Synthese, Charakterisierung und Evaluation von lichtkontrollierbaren sowie kolloidalen Systemen zur Untersuchung von multivalenten Wechselwirkungen und biologischen Prozessen

Abstract

Die Kontrolle von biologischen Systemen mit Licht bietet die Möglichkeit zahlreiche biologisch relevante Prozesse lokal und zeitlich aufgelöst zu untersuchen oder chemische Reaktionen gezielt zu beeinflussen. Die Steuerung mit Licht kann hierbei zum Beispiel über Azobenzolphotoschalter oder photolabile Schutzgruppen, sogenannte Photokäfige, erreicht werden. Die Kenntnis der Schalteigenschaften von Azobenzolen oder der Photolyseeffizienzen von Photokäfigen ist für die Beurteilung der Eignung dieser Moleküle für ausgesuchte Anwendungen von entscheidender Bedeutung. Ein zweiter Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung multivalenter Wechselwirkungen. Diese stellen eine weit verbreitete Art der Interaktion zwischen Biomolekülen dar. Von besonderem Interesse sind dabei die thermodynamischen Eigenschaften sowie die Kontrolle von multivalenten Wechselwirkungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher einerseits verschiedene Systeme für die Kontrolle von biologischen Modellsystemen mit Licht untersucht sowie anderseits die Möglichkeit der hintergrundfreien Detektion von multivalenten Wechselwirkungen erforscht. Zunächst wurde das Schaltverhalten von glycosilierten Photoschaltern, welche genutzt werden können, um schaltbare multivalente Systeme zu erhalten, mit einem hierfür erstellten Blitzlichtphotolyseexperiment untersucht. Die Photoschalter zeigten hierbei ein von der Konzentration, dem pH-Wert und den Substituenten abhängiges Schaltverhalten. Für die Erklärung dieser Beobachtungen wurde ein Modell vorgeschlagen und diskutiert. Im zweiten Teil der Arbeit wurden multivalente und mit Licht kontrollierbare Systeme, in Form von photoschaltbaren glycosilierten Goldnanopartikeln, hergestellt und deren Schaltverhalten ermittelt sowie getestet, ob sich diese zur Kontrolle von multivalenten Wechselwirkungen eignen. Es konnten schaltbare glycosilierte Goldnanopartikel in einem Größenbereich von 5nm bis 80nm dargestellt werden und das Schaltverhalten der immobilisierten Azobenzole ermittelt werden. Im dritten Abschnitt der Arbeit wurde ein medizinisch gegen Psoriasis wirksames Tetrapeptid an eine photolabile Cumarinschutzgruppe gekuppelt und die nichtlinearen optischen Eigenschaften des Konjugates charakterisiert. Hierfür wurde zunächst ein dafür geeigneter Aufbau zur Messung von Zweiphotonenfluoreszenz erstellt. Mit diesem wurde der Zweiphotonenabsorptionsquerschnitt ermittelt. Des Weiteren wurden die Ein- und Zweiphotonenfreisetzungseffizienzen ermittelt. Im letzten Teil der Arbeit wurde ein Konzept entwickelt um die thermodynamischen Eigenschaften von multivalenten Wechselwirkungen nahezu hintergrundfrei über einen Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) zu ermitteln. Als biologisches Modellsystem wurden Peptide, die Coiled-Coil-Heterodimere bilden, gewählt. Die Gleichgewichtsreaktion zwischen den Monomeren und dem Heterodimer stellt eine multivalente Wechselwirkung dar. Hierbei ist die Valenz des Systems vergleichsweise leicht durch die Peptidlänge variierbar. Als FRET-Donor wurden Aufkonvertierungsnanopartikel und als FRET-Akzeptor der Fluoreszenzfarbstoff TAMRA genutzt. Eines der Peptide konnte erfolgreich auf den Aufkonvertierungsnanopartikeln immobilisiert werden, das andere Peptid wurde mit TAMRA markiert. So konnte die Eignung dieses Systems zur Untersuchung der multivalenten Wechselwirkungen evaluiert werden.