrrole-containing (DPP) DPP-Py-COF based on the combination of DDP and pyrene building blocks is presented. The very low bandgap of these materials and initial investigations on the photosensitizing properties are discussed.
N2  - Die Forschung an modernen porösen Materialien hat die Entwicklung von COFs als robuste,
leichtgewichtige, hochgeordnete und vielseitig einsetzbare organische Materialien
vorangetrieben. Der Einsatz von DCC ist entscheidend für den Aufbau hochkristalliner
Netzwerke, die in der Lage sind, strukturelle Defekte selbst zu heilen (Kapitel 2.2). Für die
einfache Bildung wohldefinierter Kristallite wurden verschiedene synthetische Strategien
entwickelt (Kapitel 2.3). Darüber hinaus ist ein detailliertes Verständnis über die
verschiedenen Reaktionen, die für die kovalente Verknüpfung organischer Bausteine eingesetzt
werden (Kapitel 2.4), und der verschiedenen Topologien, die sich nach der Vernetzung ergeben
(Kapitel 2.5), von grundlegender Bedeutung für die Entwicklung einer breiten Auswahl von
Materialien für gezielte Anwendungen. ...
KW  - Organische Chemie
KW  - Porosität
KW  - Covalent Organic Framework
KW  - Reticular Chemistry
KW  - Dye
KW  - Porous Materials
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-288996
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mahlmeister, Bernhard
T1  - Twisted Rylene Bisimides for Organic Solar Cells and Strong Chiroptical Response in the Near Infrared
T1  - Kernverdrillte Rylenbisimide für organische Solarzellen und starke chirooptische Eigenschaften im Nahinfrarot
N2  - The chirality of the interlocked bay-arylated perylene motif is investigated upon its material prospect and the enhancement of its chiroptical response to the NIR spectral region. A considerable molecular library of inherently chiral perylene bisimides (PBIs) was utilized as acceptors in organic solar cells to provide decent device performances and insights into the structure-property relationship of PBI materials within a polymer blend. For the first time in the family of core-twisted PBIs, the effects of enantiopurity on the device performance was thoroughly investigated. The extraordinary structural sensitivity of CD spectroscopy served as crucial analytical tool to bridge the highly challenging gap between molecular properties and device analytics by proving the excitonic chirality of a helical PBI dimer. The chirality of this perylene motif could be further enhanced on a molecular level by both the expansion and the enhanced twisting of the π-scaffold to achieve a desirable strong chiroptical NIR response introducing a new family of twisted QBI-based nanoribbons. These achievements could be substantially further developed by expanding this molecular concept to a supramolecular level. The geometrically demanding supramolecular arrangement necessary for the efficient excitonic coupling was carefully encoded into the molecular design. Accordingly, the QBIs could form the first J-type aggregate constituting a fourfold-stranded superhelix of a rylene bisimide with strong excitonic chirality. Therefore, this thesis has highlighted the mutual corroboration of experimental and theoretical data from the molecular to the supramolecular level. It has demonstrated that for rylene bisimide dyes, the excitonic contribution to the overall chiroptical response can be designed and rationalized. This can help to pave the way for new organic functional materials to be used for
chiral sensing or chiral organic light-emitting devices.
N2  - Die Chiralität des verzahnten Bucht-arylierten Perylenmotivs wurde im Hinblick auf seine Materialanwendung sowie die Verstärkung seiner chiroptischen Eigenschaften im NIR-Spektralbereich untersucht. Eine umfangreiche Molekülbibliothek von inhärent chiralen PBIs wurde als NFAs in OSCs verwendet, um sowohl gute Solarzelleneffizienzen sowie Einblicke in die Struktur-Eigenschafts-Beziehung von PBI Materialien innerhalb einer Polymermischung zu erhalten. Zum ersten Mal wurden für kernverdrillte PBIs die Auswirkungen der Enantiomerenreinheit auf die Effizienz von organischen Dünnfilmbauteilen untersucht. Die außerordentliche strukturelle Empfindlichkeit der CD Spektroskopie diente als entscheidendes Analysewerkzeug, um die hoch anspruchsvolle Lücke zwischen der Analytik molekularer Eigenschaften und der Bauteilanalytik zu schließen, indem die exzitonische Chiralität eines helikalen PBI-Dimers nachgewiesen wurde. Die Chiralität dieses Perylenmotivs konnte auf molekularer Ebene weiter verstärkt werden, indem das π-Gerüst sowohl erweitert als auch stärker verdrillt wurde, um wünschenswert starke chiroptische Eigenschaften im NIR-Bereich zu erzielen und so eine neue Molekülfamilie kernverdrillter QBIs zu definieren. Diese Errungenschaften konnten durch die Ausweitung dieses molekularen Konzepts auf eine supramolekulare Ebene noch erheblich weiterentwickelt werden. Die geometrisch anspruchsvolle supramolekulare Anordnung, die für die effiziente exzitonische Kopplung erforderlich ist, wurde sorgfältig in das molekulare Design kodiert. Dementsprechend stellt das präsentierte QBI in seiner vierfach versetzt gestapelten Superhelix das erste Rylenbisimid-J-Aggregat dar, welches eine starke exzitonische Chiralität zeigt.    
Somit hat die Arbeit hat die gegenseitige Bestätigung von experimentellen und theoretischen Daten von der molekularen bis hin zur supramolekularen Ebene herausgestellt und gezeigt, dass für Rylenbisimid-Farbstoffe der exzitonische Beitrag zu den chiroptischen Eigenschaften konzipiert, synthetisch realisiert und quantenmechanisch verstanden werden kann. Dies kann den Weg für neue organische Funktionsmaterialien ebnen, die für chirale Sensoren oder Licht emittierende Bauteile verwendet werden können.
KW  - Molekül
KW  - Chiralität <Chemie>
KW  - Exziton
KW  - Organische Solarzelle
KW  - Supramolekulare Chemie
KW  - organic solar cell
KW  - non-fullerene acceptor
KW  - perylene bisimide
KW  - quaterrylene bisimide
KW  - inherent chirality
KW  - excitonic chirality
KW  - supramolecular chemistry
KW  - self-assembly
KW  - near infrared chirality
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-346106
ER  -