Structural dynamics of(bio-) macromolecules probed by optical spectroscopy

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Spreitler, Florian:
Structural dynamics of(bio-) macromolecules probed by optical spectroscopy.
Bayreuth , 2017 . - IV, 30 S.
( Dissertation, 2016 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

In this thesis, spectroscopic analyses on one biological and one non-biological macromolecular system are presented. In both cases, optical experiments shed light onto the (binding resp. conformational) dynam-ics of the systems’ structure.
The first system under examination was the enzyme CO dehydrogenase (CODH) from the bacterium Oligotropha carboxydovorans. Fluores-cence correlation spectroscopy was used as a relatively un-complex assay for the confirmation of a binding between enzymes and larger substrates – here, the specificity of the binding of CODH and the cyto-plasmic membrane was examined by replacing the binding partners. Instrumentation for further investigations on CODH, especially using time-resolved fluorescence spectroscopy had already been developed, but no agreement with the cooperation partner on the continuation of this line of research could be found. Hence, this instrumentation was further used for the characterisation of a different (non-biological) compound.
This second system was a dimer of two flexibly linked perylene bisi-mide dyes: di- (perylene bisimide acrylate) – (PerAcr)2. It served as a model system for higher oligomers resp. polymers containing perylene bisimide, which are candidates for the application in organic solar cells. A combination of spectroscopic techniques was used for the character-ization, with time-resolutions down to picoseconds (time-resolved fluorescence spectroscopy resp. anisotropy) and in part with single-molecule sensitivity (fluorescence correlation spectroscopy). By using global analysis methods a description of the measured data with mini-mised sets of free parameters was pursued, yielding robust hypothesis testing. Additionally, comparisons with molecular dynamics simula-tions and modelling were conducted. Among other results, it was thus possible to show that the examined dimers change conformation on μs timescales between two aggregated and one isolated state; and that the isolated conformation shows a fast transfer of excitation energy be-tween the two dyes.
The findings were reported in three publications, which are the core of this thesis (chapter 4). In particular the last two publications show a possible way for using poly- (perylene bisimide) in organic solar cells: Instead of relying on the aggregation of the dyes, it should be decidedly avoided and non-coherent energy transfer should be exploited as an efficient transport mechanism.

Abstract in weiterer Sprache

In dieser Dissertation werden spektroskopische Untersuchungen an einem biologischen und einem nicht-biologischen makromolekularen System vorgestellt. In beiden Fällen konnten anhand optischer Experi-mente Einblicke in die (Bindungs- bzw. Konformations-) Dynamik der Struktur der Systeme gewonnen werden.
Das erste untersuchte System war das Enzym CO-Dehydrogenase (CODH) aus dem Bakterium Oligotropha carboxydovorans. Die Fluo-reszenz-Korrelations-Spektroskopie wurde als ein relativ unkompli-ziertes Verfahren eingesetzt, um Bindungen zwischen Enzymen und deutlich größeren Substraten nachzuweisen – hier wurde die Spezifizi-tät der Bindung von CODH und der Zytoplasma-Membran durch Aus-tauschen der Bindungspartner untersucht. Die für weitere Untersu-chungen an CODH entwickelte Instrumentierung, insbesondere zur zeitaufgelösten Fluoreszenz-Spektroskopie, wurde zur Charakterisie-rung eines anderen (nicht-biologischen) System eingesetzt, da mit dem Kooperationspartner keine Einigung über die Fortführung gefunden werden konnte.
Dieses zweite untersuchte System war ein Dimer zweier flexibel ver-bundener Perylenbisimde: di-(Perlyenbisimid Acrylat) – (PerAcr)2. Es diente als Modell für höhere Perylenbisimid-haltige Oligomere bzw. Polymere, die z.B. Verwendung in organischen Solarzellen finden könn-ten. Die Charakterisierung erfolgte mit einer Kombination spektrosko-pischer Verfahren mit bis zu ps-Zeitauflösung (zeitaufgelöste Fluores-zenz- Spektroskopie bzw. Anisotropie) und zum Teil auf Einzelmole-kül-Niveau (Fluoreszenz- Korrelations-Spektroskopie). Durch globale Analysemethoden wurde eine Beschreibung der gewonnenen Daten anhand möglichst weniger freier Parameter angestrebt, was robuste Hypothesentests ermöglichte. Auch Vergleiche mit Molekulardynamik Simulationen wurden durchgeführt. So konnte unter anderem gezeigt werden, dass die untersuchten Dimere auf μs-Zeitskalen zwischen zwei verschiedenen aggregierten und einem isolierten Zustand wechseln und dass im isolierten Zustand ein schneller Energietransfer zwischen den beiden Farbstoffen stattfindet.
Die Ergebnisse wurden in drei Publikationen veröffentlicht, die den Kern dieser Dissertation bilden (Kapitel 4). Insbesondere die Ergebnisse der beiden letzten Publikation zeigen einen Weg auf, wie poly-Perylenbisimid erfolgreich in organischen Solarzellen verwendet werden könnte: Anstatt auf die Aggregation der Farbstoffe zu setzen, sollte diese dezidiert vermieden werden und statt dessen nicht-kohärenter Energietransfer als effizienter Transportmechanismus ausgenutzt werden.