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Main objectives of the present dissertation can be divided in two parts. The first part deals with setting up a spectroscopic technique for reliable and accurate measurements of the two-photon absorption (2PA) cross section spectra. In the second part, this firmly established experimental technique together with conventional spectroscopic characterization, quantum-chemical computations and theoretical modelling calculations was combined and therefore used as a tool to gain information for the so-called structure-property relationship through several molecular compounds.

We synthesized a series of new mono‐, di‐, tri‐ and tetra‐substituted perylene derivatives with strong bis(para‐methoxyphenyl)amine (DPA) donors at the uncommon 2,5,8,11‐positions. The properties of our new donor‐substituted perylenes were studied in detail to establish a structure‐property relationship. Interesting trends and unusual properties are observed for this series of new perylene derivatives, such as a decreasing charge transfer (CT) character with increasing number of DPA moieties and individual reversible oxidations for each DPA moiety. Thus, (DPA)‐Per possesses one reversible oxidation while (DPA)\(_{4}\)‐Per has four. The mono‐ and di‐substituted derivatives display unusually large Stokes shifts not previously reported for perylenes. Furthermore, transient absorption measurements of the new derivatives reveal an excited state with lifetimes of several hundred microseconds, which sensitizes singlet oxygen with quantum yields of up to 0.83.

Durch stetige Entwicklung der Mikroskopiemethoden in den letzten Jahrzehnten ist es nun möglich Strukturen und Abläufe in biologischen Systemen detaillierter darzustellen als mit der von Abbe entdeckten maximalen Auflösungsgrenze. Oft werden dabei Fluoreszenzmarker benutzt, welche die unsichtbare Welt der Mikrobiologie und deren biochemische Prozesse illuminieren. Diese werden entweder durch Expression, wie z.B. das grün fluoreszierende Protein (GFP), in das zu untersuchende Objekt eingebracht oder durch klassische Markierungsmethoden mithilfe von fluoreszierenden Immunkonjugaten installiert. Jedoch gewinnt eine alternative Strategie, die von der interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Chemikern, Physikern und Biologen profitiert, immer mehr an Bedeutung – die bioorthogonale Click-Chemie. Sie ermöglicht eine effiziente Fluoreszenzmarkierung der biologischen Strukturen unter minimalem Eingriff in die Abläufe der Zelle. Dazu müssen allerdings sowohl Farbstoffe als auch die biologisch aktiven Substanzen chemisch modifiziert werden, da nur dadurch die Bioorthogonalität gewährleistet werden kann. Mittlerweile existiert eine breite Palette an fluoreszierenden Farbstoffen, die das komplette sichtbare Spektrum abdecken und sich für diverse Mikroskopiemethoden eignen. Allerdings gibt es zwei Farbstoffklassen, die sich aus der gesamten Fülle abheben und sich für hochauflösende bildgebende Experimente auf Einzelmolekülebene eignen. Zum einen ist es die Farbstofffamilie der Cyanine und insbesondere der wasserlöslichen Pentamethincyanine, die reversibel und kontrolliert zum Photoschalten animiert werden können und in der stochastisch optischen Rekonstruktionsmikroskopie Anwendung finden. Zum anderen ist es die Gruppe, der Rhodamine und Fluoresceine, die zu Xanthenfarbstoffen gehören und sich durch gute photophysikalische Eigenschaften auszeichnen. Trotz der Beliebtheit stellt ihre Darstellung immer noch eine Herausforderung dar und limitiert deren Einsatz. Deshalb war es notwendig im Rahmen der vorliegenden Arbeit Möglichkeiten zur Syntheseoptimierung beider Farbstoffklassen zu finden, damit diese im Folgenden weiterentwickelt und an die biologische Fragestellung angepasst werden können. Die Arbeit unterteilt sich deshalb in Relation an die oben genannten Farbstoffklassen in zwei Bereiche. Im ersten Teil wurden Projekte basierend auf den wasserlöslichen Pentamethincyaninen behandelt. Im zweiten Teil beschäftigte sich die Arbeit mit Projekten, die auf Xanthen-Farbstoffen aufbauen.

Bioactivity-guided fractionation of a methanolic extract of the Red Sea cucumber Holothuria spinifera and LC-HRESIMS-assisted dereplication resulted in the isolation of four compounds, three new cerebrosides, spiniferosides A (1), B (2), and C (3), and cholesterol sulfate (4). The chemical structures of the isolated compounds were established on the basis of their 1D NMR and HRMS spectral data. Metabolic profiling of the H. spinifera extract indicated the presence of diverse secondary metabolites, mostly hydroxy fatty acids, diterpenes, triterpenes, and cerebrosides. The isolated compounds were tested for their in vitro cytotoxicities against the breast adenocarcinoma MCF-7 cell line. Compounds 1, 2, 3, and 4 displayed promising cytotoxic activities against MCF-7 cells, with IC50 values of 13.83, 8.13, 8.27, and 35.56 µM, respectively, compared to that of the standard drug doxorubicin (IC50 8.64 µM). Additionally, docking studies were performed for compounds 1, 2, 3, and 4 to elucidate their binding interactions with the active site of the SET protein, an inhibitor of protein phosphatase 2A (PP2A), which could explain their cytotoxic activity. This study highlights the important role of these metabolites in the defense mechanism of the sea cucumber against fouling organisms and the potential uses of these active molecules in the design of new anticancer agents.

Expansion microscopy (ExM) enables super-resolution imaging of proteins and nucleic acids on conventional microscopes. However, imaging of details of the organization of lipid bilayers by light microscopy remains challenging. We introduce an unnatural short-chain azide- and amino-modified sphingolipid ceramide, which upon incorporation into membranes can be labeled by click chemistry and linked into hydrogels, followed by 4x to 10x expansion. Confocal and structured illumination microscopy (SIM) enable imaging of sphingolipids and their interactions with proteins in the plasma membrane and membrane of intracellular organelles with a spatial resolution of 10-20nm. As our functionalized sphingolipids accumulate efficiently in pathogens, we use sphingolipid ExM to investigate bacterial infections of human HeLa229 cells by Neisseria gonorrhoeae, Chlamydia trachomatis and Simkania negevensis with a resolution so far only provided by electron microscopy. In particular, sphingolipid ExM allows us to visualize the inner and outer membrane of intracellular bacteria and determine their distance to 27.6 +/- 7.7nm. Imaging of lipid bilayers using light microscopy is challenging. Here the authors label cells using a short chain click-compatible ceramide to visualize mammalian and bacterial membranes with expansion microscopy.