@phdthesis{Ruehl2014,
  author    = {R{\"u}hl, Nicolas},
  title     = {Spektroelektrochemie an einzelnen (6,5)-Kohlenstoffnanor{\"o}hren},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-112162},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde durch einzelmolek{\"u}lspektroskopischer bzw. -mikroskopischer Methoden in Kombination mit einer mikrofluischen Zel- le unter Potenzialkontrolle die Elektrochemie von einzelnen einwandigen (6,5)- Kohlenstoffnanor{\"o}hren untersucht. Hierf{\"u}r wurde ein Nahinfrarot-Photolumineszenz- Mikroskop aufgebaut und eine speziell an die experimentellen Vorgaben angepasste elektrochemische Zelle entwickelt, insofern als drei Elektroden (Arbeits-, Gegen- und Referenzelektrode) in einen mikrofluidischen Chip integriert wurden. Dar{\"u}ber hinaus war f{\"u}r die Durchf{\"u}hrung der Experimente unter Wasser- und Sauerstoffaus- schluss die Konstruktion eines Handschuhkastens notwendig, sowie eine allgemeine Vorbehandlung der Elektrolytl{\"o}sungen zur Entfernung gel{\"o}ster Gase und Wasserreste. Ein weiteres Projekt umfasste den Aufbau einer chemischen Gasphasenabschei- dungsapparatur zur Synthese von Kohlenstoffnanor{\"o}hren. Die hierbei durchgef{\"u}hrten Experimente erbrachten Klarheit {\"u}ber den Einfluss der Prozessparameter Druck, Temperatur und Durchflussrate an Edukten. Aus den PL-Intensit{\"a}ts{\"a}nderungen bei Potenzialvariation konnten Reduktions- und Oxidationspotenziale (ERed = 0.15 V; EOx = 1.34 V) einzelner (6,5)-SWNTs gegen- {\"u}ber einer Platin Referenzelektrode und einem daraus resultierenden Redoxpotenzial von ∆ERedOx = 1.19 V ermittelt werden. Durch diese einzelmolek{\"u}lspektroskopische Methode konnte zum einen gew{\"a}hrleistet werden, dass nur dieser spezielle Chira- lit{\"a}tstyp untersucht wurde und zum anderen eine Verf{\"a}lschung der Resultate durch einen Potenzialabfall wie er typischerweise in CNT-Filmen auftritt aussgeschlossen werden. Eine Kombination der PL-Daten mit der Ramanintensit{\"a}tsabh{\"a}ngigkeit des (6,5)-SWNT-S2-{\"U}bergangs bei Potenzialvariation erlaubte eine genauere Analyse des L{\"o}schmechanismus der PL von Kohlenstoffnanor{\"o}hren. Mithilfe eines von Her- tel et al. entwickelten diffusionslimitierten Stoßdesaktivierungsmodells konnte eine invers-quadratische Proportionalit{\"a}t zwischen der (6,5)-SWNT-Emission und den spannungsinduzierten Ladungstr{\"a}gern ausgemacht werden. Auf Grundlage dieses Ergebnisses folgt, dass die {\"u}ber Photolumineszenz{\"a}nderungen ermittelten Reduktions-und Oxidationswerte nicht mit den Bandkanten der CNTs {\"u}bereinstimmen m{\"u}ssen, und dass f{\"u}r deren Bestimmung vielmehr auf Raman- bzw. Absorptionsspektroskopi- sche Techniken zur{\"u}ckgegriffen werden muss. Die einzelmolek{\"u}lspektroskopische Herangehensweise erm{\"o}glichte ferner eine statis- tische Analyse der Verteilung der Reduktions- und Oxidationspotenziale im Vergleich zu den jeweiligen Erwartungswerten. Hierdurch konnte eine Einteilung der Modifika- tionseinfl{\"u}sse auf das SWNT-Redoxverhalten in zwei Grenzf{\"a}lle erfolgen. Es wurde angenommen, dass diese als "Dispergiermitteleffekte" und "CNT-Strukturdefekte" be- zeichneten Auswirkungen entweder das Resultat einer heterodispersen Verteilung an DOC auf der CNT-Oberfl{\"a}che oder eine Folge von Defekten in der CNT-Gitterstruktur waren. In diesem Zusammenhang ergab sich aus der interpartikul{\"a}ren Analyse der Reduktions- und Oxidationswerte eine Korrelation, die einem dominierenden Einfluss der "CNT-Strukturdefekte" zugeordnet werden konnte. Dieser Beobachtung entgegen- gesetzt konnten aber auch {\"u}ber Untersuchungen der Redoxpotenziale innerhalb einer (6,5)-SWNT lokale Bereiche ausgemacht werden, die eine signifikante Abh{\"a}ngigkeit von "Dispergiermitteleffekte" aufwiesen. Abgesehen von diesen Einfl{\"u}ssen auf den Emissionsverlauf wurde auch eine Be- trachtung der Breite des spannungsgesteuerten Emissionsabfall durchgef{\"u}hrt. Da- raus konnte ermittelt werden, dass diese Ausdehnung eine Konsequenz aus der PL- L{\"o}schungseffizienz der Ladungstr{\"a}ger ist und, dass bei einer Verteilung von 0.32 L{\"o}schzentren pro Nanometer eine vollst{\"a}ndige Abnahme der Photolumineszenzinten- sit{\"a}t induziert wird. Dar{\"u}ber hinaus wurde im Rahmen dieser Arbeit das redoxchemische Verhalten in- dividueller (6,5)-SWNTs in Wechselwirkung mit Ferrocenmolek{\"u}len untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse ließen annehmen, dass die sich ausbildende Verbindung nicht-kovalenter Natur ist. Zwei verschiedene Gr{\"u}nde f{\"u}hrten zu dieser Erkennt- nis: einerseits ließen sich die Ferrocenmolek{\"u}le von der CNT-Oberfl{\"a}che durch ein Durchsp{\"u}len des mikrofluidischen Kanals mit einer reinen DMF-L{\"o}sung entfernen und andererseits war keine dauerhafte Emissionsminderung durch die Ausbildung kovalenter Bindungen zu beobachten. Aus der potenzialabh{\"a}ngigen PL wurde zudem ein Elektronentransfer der Ferrocenmolek{\"u}le in die optisch generierten L{\"o}cher des CNT-Valenzbandes festgestellt und {\"u}ber eine anregungsintensit{\"a}tsabh{\"a}ngige Messung die Zunahme dieses Ladungstransfers bei steigendem Photonenfluss nachgewiesen. Hinsichtlich der Anwendung von Kohlenstoffnanor{\"o}hren zur Elektrolyse bzw. Photo- lyse von Wasser wurde auch die Redoxchemie von (6,5)-SWNTs in diesem Solvens untersucht. Bez{\"u}glich der Emissionsintensit{\"a}t konnte gezeigt werden, dass diese im Vergleich zu organischen L{\"o}sungsmitteln reduziert vorliegt. Außerdem wurde eine irreversible Reaktion nach anodischer Polarisation {\"u}ber eine dauerhafte L{\"o}schung der PL beobachtet. Die Bestimmung der hierf{\"u}r notwendigen Reaktionsumst{\"a}nde erbrachte, dass Wasser, Exzitonen (erzeugt durch optische Anregung) und spannungs- induzierte L{\"o}cher im Valenzband zur Bildung einer [SWNT(Q)]-Spezies f{\"u}hren, welche die irreversible Minderung der CNT-Emission verursacht. Dar{\"u}ber hinaus konnte die Reaktionsgeschwindigkeit {\"u}ber eine Kinetik pseudo-nullter-Ordnung be- schrieben werden, unter der Voraussetzung, dass die soeben genannten Parameter konstant verblieben. Desweiteren zeigte sich in einer ferrocenhaltigen L{\"o}sung, dass der L{\"o}scheffekt der [SWNT(Q)]-Spezies im anodischen Potenzialbereich teilweise reduziert wird. Es wurde angenommen, dass diese Beobachtung auf eine Oxidation der L{\"o}schzentren durch die Fc+-Kationen gr{\"u}ndet. Mit Hilfe der CVD-Apparatur gelang es Kohlenstoffnanor{\"o}hren zu synthetisieren, wobei Ethanol als Kohlenstoffquelle und ein Eisen-Kobalt-Zeolith-Gemenge als Ka- talysator diente. Die Analyse der verschiedenen Prozessparameter zeigte, dass bei T = 750 °C das beste Verteilungsverh{\"a}ltnis zwischen den gew{\"u}nschten (6,5)-SWNTs und anderen CNT-Chiralit{\"a}ten bzw. dem amorphen Kohlenstoff vorliegt. Hierf{\"u}r war, dass bei T < 750 °C die Verbrennung unerw{\"u}nschter amorpher Kohlenstoffreste nur geringf{\"u}gig stattfindet, und dass bei T > 750 °C die Bildung anderer Chiralit{\"a}ten mit gr{\"o}ßerem Durchmesser als die (6,5)-SWNT bevorzugt wurde. Die Variation der Durchflussrate hingegen wirkte sich nur in einer absoluten Zunahme aller Chirali- t{\"a}ten aus. Die Steigerung des (6,5)-SWNT-Anteils f{\"u}r h{\"o}here Durchfl{\"u}sse gelang trotzdem durch die geschickte Auswahl geeigneter Druck- und Temperaturwerte. Die Experimente zur Untersuchung der Druckabh{\"a}ngigkeit wiesen auf eine Relation mit dem Gesetz von Le Chatelier hin, insofern als bei einer Druckverringerung eine Verschiebung der Ethanol-Crackreaktion auf Produktseite stattfand. In diesem Zusam- menhang wurde angenommen, dass die damit verst{\"a}rkt gebildeten Molek{\"u}le Ethan, Ethen und Methan den CNT-Anteil zwar erh{\"o}hen, jedoch auch eine Steigerung der amorphen Kohlenstoffkonzentration verursachen. Dementsprechend ergab ein Druck von p = 9 mbar das beste (6,5)-SWNT zu dem amorphen Kohlenstoffverh{\"a}ltnis. Anhand der Arbeiten in dieser Dissertation sind neue Erkenntnisse zwischen der PL-Sensitivit{\"a}t von (6,5)-SWNTs und deren Ladungszustand erhalten worden. Insbe- sondere die genaue Bestimmung der Korrelation zwischen der Photolumineszenz und den induzierten Ladungstr{\"a}gern erm{\"o}glicht einen gezielteren Einsatz von Kohlenstoff- nanor{\"o}hren - so zum Beispiel im Bereich der Sensorik. In diesem Zusammenhang zeigen auch die interpartikul{\"a}ren Analysen der Redoxpotenzialverteilung die genau- en Auswirkungen vom L{\"o}sungsmittel und der Defektdichte auf die elektronische Struktur der CNTs auf. Dar{\"u}ber hinaus kann aus der Ursachenbestimmung f{\"u}r die Varianz der literaturbekannten Reduktions- bzw. Oxidationspotenziale fortan die ge- eignete spektroskopische Methode zur Evaluierung der Position von Leitungs- und Valenzband in Kohlenstoffnanor{\"o}hren besser eingegrenzt werden. Die spektroelektro- chemischen Analysen von (6,5)-SWNTs im L{\"o}sungsmittel Wasser und speziell die Bestimmung der Kinetik f{\"u}r die auftretende Reaktion liefern einen tieferen Einblick in die Wechselwirkung (6,5)-SWNT-H2O. Diese Ergebnisse sind insbesondere bei der Verwendung von Kohlenstoffnanor{\"o}hren als Elektrodenmaterial f{\"u}r die photolytische bzw. elektrolytische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff von Bedeu- tung. Neben der Untersuchung der SWNT-Wasser Interaktion unter andoischer und optischer Anregung, die zu einer kovalenten Bindung f{\"u}hrte, wurde mit Hilfe der (6,5)- SWNT-Ferrocen Wechselwirkung ein Beispiel f{\"u}r eine nichtkovalente Redoxreaktion dargestellt, womit ein Vergleich dieser beiden Spezies und ihrer unterschiedlichen Auswirkungen auf die elektronische Struktur aufgezeigt werden konnte.},
  subject      = {Spektroelektrochemie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Schubert2021,
  author    = {Schubert, Jonathan},
  title     = {Bildgebende Zweifarben-Einzelmolek{\"u}l-PET-Fluoreszenzspektroskopie am molekularen Chaperon Hsp90},
  doi       = {10.25972/OPUS-24493},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-244938},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {Im Forschungsfeld der Proteindynamik h{\"a}ufen sich in den letzten Jahren Untersuchungen an einzelnen Molek{\"u}len. Damit k{\"o}nnen molekulare Ereignisse, die in konventioneller Spektroskopie durch stochastische Prozesse unentdeckt bleiben, durch direkte Beobachtung identifiziert und analysiert werden, was zu tieferem mechanistischem Verst{\"a}ndnis des untersuchten Systems beitragen kann. Die Implikation des molekularen Chaperons Hsp90 in die korrekte Faltung und Aktivierung einer Vielzahl davon abh{\"a}ngiger Klientenproteine machen es zu einem zentralen Knotenpunkt der zellul{\"a}ren Proteinhom{\"o}ostase, allerdings ist der Mechanismus seiner breiten Klientenerkennung und -prozessierung bisher nur l{\"u}ckenhaft untersucht. Mit der Erkenntnis, dass Hsp90 ATP abh{\"a}ngig große, ratenlimitierende Umstrukturierungen erf{\"a}hrt, wurden Reportersysteme entwickelt, die auf dem F{\"o}rster-Resonanzenergietransfer mit einer r{\"a}umlichen Aufl{\"o}sung von ca. 2-10 nm basieren. Diese dokumentieren einen Klammerschluss des Chaperons und prognostizieren einen intermediatbbasierten Konformations-Zyklus. Details {\"u}ber den Mechanismus der Umstrukturierungen wurden mit der Entwicklung von Reportersystemen ermittelt, die auf dem photoinduzierten Elektronentransfer zwischen der Aminos{\"a}ure Tryptophan und einem organischen Farbstoff basieren. Die Technik beruht auf kontaktinduzierter Fluoreszenzl{\"o}schung und damit verbundenen digitalen Intensit{\"a}ts{\"u}berg{\"a}ngen, dabei erm{\"o}glicht die r{\"a}umliche Sensitivit{\"a}t von < 1 nm die Beobachtung von lokalen Umstrukturierungen. In Hsp90 wurden damit mittels konventioneller Spektroskopie drei kritische lokale Umlagerungen untersucht und daraus ein Modell mit heterogenen apo-Konformationen sowie ein kooperativer Konformationszyklus abgeleitet, der dem intermediatbasierten Modell gegen{\"u}bersteht. Im Rahmen dieser Dissertation wurde anhand des Hsp90-Chaperons eine Methode entwickelt, die eine bildgebende PET Fluoreszenzspektroskopie von mehreren Umstrukturierungen gleichzeitig an einzelnen Molek{\"u}len erlaubt. Ein umfangreiches Farbstoffscreening f{\"u}hrte zur Identifizierung eines Farbstoffpaars, das die PET-basierte simultane Aufzeichnung zweier Konformations-Koordinaten erm{\"o}glicht. {\"U}ber verschiedene Modifikationen des Chaperons konnten einzelmolek{\"u}ltaugliche Oberfl{\"a}chen hergestellt werden, auf denen zweifach markierte Hsp90-Proteine immobilisiert sind. Fluoreszenzintensit{\"a}tszeitspuren einzelner Chaperone und entsprechende Kontrollkonstrukte best{\"a}tigen qualitativ den Erfolg der Methode, f{\"u}r die quantitative Analyse wurde eine Routine in der Programmiersprache Python entwickelt, mit welcher kinetische Informationen ermittelt werden konnten. Diese legen eine enge wechselseitige Abh{\"a}ngigkeit der drei lokalen Elemente nahe, wobei der Großteil der Konformations{\"u}berg{\"a}nge zweier simultan aufgezeichneter Umstrukturierungen Synchronit{\"a}t innerhalb von zwei Sekunden zeigt. Im Vergleich zur Hydrolyse von einem ATP in mehreren Minuten deutet das auf eine enge Kopplung hin. Weiter konnte eine Beschleunigung der Dynamiken durch aromatische Modifikation des N-Terminus von Hsp90 beobachtet werden, zudem erlaubt der Einzelmolek{\"u}lansatz die Verwendung des nativen Nukleotids ATP, wodurch auch die lokalen {\"O}ffnungsdynamiken zug{\"a}nglich werden. Die zur Bestimmung der Zeitkonstanten durchgef{\"u}hrte Analyse unterst{\"u}tzt die Ansicht heterogener apo-Zust{\"a}nde und einer einheitlich geschlossenen Konformation. Die bildgebende Zweifarben-Einzelmolek{\"u}l-PET-Spektroskopie konnte insgesamt zu einem Komplement der Einzelmolek{\"u}l-FRET-Spektroskopie entwickelt werden, um damit lokale Konformationsdynamiken zu untersuchen. Der bildgebende Ansatz erlaubt eine einfache Implementierung in einen experimentellen Einzelmolek{\"u}l-FRET Aufbau bei gleichzeitiger Erweiterung der beobachteten Koordinaten und wird so zu einem breit anwendbaren Werkzeug multidimensionaler Dynamikuntersuchungen einzelner Proteine.},
  subject      = {Fluoreszenzspektroskopie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Rajab2021,
  author    = {Rajab, Suhaila},
  title     = {Untersuchung von Sub-Millisekunden Dynamiken und allosterischer Kommunikation in Ligandenbindedom{\"a}nen ionotroper Glutamatrezeptoren},
  doi       = {10.25972/OPUS-24494},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-244946},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {Ionotrope Glutamatrezeptoren (iGluRs) sind ligandengesteuerte Ionenkan{\"a}le und vermitteln den Großteil der exzitatorischen Signalweiterleitung im gesamten zentralen Nervensystem. Dar{\"u}ber hinaus spielen iGluRs eine entscheidende Rolle bei der neuronalen Entwicklung und Funktion, einschließlich Lernprozessen und Ged{\"a}chtnisbildung. Da eine Fehlfunktion dieser Rezeptoren mit zahlreichen neurodegenerativen Erkrankungen verbunden ist, stellen iGluRs zudem wichtige Zielproteine f{\"u}r die pharmakologische Wirkstoffentwicklung dar. Im Allgemeinen wird zwischen drei Untergruppen ionotroper Glutamatrezeptoren unterschieden, welche aufgrund ihrer Selektivit{\"a}t f{\"u}r einen bestimmten Liganden benannt sind: AMPA-, Kainate-, und NMDA-Rezeptoren. Die iGluRs jeder dieser Untergruppen bestehen in der Regel aus vier Untereinheiten, welche wiederum aus vier semiautonomen Dom{\"a}nen aufgebaut sind: (i) die aminoterminale Dom{\"a}ne (ATD), (ii) die Ligandenbindedom{\"a}ne (LBD), (iii) die Transmembrandom{\"a}ne (TMD) und (iv) die carboxyterminale Dom{\"a}ne (CTD). Die Ligandenbindedom{\"a}ne, welche wiederum aus zwei Lobes (D1 und D2) besteht und in ihrer Struktur einer Muschelschale {\"a}hnelt, vollzieht bei Bindung eines Neurotransmitters eine Konformations{\"a}nderung, wobei sie sich um den gebundenen Agonisten herumschließt. Diese Konformations{\"a}nderung der LBD wird auf die Transmembrandom{\"a}ne, welche den membran{\"u}berspannenden Ionenkanal ausbildet, {\"u}bertragen, was in einer Umlagerung der Transmembranhelices und infolgedessen der {\"O}ffnung des Ionenkanals resultiert. Die Konformations{\"a}nderung der LBD ist demnach die treibende Kraft, welche dem {\"O}ffnen und Schließen des Ionenkanals zugrunde liegt. Aus diesem Grund stellt die isolierte Ligandenbindedom{\"a}ne, welche als l{\"o}sliches Protein hergestellt werden kann, ein etabliertes Modellsystem zur Untersuchung der strukturellen und funktionellen Zusammenh{\"a}nge innerhalb des Funktionsmechanismus ionotroper Glutamatrezeptoren dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Konformationsdynamiken der in Escherichia coli-Bakterien exprimierten isolierten Ligandenbindedom{\"a}nen der drei homologen Untergruppen - AMPA-, Kainate- und NMDA-Rezeptoren - sowohl als Monomer als auch als Dimer untersucht. Hierbei wurden im ungebundenen Apo-Zustand der Proteine signifikante Kinetiken im Bereich von Nanosekunden bis Mikrosekunden festgestellt, welche bei Bindung eines Agonisten sowie bei Dimerisierung erheblichen Ver{\"a}nderungen zeigen. Dar{\"u}ber hinaus wurde allosterische Kommunikation zwischen den LBDs der NMDA-Untergruppe untersucht, wobei in der Tat ein deutlicher allosterischer Effekt in Bezug auf die Konformationsdynamiken der Proteine gemessen werden konnte. Weiterhin wurde ein PET-FCS-basiertes Verfahren zur Messung der Dissoziationskonstante der Bindung eines Liganden an die LBD eines AMPA-Rezeptors entwickelt. Zuletzt wurde außerdem ermittelt, ob ein Unterschied zwischen vollen und partiellen Agonisten hinsichtlich ihres Einflusses auf die Konformationsdynamiken einer AMPA-Rezeptor LBD besteht, was nachgewiesenermaßen nicht der Fall ist. Alle Messungen wurden auf Einzelmolek{\"u}lebene auf Zeitskalen von Nanosekunden bis Millisekunden basierend auf Fluoreszenzfluktuationen unter Verwendung des photoinduzierten Elektronentransfers (PET) in Kombination mit Korrelationsspektroskopie (PET-FCS) durchgef{\"u}hrt. Zu diesem Zweck wurden PET-basierte Fluoreszenzsonden entwickelt, um Konformations{\"a}nderungen auf einer r{\"a}umlichen Skala von einem Nanometer zu detektieren. Durch die Experimente innerhalb dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die PET-FCS-Methode eine vielversprechende Erg{\"a}nzung zu allen bisher bestehenden Methoden zur Untersuchung der Konformationsdynamiken der Ligandenbindedom{\"a}ne ionotroper Glutamatrezeptoren darstellt und daher eine aussichtsreiche M{\"o}glichkeit zur Erweiterung des zuk{\"u}nftigen Verst{\"a}ndnisses der Funktionsweise von iGluRs bietet.},
  subject      = {Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie},
  language  = {de}
}