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Ein Hauptziel dieser Arbeit war die spektroskopische Charakterisierung einer neuartigen photolabilen Schutzgruppe (Photocage). Diese besteht aus dem weitverbreiteten (7-Diethylaminocumarin)methyl (DEACM), welches zusätzlich mit einer Art Antenne (ATTO 390) ausgestattet ist. Letztere soll die Zwei-Photonen-Absorption (2PA) erleichtern, was neben dem Energietransfer von der Antenne zur photolabilen Schutzgruppe sowie die Freisetzungsreaktion eines gebundenen Effektormoleküls untersucht wurde. Der Nachweis der erhöhten 2PA wurde durch Zwei-Photonen-induzierte Fluoreszenz erbracht, welche die Bestimmung des Zwei-Photonen-Einfangquerschnitts ermöglicht. Die 2PA wurde durch Messungen mit variierender Anregungsenergie an Rhodamin B und dem neuartigen Antennen-Photocage-System bestätigt, welche eine fast perfekte quadratische Abhängigkeit der Fluoreszenzintensität nach vorangegangener 2PA widerspiegelten. Die Werte des Zwei-Photonen-Einfangquerschnitts der neuartigen photolabilen Schutzgruppe sind über alle Wellenlängen hinweg größer als die von DEACM-OH. Der Beweis eines intramolekularen Energietransfers von der Antenne zu DEACM erfolgte durch transiente Absorptionsspektroskopie. Hierfür wurde der Photocage mit 365nm angeregt, was überwiegend die Antenne adressiert. Ein intramolekularer Energietransfer konnte mit einer Zeitkonstante von 20 ps beobachtet werden, welcher wahrscheinlich von einem nachgelagerten Ladungstransfer von DEACM auf ATTO 390 begleitet wurde. Die Funktionalität des neuartigen Photocages wurde durch Aufnahme von Absorptionsspektren im IR-Bereich während kontinuierlicher Belichtung bei 365 nm untersucht. Hierbei konnte die Entstehung der intensiven Absorption von Kohlendioxid aufgrund der Photodecarboxylierung detektiert werden. Absorptionsänderungen während kontinuierlicher Belichtung wurden ebenfalls im UV/Vis-Bereich detektiert, in welchen eine hypsochrome Verschiebung der langwelligen Absorptionsbande sowie ein Anstieg der Absorption festgestellt wurden. Hieraus konnte eine Quantenausbeute der Freisetzungsreaktion von 1,5% ermittelt werden. Die Ergebnisse zum Antennen-Photocage-System zeigen auf, dass durch Anbringen einer Antenne die 2PA verbessert werden kann, ohne die Funktionalität des Freisetzungsprozesses negativ zu beeinflussen. In einem nächsten Schritt zielen Verbesserungen des untersuchten Photocages darauf ab, den Ladungstransfer zu unterdrücken. Die Validierung dieses Ansatzes sollte die Einführung anderer Antennen mit erhöhten Zwei-Photonen-Einfangquerschnitten, wie z.B. Quantenpunkte, weiter motivieren. Der zweite Ergebnisteil dieser Arbeit konzentriert sich auf drei verschiedene Photosysteme, die sich durch eine sehr kurzlebige Fluoreszenz auszeichnen, welche mit einem Kerrschalter aufgenommen wurde. Das erste der drei untersuchten Systeme umfasst eine kooperative BODIPY-DTE-Dyade(Bordipyrromethen-Dithienylethen), die einen hocheffizienten photochromen Förster-Resonanzenergietransfer aufweist. Dieser wurde durch verkürzte Lebenszeiten der Differenzsignale im transienten Absorptionsspektrum der Dyade im photostationären Zustand abgeleitet. In diesem stellt BODIPY-DTE eine hochkonjugierte Einheit dar, welches durch die geschlossene Form des photochromen DTEs einen Energietransfer vom photoangeregten BODIPY zum DTE ermöglicht. Bei diesem Prozess wird die Fluoreszenz des Donors um einige Größenordnungen reduziert. Die Ergebnisse der transienten Absorptionsmessung wurde durch ein zeitaufgelöstes Fluoreszenzexperimentbestätigt. Die detektierte Fluoreszenztransiente zerfällt mit einer Zeitkonstante von etwa 15 ps und weist somit sehr hohe Ähnlichkeit mit dem Signal des Grundzustandsbleichens (GSB) aus dem transienten Absorptionsexperiment auf. Des Weiteren wurde die photochrome Ringschlussreaktion eines wasserlöslichen Indolylfulgimids spektroskopisch charakterisiert. Transiente Absorptionsmessungen geben einen direkten Einblick in den Mechanismus der Reaktion, in welcher, nach Photoanregung, die Relaxation aus dem Franck-Condon Bereich und die schnelle biphasische Relaxation des Moleküls über die konische Durchschneidung abgeleitet werden kann. Zusätzlich wurden zeitaufgelöste Fluoreszenzmessungen mit Hilfe des Kerrschalters durchgeführt, da die stimulierte Emission (SE) in transienten Absorptionsmessungen durch die Überlagerung mehrerer Signale nicht vollständig zu erkennen war. Die globale Lebensdaueranalyse der mit dem Kerrschalter aufgenommenen Breitband-Fluoreszenz lieferte drei Zeitkonstanten, welche wesentliche Übereinstimmung mit den Zeitkonstanten aus der globalen Lebensdaueranalyse der transienten Absorptionsmessungen aufweisen. Schlussendlich wurde die Deaktivierung des elektronisch angeregten Zustands des flavinbindenden Dodecins aus Mycobacterium tuberculosis mit Hilfe von unterschiedlichen spektroskopischen Methoden charakterisiert. Stationäre Fluoreszenzmessungen bei unterschiedlichen pH-Werten zeigten bei pH 5 eine im Vergleich zu nahezu physiologischen Bedingungen (pH 7,5)reduzierte Fluoreszenz auf. Auffällig ist, dass diese Beobachtungen durch transiente Absorptionsmessungen nicht bestätigt werden konnten, da diese eine große Ähnlichkeit bezüglich der Dynamik und der spektralen Signatur zueinander besaßen. Ein negatives Signal, hervorgerufen durch die SE, wurde hierbei nicht gefunden. Allerdings konnte in den zerfallsassoziierten Spektren eine spektrale Signatur beobachtet werden, die auf eine SE hindeutete, welche allerdings mit größeren positiven Signalen überlagert ist. Dieser Aspekt wurde in einer Kerrschalter-Messung untersucht, in der eine schwache Emission bei pH 7,5 festgestellt werden konnte. Zusätzlich wies die Zerfallsdynamik der Emission Übereinstimmung mit dem GSB-Signal aus den transienten Absorptionsmessungen auf.
Ribonukleinsäure (ribonucleic acid, RNA) wirkt bei der Proteinbiosynthese nicht nur als Informationsüberträger, sondern kann auch beispielsweise durch sogenannten Riboschalter (auch Riboswitches) regulatorische Funktionen übernehmen. Riboschalter sind komplett aus RNA aufgebaut und man kann sie sich als molekulare Schalter vorstellen, die die Genexpression kontrollieren. Konzeptionell besteht ein Riboswitch aus zwei Untereinheiten, dem Aptamer und der Expressionsplattform. Das Aptamer bindet, üblicherweise sehr spezifisch, kleine organische Moleküle, aber auch Ionen. Diese Ligandenbindung induziert Änderungen in der Struktur des Riboswitches, welche wiederum die Expressionsplattform beeinflussen. Je nach Riboswitch ermöglicht oder verhindert dies schließlich die Genexpression. Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Etablierung von Methoden der optischen Spektroskopie zur Aufklärung von RNA-Dynamiken und -Strukturen im Allgemeinen und der Erforschung von Aptamerbindungsmechanismen im Besonderen.
Eine der dazu verwendetet Methoden ist die FTIR-Spektroskopie. Hierfür wurden zunächst kritische Parameter wie verschiedenste Messeinstellungen oder die Probenpräparation ausgiebig an RNA-Modellsträngen getestet. Dabei war es möglich, eine kleine Spektrenbibliothek als internen Standard aufzubauen. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass kleinere RNA-Oligonukleotide (< ca. 20 Nukleobasen) gut mittels FTIR-Methoden untersucht werden können. Anschließend wurde eine statische Bindungsstudie am adenosin- sowie am guanosinbindenden Aptamer vorgenommen.
Die zweite hier vorgestellte Methode zur Untersuchung von RNA-Molekülen ist die Fluoreszenzspektroskopie. Im Gegensatz zur FTIR-Spektroskopie ist dazu allerdings eine Modifizierung der RNA durch ein Fluoreszenzlabel nötig. Deshalb beschäftigt sich der Hauptteil dieser Doktorarbeit mit der Charakterisierung und der Anwendung des quasi bifunktionellen RNA-Markers (auch RNA-Labels) Çmf. So wurden zunächst die photophysikalischen und photochemischen Eigenschaften des Markers untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass Çmf sich als lokale Sonde eignet, da es empfindlich auf Änderungen der Mikroumgebung in Lösung reagiert. Durch direkten Vergleich der optischen Eigenschaften von Çmf mit den entsprechenden Eigenschaften des Spinlabels Çm war es möglich, den starken Fluoreszenzlöschungseffekt (sog. quenching) des Çm aufzuklären. So kann davon ausgegangen werden, dass die Fluoreszenz des Çm durch eine sehr schnelle interne Konversion (IC) in einen dunklen Dublettzustand (D1) gelöscht wird.
Im nächsten Schritt wurde Çmf in RNA-Modellstränge eingebaut, um den Einfluss der RNA auf die Photochemie des Markers zu untersuchen. Dabei konnte gezeigt werden, dass sich dessen Fluoreszenzsignal abhängig von den direkten Nachbarbasen sowie abhängig vom Hybridisierungszustand signifikant ändert. Gleichzeitig konnte keine deutliche Veränderung der Stabilität der Modellstränge festgestellt werden. So konnte also nachgewiesen werden, dass sich Çmf sehr gut als lokale Sonde in RNA eignet. Im Speziellen wurde aus den Ergebnissen geschlossen, dass der Fluorophor für Ligandenbindungsstudien herangezogen werden kann.
Deshalb wurde Çmf schließlich an mehreren verschiedenen Stellen in das neomycinbindende Aptamer (N1) eingebaut, um dessen Bindungskinetik zu untersuchen. Mittels Stopped-Flow-Messungen war es möglich, die Bindungsdynamik des Aptamers zu beobachten. Anhand dieser transienten Daten konnte ein Zweischrittbindungsmodell abgeleitet werden. Dabei bindet Neomycin zunächst unspezifisch an das weitgehend vorgeformte Aptamer. Anschließend kommt es durch die Ausbildung von Wasserstoffbrücken zu einer spezifischen Bindung des Liganden am Aptamer.
Im dritten Teil dieser Arbeit geht es ebenfalls um die Entwicklung und Etablierung eines spektroskopischen Werkzeuges. Dabei stehen allerdings Rhodopsine im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit. Hierbei handelt es sich um Membrantransportproteine, die nach optischer Anregung einen sehr schnellen Photozyklus mit mehreren Intermediaten durchlaufen. Es ist möglich, diese Intermediate dank transienter Absorptionsmessungen mit sehr guter zeitlicher und spektraler Auflösung zu beobachten. Allerdings besteht der Bedarf, diese Intermediate statisch zu präparieren, um sie näher charakterisieren und mit anderen Methoden, wie z.B. der Festkörper-NMR, vergleichen zu können.
Ein spektroskopisches Werkzeug zum Präparieren von frühen Photointermediaten ist kryogenes Einfangen (sog. Cryotrapping) dieser Intermediate. Im Rahmen dieser Arbeit wurden das Cryotrapping und die anschließende statische UV/vis-Absorptionsspektroskopie der fixierten (getrappten) Zustände optimiert und an einer Reihe von Rhodopsinen (ChR2, GPR) demonstriert.
Licht ist ein wertvolles Werkzeug zur Regulation biochemischer Reaktionsabläufe. Denn die Applikation von Licht erlaubt eine sehr präzise Einflussnahme auf den Ort und den Startzeitpunkt der zu untersuchenden Reaktionen. Als nichtinvasives Medium bietet die Lichtkontrolle bei der Wahl einer geeigneten Anregungswellenlänge den Vorteil nur minimal in einen lebenden Organismus einzugreifen. Um eine solche lichtbasierte Kontrolle für biologische Anwendungen zu realisieren, ist die Anwesenheit einer lichtsensitiven Verbindung nötig. Ein Konzept der lichtsensitiven Verbindungen ist die sogenannte photolabile Schutzgruppe. Im Allgemeinen handelt es sich hierbei um einen Chromophor der temporär an ein Biomolekül angebracht wurde, um dessen biologische Aktivität zu unterdrücken.
In dieser Arbeit wurde dieses Konzept auf das Antibiotikum Puromycin angewendet, welches durch das synthetische Anbringen der Cumarin-Schutzgruppe DEACM in seiner biologischen Aktivität behindert und durch einen Lichtpuls wieder freigesetzt wurde. DEACM st eine photolabile Schutzgruppe mit breitem Anwendungsspektrum, da es im Vergleich zu anderen Cumarin-Derivaten vorteilhafte photophysikalische Eigenschaften aufweist. Zum einen ist durch den 7-Diethylamino-Substituenten das Absorptionsmaximum dieser Verbindung um etwa 20 nm bathochrom verschoben. Zum anderen zeichnet sich dieses Derivat durch einen erheblich erhöhten Extinktionskoeffizienten aus, sodass eine Freisetzungsreaktion mit einer geringeren Lichtdosis induziert werden kann, was weniger Stress für die Zellen in lebenden Systemen bedeutet.
Die antibiotische Wirkung von Puromycin beruht auf der strukturellen Ähnlichkeit zum5'-Ende von Tyrosyl-tRNA, wodurch sich das Antibiotikum kondonunspezifisch während der Translation der Proteinsynthese an das Ribosom anlagern kann. Anschließend wird die naszierende Polypeptidkette auf das Puromycin transferiert. Da diese neue Bindung unter biologischen Bedingungen nicht spaltbar ist, führt dies zu einer verfrühten Freisetzung des Polypeptid-Puromycin-Fragments. Schließlich ist die Proteinsynthese vollständig abgebrochen.
Die Motivation zur photoinduzierten Kontrolle von Puromycin besteht in der Vielzahl an biologischen Applikationsmöglichkeiten, da die lichtregulierte Freisetzung der biologischen Aktivität als Trigger für sich anschließende biochemische Abläufe verwendet werden kann. Durch das hier gezeigte System kann in Kombination mit anderen Techniken (z.B. NMR) die posttranslationale Proteinfaltung beobachtet werden, welche als hochgradig komplexer Prozess bisher nicht verstanden ist. Eine weitere Motivationsgrundlage ist die Anwendung von DEACM-puromycin in Nervenzellen. Hier kann durch die Photofreisetzung die Proteinsynthese in den Dendriten der Neuronen beobachtet werden, wodurch Rückschlüsse auf neurodegenerative Krankheiten möglich sein sollten, wie z.B. Alzheimer-Krankheit. In dieser Arbeit konnte in-vitro nachgewiesen werden, dass die antibiotische Wirkung von Puromycin mittels Licht kontrollierbar ist. Aus der photophysikalischen Grundcharakterisierung ging hervor, dass DEACM-puromycin einen hohen Extinktionskoeffizienten bei Wellenlängen größer als 380 nm aufweist. Folglich kann zur Induktion der Photolyse eine geringere Lichtdosis mit energiearmer Strahlung als bei dem Vorläufersystem NVOC-puromycin verwendet werden, angesichts dessen ist das hier vorgestellte DEACM-puromycin für Anwendungen in Zellen zu empfehlen.
Über die Kombination von quantenchemischen Rechnungen und spektroskopischen Methoden konnten die frühen Schritte der Freisetzungsreaktion bestimmt und quantifiziert werden. Zudem zeigte sich ein Einfluss der Lösungsmittelzusammensetzung auf die Uncaging-Schritte. In Gegenwart eines protischen Lösungsmittels wird der zum Uncaging in Konkurrenz stehende Prozess der Fluoreszenz unterdrückt, wodurch die Freisetzungsschritte effektiver werden. Zudem führt die Präsenz von Protonen zu einer Stabilisierung des ionischen Intermediates, sodass die Bildung dessen beschleunigt ablaufen kann. Die Spaltung der photolabilen Schutzgruppen vom Puromycin findet mit einer Rate von 0,71*10^8 s-1 statt, welche im Vergleich zu Vorgängersystem um eine Größenordnung größer ist. Die Wiederherstellung der biologischen Aktivität resultiert aber erst nach einem anschließenden Decarboxylierungsschritt. Mithilfe von IR-Messungen konnte die Decarboxylierung beobachtet und daraus die Quantenausbeute zu 2,5% determiniert werden. Die so bestimmte Quantenausbeute entspricht etwa dem Zweifachen von NVOC-puromycin, sodass die hier untersuchte Verbindung eindeutig als das effizientere System zu betrachten ist. Die hier beschriebenen Ergebnisse zeigen, dass DEACM-puromycin vorteilhafte photophysikalische Eigenschafen aufweist, die diese Verbindung zu einem wertvollen Hilfsmittel für eine Vielzahl von lichtkontrollierten Untersuchungen in biologischer Umgebung macht. Zudem wurden Einblicke in den Reaktionsmechanismus gegeben, die das Verständnis der photolytischen Spaltung von Carbamat-geschützten Cumarinen erstmals auf der ultrakurzen Zeitskala ermöglicht.
The membrane protein Green Proteorhodopsin (GPR), found in an uncultured marine γ-proteobacterium, is a retinal binding protein and contains a conserved structure of seven transmembrane helices (A-G). The retinal is bound to a conserved lysine residue (K231) in helix G via Schiff base linkage. It belongs to the widespread family of microbial rhodopsins and functions as a light dependent outward proton pump that bacteria may utilize for establishing a proton gradient across the cellular membrane. Proton pumping takes place after photon absorption, where GPR goes through a series of conformational changes, termed photocycle, causing the proton to be transported across the cellular membrane from the intra-cellular to the extracellular space. It is further mediated by the highly conserved functional residues D97 and E108, which function as the primary proton acceptor and primary proton donor for the protonated Schiff base, respectively. Another functionally important residue is the highly conserved H75 in helix B. It forms an intra-molecular cluster with D97 and is responsible for the high pKa value of the primary proton acceptor, stabilized by a direct interaction between D97 and H75.
Different Proteorhodopsin variants are globally distributed and colour tuned to their environment, depending on the water depth in which they occur. A single residue in the retinal binding pocket at position 105 is responsible for determining the absorption wavelength of the protein. GPR (from eBAC31A08) contains a leucine at position 105, while BPR (blue proteorhodopsin, from Hot75m4) in deeper waters possesses a glutamine. Although GPR shows 79% sequence identity with BPR, a single amino acid substitution (L105Q) in GPR is able to switch the absorption maximum to the one of BPR.
Protein oligomerisation describes the association of subunits (protomers) through non-covalent interactions, forming macromolecular complexes. It is an important structural characteristic of microbial rhodopsins, contributing to structural stability and promoting tight packing of the protomers in the bacterial membrane. GPR was shown to assemble into radially arranged oligomers, mainly pentamers and hexamers. No high resolution crystal structure of the whole GPR complex is available, but the structurally related BPR (Hot75m4) was successfully crystallized, showing pentameric oligomers.
The BPR crystal structure model reveals detailed information about complex assembly of the whole proteorhodopsin family. It reveals the oligomeric structures and shows residues that are part of the protomer interfaces, forming cross-protomer contacts, which is valuable information for the elaborate analysis of cross-protomer interactions of GPR oligomers.
Based on the knowledge of GPR and BPR oligomeric complexes, the aim of this study is to analyse specific cross-protomer contacts and to characterize the functional role of GPR oligomerisation. This includes the identification of residues, which are part of charged cross-protomer contacts and play an important role for the formation of the GPR oligomeric complex. Furthermore, this study deals with a detailed characterization of a potentially functional cross-protomer triad between the residues D97-H75-W34, which was detected in the BPR structural model. Hereby, the focus lies especially on the functional role H75, which is highly conserved and is positioned in between the primary proton acceptor D97 and W34 across the protomer interface. In summary, this study addresses GPR oligomerisation via specific cross-protomer contacts and its potential role for the functional mechanism of the protein.
The fundamental technique used in this study is solid-state NMR. Furthermore, an elaborate characterization of GPR oligomerisation was executed using a variety of biochemical methods and mutational approaches. Solid-state NMR is a powerful biophysical method to analyse membrane proteins in their native lipid environment and can be used to obtain diverse information about structure, molecular dynamics and orientation of the protein in the lipid bilayer.
Solid-state NMR naturally has a low sensitivity. In order to detect the low number of spins, DNP signal enhancement is of particular importance in this study. It is exhibited under cryogenic conditions and allows to drastically enhance the solid-state NMR signal by transferring magnetization from highly polarized electrons to the nuclear spins.
By applying these methods and techniques on GPR oligomers, this study reveals new insights in specific cross-protomer interactions in the complex. First the oligomeric states of GPR were determined for the specific experimental conditions used in this study. LILBID-MS, BN-PAGE and SEC analysis identified the pentameric state to be dominant for GPR. Furthermore, specific interactions across the protomer interface, which drive GPR oligomerisation, were identified. This was conducted by creating mixed 13C-15N labelled complexes. These mixed complexes show a unique isotope labelling pattern across their protomer interfaces. Solid-state NMR 13C-15N-correlation spectroscopy (TEDOR) was used to identify through-space dipole-dipole couplings, which indicate specific cross-protomer contacts. The results indicated that the residues R51, D52, E50 and T60 are important for GPR oligomerisation, and further analysis via single mutations of these residues showed a severe impact of the GPR oligomerisation behaviour.
The functional importance of GPR oligomerisation was analysed by DNP-enhanced solid-state NMR on the cross-protomer D97-H75-W34 triad. The DNP cryogenic conditions allowed to trap GPR in distinct stages of the photocycle. It could be shown that trapping GPR in a specific intermediate leads to a drastic conformational effect for the highly conserved H75 residue. Furthermore, DNP-enhanced solid-state NMR was used to characterize the cross-protomer contact between H75 and W34. Mutations of W34 could show that the cross-protomer interaction is highly important for the functionality of the protein, as negative mutants such as W34E showed a reverse proton transport across the bacterial membrane.
In summary this study represents a detailed analysis of GPR cross-protomer interactions and sheds light into the cause and functional importance of oligomeric complex formation in the microbial rhodopsin.