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Untersuchung der Konformation und Dynamik von RNA mit Hilfe fluoreszierender Farbstoffmoleküle
(2010)
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der konformationellen und elektronischen Eigenschaften sowie der Dynamik verschiedener RNA-Systeme. Zur Durchführung dieser Experimente wurde zusätzlich zu bereits vorhandenen statischen und zeitaufgelösten Absorptionsspektrometern im Rahmen dieser Arbeit eine Apparatur zur Messung von Fluoreszenzlebensdauern entwickelt, die durch die integrative Verwendung zweier verschiedener, etablierter Technologien (TCSPC und Aufkonvertierung) über einen weiten Zeitbereich von 9 Größenordnungen (100 fs - 0,1 ms) operiert. Mit diesem Aufbau konnten neben den RNA-Studien wichtige Beiträge zum Verständnis der Isomerisierung eines Retinalproteins, des Transportprozess des Membrantransportproteins TbSMR und der im Infraroten liegenden Fluoreszenz des Radikalkations von Astaxanthin gewonnen werden. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt auf der Untersuchung verschiedener RNA-Systeme: So werden die optischen Eigenschaften einer 1-Ethinylpyren-modifzierten RNA-Adeninbase allein und in RNA-Strängen eingebunden untersucht. Statische Fluoreszenzmessungen zeigen einen ausgeprägten Ladungstransfercharakter des Chromophors und eine generell große Wechselwirkung zwischen Ethinylpyren und Adenin, die in einer substanziellen Änderung der optischen Eigenschaften des Pyrens resultiert. Die Untersuchung der schnellen Photodynamik von Pyrenadenin zeigt zudem eine Verringerung der Lebensdauer von Pyren um etwa 2 Größenordnungen. Pyrenadenin zeigt sowohl Fluoreszenz eines neutralen (100-200 ps), als auch eines energetisch tiefer liegenden Ladungstransferzustands (1-2 ns). Die Formationszeit des Ladungstransferzustandes fällt mit steigender Polarität des Lösemittels. Eingebunden in Modell-RNA-Stränge ist Fluoreszenzquantenausbeute des Chromophors ein deutlicher Indikator für seine Interkalation. Nur in der stabileren Umgebung von GC-Basenpaaren ist das Pyren in der Lage, sich dauerhaft innerhalb des Duplex aufzuhalten, während in einer flexibleren AU-Umgebung eine Position außerhalb des RNA-Duplex präferiert wird. Transiente Absorptionsmessungen zeigen, dass die Photophysik des in RNA eingebundenen Pyrenadenins nur kleine Variationen im Vergleich zur Photophysik des Labels allein aufweist. Die deutliche Abnahme der Quantenausbeute des interkalierten Chromophors geht hauptsächlich auf Kosten der langlebigeren Ladungstransferfluoreszenz, so dass interkaliertes Pyren insgesamt schneller in den Grundzustand zurückkehrt als nicht interkaliertes. Mit Hilfe eines doppelt modifizierten Duplex, bei dem sich jeweils ein Farbstoff an einem der beiden Stränge befindet, kann nachgewiesen werden, dass aufgrund von Exzimerwechselwirkungen eine Verschiebung des Fluoreszenzmaximums von 35 nm auftritt. Kurzzeitspektroskopische Messungen zeigen Signale, die als Superposition von Monomeren und Exzimeren interpretiert werden können, wobei die Lebensdauer des letzteren mit 18,5 ns die der Monomerkomponente um ein Vielfaches übertrifft. Ein weiterer Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit einer Studie zur Bindung des fluoreszenten Liganden Tetrazyklin an das Tetrazyklin bindende Aptamer. Hier wird auf Basis verschiedener Mutanten mit Hilfe des TCSPC eine Analyse der Stabilität der Bindetasche sowie mit der Stopped-Flow-Methode eine Beobachtung des Bindungsprozesses durchgeführt. Insgesamt folgt die Bindung des Tetrazyklins an das Aptamer einer zweistufigen Kinetik, deren zweiter Schritt irreversibel ist. Die Bindung läuft, verglichen mit anderen Aptameren, sehr schnell ab. Während die Mutationen von A13 und A50,die direkte Kontakte zum Substrat bilden, nur einen leichten Einfluss auf beide Bindungsschritte ausüben, führt eine Mutation der für die Präformation verantwortlichen Base A9 zu einer Verlangsamung des Bindungsprozesses um mehr als einen Faktor 20 durch eine immens gesteigerten Rückreaktionsrate des ersten Bindungsschritts. Hieraus lässt sich schließen, dass bei fehlender Präformation des Aptamers nur wenige Tetrazyklinmoleküle ein für vollständige Bindung geeignetes Aptamer vorfinden. Die Bindung an A13 und A50 geschieht bereits im ersten Schritt des Bindungsprozesses. Ferner konnte anhand von Lebensdauermessungen gezeigt werden, dass nach dem Wildtyp die Mutante A9G die stabilste Bindetasche aufwies. Das Fehlen eines direkten Kontaktes wirkt sich deutlich stärker aus. Insbesondere führt die Abwesenheit der Fixierung des Gegenions durch A50 zu der instabilsten Bindetasche. Wie in dieser Arbeit gezeigt wird, ist die zeitaufgelöste optische Spektroskopie insbesondere in Verbindung mit fluoreszierenden Molekülen ein ausgezeichnetes Mittel zur Beobachtung von Struktur und Dynamik von RNA. Die Empfindlichkeit von Fluoreszenz auf die Veränderung der Umgebung des Chromophors erlaubt es, Konformationsdynamik und elektronische Konfigurationen in Echtzeit zu beobachten.
Die vorliegende Arbeit bietet zunächst einen weiteren Beweis für die Existenz des neutralen Heliumdimers. Darüber hinaus konnten zwei verschiedene Prozesse identifiziert werden, über die die Absorbtion eines Photons zur Ionisation beider Atome des Dimers über sehr große Abstände führen kann. Oberhalb einer Photonenenergie von 65,4 eV konnte ein ICD Prozess beobachtet werden, der über Photoionisation mit gleichzeitiger Anregung von einem der beiden Atome realisiert wird. Bei 77,86 eV konnte ICD über elektronisch angeregte Zustände bis n=6 nachgewiesen werden. In der KER-Verteilung konnten zudem Strukturen gefunden werden, die auf Vibrationsanregungen im Zwischenzustand des Dimer-Ions schließen lassen. Eine vollständig quantenmechanische Rechnung von Sisourat et al. konnte dies schließlich hervorragend bestätigen. Es konnte also ein direkter Blick auf die Vibrationswellenfunktionen des Systems erlangt werden. In anderen Systemen ist dies in der Regel nicht möglich, da sich alle Zustände üblicherweise zu einer strukturlosen Verteilung überlagern. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass sich die Winkelverteilungen von ICD- und Photoelektronen in verschiedenen Bereichen des KER mitunter stark voneinander unterscheiden. Dies konnte auf die unterschiedliche Besetzung von verschiedenen Potentialkurven zurückgeführt werden. Unterhalb der Photonenenergieschwelle zur Anregung und Ionisation eines Heliumatoms konnte ein weiterer, zweistufiger Ionisationsmechanismus gefunden werden. Hier wird zunächst durch Photoionisation ein Elektron aus einem der beiden Atome im Dimer freigesetzt. Dieses Photoelektron kann nun am neutralen Atom gestreut werden und dabei ausreichend viel Energie übertragen, um dieses ebenfalls zu ionisieren. Es konnte gezeigt werden, dass der Prozess einer Abhängigkeit von der Polarisation der Synchrotronstrahlung unterliegt, die man für Photoionisation erwarten würde. Die Energie- und Winkelverteilungen der Elektronen konnten daher mit vorangegangenen Elektronenstoß-Experimenten verglichen werden. Die gute Übereinstimmung mit diesen Daten rechtfertigt eine anschauliche Sichtweise des Prozesses als Analogon zum klassischen Billiard-Stoß. Der Two-Step-Prozess wurde bisher zwar schon in vielen Systemen als theoretisches Modell zur Doppelionisation beschrieben, allerdings konnten die einzelnen Unterprozesse bisher nicht gesondert gemessen werden. Die großen Abstände im Heliumdimer ermöglichen erstmals eine deutliche Trennung in Photoionisation an einem Atom und Elektronenstoß (e,2e) am Nachbaratom. Der Two-Step-Prozess konnte außerdem dazu verwendet werden, die ungewöhnliche Grundzustandswellenfunktion des Heliumdimers zu experimentell zu bestätigen. Eine Analyse des gemessenen KER konnte dabei deutliche Abweichungen zu einer klassischen Theorie aufzeigen. Erst eine vollständig quantenmechanische Rechnung des Übergangs von Sisourat et al. konnte die Messdaten beschreiben.
In the next years the Facility for Antiproton and Ion Research FAIR will be constructed at the GSI Helmholtzzentrum fur Schwerionenforschung in Darmstadt, Germany. This new accelerator complex will allow for unprecedented and pathbreaking research in hadronic, nuclear, and atomic physics as well as in applied sciences. This manuscript will discuss some of these research opportunities, with a focus on few-body physics.
Mit der vorliegenden Arbeit wurden zu ersten Mal die seit mehreren Jahren vorhergesagten dynamischen Aufbruchsmechanismen - der direkte, der sequentielle und der asynchrone Zerfall - in mehratomigen Molekülen kinematisch vollständig untersucht. Experimentell wurde hierfür ein Kohlenstoffdioxid-(CO2)-Molekül in langsamen Ion-Molekül Stößen dreifach ionisiert, indem die Elektronen des Targets von den langsamen, hochgeladenen Projektilionen (Ar8+-Ionen) eingefangen wurden. Die Untersuchung des Zerfalls des CO2-Ions in die einfach geladenen ionischen Fragmente C+ + O+ + O+ zeigte, dass bei diesem Zerfall das Projektilion vornehmlich einen positiven Ladungszustand von q = 6 und nicht den zunächst erwarteten Ladungszustand q = 5 aufweist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die eingefangenen Elektronen oftmals elektronisch hoch angeregte Zustände im Projektil populieren und demnach im weiteren Verlauf über Autoionisationsprozesse dieses auch wieder verlassen können. Ähnliche Autoionisationsprozesse können auch im Target ablaufen, treten dort jedoch mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit auf, da der Wirkungsquerschnitt für Autoionisationsprozesse im Target um einen Faktor 1,3 kleiner ist als für Autoionisationen im Projektil. Zusätzlich zeigte die Untersuchung der Stoßdynamik, dass der dreifache Elektroneneinfang primär bei einer parallelen Orientierung der Molekülachse zur Projektilstrahlachse auftritt. Eine weitere Abhängigkeit der Stoßdynamik zum Beispiel vom Stoßparameter beziehungsweise vom Streuwinkel konnte nicht beobachtet werden. Durch die koinzidente Messung aller vier Reaktionsteilchen konnte der Kanal Ar8+ + CO2 --> Ar6+ + C+ + O+ + O+ eindeutig bestimmt werden und die Reaktionsdynamik des CO2-Ions nach dem Stoß analysiert werden. Dabei tritt deutlich der direkte Aufbruch hervor, bei welchem die drei einfach geladenen Ionen sich rein aufgrund ihrer Coulombkräfte voneinander abstoßen. Bei einer solchen Coulombexplosion bleibt dem Molekülion kaum Zeit, um eine molekulare Schwingung zu vollführen. Neben diesem schnellen Zerfall konnten aber auch jene Zerfälle beobachtet werden, bei denen das Molekülion zuerst molekular schwingt und dann zu einem späteren Zeitpunkt in die ionischen Fragmente zerfällt. Dieser letztere Zerfallsprozess gehört zu den sogenannten asynchronen Zerfallsmechanismen. Er stellt einen Zwischenprozess zwischen dem reinen 1-Stufen-Prozess wie dem direkten Aufbruch und dem reinen 2-Stufen-Prozess dar. Bei solchen sequentiellen 2-Stufen Prozessen fragmentiert das CO2-Molekül im ersten Schritt in ein O+- und ein CO2+-Ion. Im zweiten Schritt dissoziiert dann das CO2+-Fragment, nachdem es nahezu keine Wirkung der Coulombkräfte des ersten Sauerstoffions mehr spürt, in ein C+- und ein O+-Ion. Durch die Darstellung der Schwerpunktsimpulse der Fragmente in Dalitz- und Newton-Diagrammen ist es mit dieser Arbeit erstmals gelungen diesen sequentiellen Prozess experimentell eindeutig nachzuweisen. In der weiteren Analyse konnte gezeigt werden, dass über die im System deponierte Energie, welche über die kinetische Energie der Fragmente bestimmt wird, die verschiedenen Reaktionsmechanismen direkt kontrolliert werden können. Speziell bei Energien unterhalb von 20 eV wurde gezeigt, dass es keine Potentialflächen gibt, die über einen direkten bzw. simultanen Aufbruch zu dem Endzustand C+ + O+ + O+ führen. Bei mehratomigen Molekülen erweist sich das Treffen detaillierter Aussagen über mögliche Dissoziationskanäle ohne die genaue Kenntnis der Lage der Potentialflächen und den Übergängen zwischen diesen als äußerst schwierig. Selbst bei genauer Kenntnis der Lage und Form der Potentialflächen, ist es aufgrund der hohen Dichten innerhalb der Übergangsbereiche der Potentialflächen nahezu unmöglich, den Verlauf der Dissoziationskanäle zu verfolgen. Mit dieser Arbeit ist es gelungen, die verschiedenen Reaktionskanäle ohne die Existenz von Energiepotentialflächen eindeutig zu identifizieren. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die Energie, die während des Stoßes im Molekül deponiert wird, eine Schlüsselgröße darstellt, mit welcher die Fragmentationskanäle direkt kontrolliert werden können.
This work reports on the study of the projectile x-ray emission in relativistic ion-atom collisions. Excitation of K-shell in He-like uranium ions, electron capture into H-like uranium ions and Simultaneous ionization and excitation of initially He-like uranium ions have been studied using the experimental storage ring at GSI. Information about the population of the excited states for the H- and He-like uranium ions, can be obtained by measuring the angular distribution of the decay radiation. Since the Ly_alpha2 transition is isotropic, the intensities of the Ly_alpha1 and K_alpha transitions were normalized to the Ly_alpha2 line. For the K_alpha1 and K_alpha2 transitions originating from the excitation of the He-like uranium ions, no alignment was observed. In contrast, the Ly_alpha1 radiation from the simultaneous ionization-excitation process of the He-like uranium ions shows a clear alignment. It is shown that the alignment of Ly_alpha1 was obtained by the Alignment parameter A_20. The experimental value leads to the inclusion of a magnetic term in the interaction potential. It is interesting to note that in the case of the Ly_alpha1 emission the small M2 contribution added coherently to the E1 transition amplitudes enhances the anisotropy. The capture process of target electrons into the highly-charged heavy ions was studied using H-like uranium ions at an incident energy of 220 MeV/u, impinging on N2 gas-target. It was shown that, the strongly aligned electrons captured in 2p3/2 level will couple with the available 1s1/2 electron which shows no initial directional preference. The magnetic sub-state population of the 2p3/2 electron will be redistributed according to the coupling rules to the magnetic sub-states of the relevant two-electron states. Consequently, the 1^P1 and 3^P2 states are corresponding to the the strongly aligned 2p3/2 state. This leads to the large anisotropy in the corresponding individual ground state transitions contributing to the K_alpha1 emission. Due to the fact that the 1^P1 --> 1^S0 and 3^P2 --> 1^S0 transitions are experimentally not resolved, a more detailed analysis of the angular dependence of the K_alpha1 radiation is required. From the K_alpha1/K_alpha2 ratio, the current results show that the incoherent addition of the E1 and M2 transition components yield to an almost isotropic emission of the total K_alpha1. In contrast to the radiative electron capture, the experimental results for the K-shell single excitation of He-like uranium ions indicate that only the 1^P1 level contributes to the K_alpha1 transition. For this case, the anisotropy parameter beta_20 was found to be -0.20 + 0.03 which is similar to that one calculated for pure E1 transition. This work also reports on the study of a two-electron process: the simultaneous ionization and excitation occurring in relativistic collisions of heavy highly-charged ions with gaseous targets. The investigation was performed on He-like uranium ions impinging upon xenon gas-target at an incident energy of 220 MeV/u. The measurements have been performed at the ESR gas-target using atomic xenon with a typical area density of 10^12 particles/cm^2. In contrast to the solid state target, the use of gas target offers the advantage of clear separation of the one step two-electron process due to the fact that the probability of two consecutive collision in such thin targets is negligible and the double step processes can be excluded. During the process of simultaneous ionization and excitation in He-like uranium ions, one of the ground-state electrons is promoted into the continuum and the other into the L-subshell states of the projectile. To select this process, the Lyman-series radiation has been measured at various observation angles in coincidence with up-charged projectiles (U^91+). From the yields of the Ly_alpha1 and Ly_alpha2 projectile radiation, the relative cross section for the process of simultaneous ionization and excitation was directly determined. The angle dependent measurement of the radiation yields provide information about the angular distributions of the emitted radiation and permits the determination of the alignment parameter A_{20}. This parameter gives information on the level population and the collision impact parameter. The present results (b^exp = 810 fm) show that the simultaneous ionization and excitation is a process which occurs at small impact parameter.
The HADES (High Acceptance DiElectron Spectrometer) is an experimental
apparatus installed at the heavy-ion synchrotron SIS-18 at GSI, Darmstadt.
The main physics motivation of the HADES experiment is the measurement
of e+e− pairs in the invariant-mass range up to 1 GeV/c2 in heavy-ion collisions
as well as in pion and proton-induced reactions.
The HADES physics program is focused on in-medium properties of the light
vector mesons ρ(770), ω(783) and φ(1020), which decay with a small branching
ratio into dileptons. Dileptons are penetrating probes which allow to study
the in-medium properties of hadrons. However, in heavy-ion collisions, the
measurement of such lepton pairs is difficult because they are rare and have a
very large combinatorial background.
Recently, HADES has been upgraded with new detectors and new electronics
in order to handle higher intensity beams and reactions with heavy nuclei up
to Au.
HADES will continue for a few more years its rich physics program at its
current place at SIS-18 and then move to the upcoming international Facility
for Antiproton and Ion Research (FAIR) accelerator complex. In this context
the physics results presented in this work are important prerequisites for the investigation
of in-medium vector meson properties in p + A and A+A collisions.
This work consists of five chapters. The first chapter introduces the physics
motivation and a review of recent physics results. In the second chapter, the
HADES spectrometer is described and its sub-detectors are presented. Chapter
three deals with the issue of lepton identification and the reconstruction of
the dielectron spectra in p + p collisions is presented. Here, two reactions
are characterized: inclusive and exclusive dilepton production reactions. From
the spectra obtained, the corresponding cross sections are presented with the
respective statistical and systematical errors. A comparison with theoretical
models is included as well. Conclusions are given in chapter four.
The final part of this work is dedicated to the HADES upgrade, whose goal
is among others the achievement of a reliable and fast data acquisition of the
Multiwire Drift Chambers (MDCs). Chapter five presents my contribution to
this successful project during the three years of my stay at GSI.
In der vorliegenden Arbeit wird die Gestaltung eines Teststandes für die optische Tomographie eines Ionenstrahles untersucht. Nachdem Ionenstrahlen hoher Intensität immer mehr Leistung in den Diagnosegeräten deponieren, müssen neue nicht Strahlzerstörende Diagnosemethoden gefunden werden. Die Diagnose mittels strahlinduziertem Restgasleuchten ist dabei eine viel versprechende nicht zerstörende Methode. Neben der Definition der Anforderungen für einen solchen Teststand werden verschiedene Realisierungsmöglichkeiten untersucht. Mit einem Testaufbau wird das strahlinduzierte Leuchten in Abhängigkeit verschiedener Restgase und Restgasdrücke untersucht, sowie die Eigenschaften des optischen Systems und der Kamera analysiert. Weiterhin wird die Möglichkeit der Emittanzbestimung aus einer optischen Aufnahme mit vorhandenen Methoden untersucht.
This thesis investigates the development of early cognition in infancy using neural network models. Fundamental events in visual perception such as caused motion, occlusion, object permanence, tracking of moving objects behind occluders, object unity perception and sequence learning are modeled in a unifying computational framework while staying close to experimental data in developmental psychology of infancy. In the first project, the development of causality and occlusion perception in infancy is modeled using a simple, three-layered, recurrent network trained with error backpropagation to predict future inputs (Elman network). The model unifies two infant studies on causality and occlusion perception. Subsequently, in the second project, the established framework is extended to a larger prediction network that models the development of object unity, object permanence and occlusion perception in infancy. It is shown that these different phenomena can be unified into a single theoretical framework thereby explaining experimental data from 14 infant studies. The framework shows that these developmental phenomena can be explained by accurately representing and predicting statistical regularities in the visual environment. The models assume (1) different neuronal populations processing different motion directions of visual stimuli in the visual cortex of the newborn infant which are supported by neuroscientific evidence and (2) available learning algorithms that are guided by the goal of predicting future events. Specifically, the models demonstrate that no innate force notions, motion analysis modules, common motion detectors, specific perceptual rules or abilities to "reason" about entities which have been widely postulated in the developmental literature are necessary for the explanation of the discussed phenomena. Since the prediction of future events turned out to be fruitful for theoretical explanation of various developmental phenomena and a guideline for learning in infancy, the third model addresses the development of visual expectations themselves. A self-organising, fully recurrent neural network model that forms internal representations of input sequences and maps them onto eye movements is proposed. The reinforcement learning architecture (RLA) of the model learns to perform anticipatory eye movements as observed in a range of infant studies. The model suggests that the goal of maximizing the looking time at interesting stimuli guides infants' looking behavior thereby explaining the occurrence and development of anticipatory eye movements and reaction times. In contrast to classical neural network modelling approaches in the developmental literature, the model uses local learning rules and contains several biologically plausible elements like excitatory and inhibitory spiking neurons, spike-timing dependent plasticity (STDP), intrinsic plasticity (IP) and synaptic scaling. It is also novel from the technical point of view as it uses a dynamic recurrent reservoir shaped by various plasticity mechanisms and combines it with reinforcement learning. The model accounts for twelve experimental studies and predicts among others anticipatory behavior for arbitrary sequences and facilitated reacquisition of already learned sequences. All models emphasize the development of the perception of the discussed phenomena thereby addressing the questions of how and why this developmental change takes place - questions that are difficult to be assessed experimentally. Despite the diversity of the discussed phenomena all three projects rely on the same principle: the prediction of future events. This principle suggests that cognitive development in infancy may largely be guided by building internal models and representations of the visual environment and using those models to predict its future development.
This dissertation connects two independent fields of theoretical neuroscience: on the one hand, the self-organization of topographic connectivity patterns, and on the other hand, invariant object recognition, that is the recognition of objects independently of their various possible retinal representations (for example due to translations or scalings). The topographic representation is used in the presented approach, as a coordinate system, which then allows for the implementation of invariance transformations. Hence this study shows, that it is possible that the brain self-organizes before birth, so that it is able to invariantly recognize objects immediately after birth. Besides the core hypothesis that links prenatal work with object recognition, advancements in both fields themselves are also presented. In the beginning of the thesis, a novel analytically solvable probabilistic generative model for topographic maps is introduced. And at the end of the thesis, a model that integrates classical feature-based ideas with the normalization-based approach is presented. This bilinear model makes use of sparseness as well as slowness to implement "optimal" topographic representations. It is therefore a good candidate for hierarchical processing in the brain and for future research.