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Four different structural models, which all fit the same X-ray powder pattern, were obtained in the structure determination of 4,11-di­fluoro­quinacridone (C20H10N2O2F2) from unindexed X-ray powder data by a global fit. The models differ in their lattice parameters, space groups, Z, Z′, molecular packing and hydrogen bond patterns. The molecules form a criss-cross pattern in models A and B, a layer structure built from chains in model C and a criss-cross arrangement of dimers in model D. Nevertheless, all models give a good Rietveld fit to the experimental powder pattern with acceptable R-values. All molecular geometries are reliable, except for model D, which is slightly distorted. All structures are crystallochemically plausible, concerning density, hydrogen bonds, intermolecular distances etc. All models passed the checkCIF test without major problems; only in model A a missed symmetry was detected. All structures could have probably been published, although 3 of the 4 structures were wrong. The investigation, which of the four structures is actually the correct one, was challenging. Six methods were used: (1) Rietveld refinements, (2) fit of the crystal structures to the pair distribution function (PDF) including the refinement of lattice parameters and atomic coordinates, (3) evaluation of the colour, (4) lattice-energy minimizations with force fields, (5) lattice-energy minimizations by two dispersion-corrected density functional theory methods, and (6) multinuclear CPMAS solid-state NMR spectroscopy (1H, 13C, 19F) including the comparison of calculated and experimental chemical shifts. All in all, model B (perhaps with some disorder) can probably be considered to be the correct one. This work shows that a structure determination from limited-quality powder data may result in totally different structural models, which all may be correct or wrong, even if they are chemically sensible and give a good Rietveld refinement. Additionally, the work is an excellent example that the refinement of an organic crystal structure can be successfully performed by a fit to the PDF, and the combination of computed and experimental solid-state NMR chemical shifts can provide further information for the selection of the most reliable structure among several possibilities.

The evolution of cell-free protein synthesis (CFPS) over recent decades has made it a widely used system for expressing membrane proteins (MPs). Unlike traditional methods, CFPS allows direct and translocon-independent expression of MPs within lipid membranes, such as liposomes or nanodiscs (NDs), without the need for detergent solubilization. This open nature of CF systems enables customization of the experimental environment, including expression conditions, choice of nanoparticles (NPs), lipid composition, and addition of stabilizing molecules. Membrane scaffold protein (MSP)-based NDs emerged as a gold standard for cotranslational solubilization of MPs using the CF-system. This approach allowed not only biochemical characterization, but also structural studies of MPs and even GPCRs. However, to solubilize MPs inside nanoparticles via the traditional reconstitution route, apart from MSPs other scaffolds were successfully implemented, e.g. the saposin A (commercially known as Salipro) scaffold system or the synthetic styrene maleic acid lipid particles (SMALPs). In this study the potential of saposin A-based nanoparticles (SapNPs) was explored for cotranslational MP solubilization. Three strategies for applying SapNPs in CF systems were investigated: preassembly, (i) coassembly (ii), and coexpression (iii). (i) Preassembly involved forming SapNPs before CF expression and adding them to the CF reaction. In coassembly mode SapA and lipids were mixed in the CF reaction for spontaneous assembly with the synthesized MP. In coexpression mode lipids were added to the CF reaction while coexpressing SapA with the MP target. Proteorhodopsin (PR) served as a model protein to evaluate these strategies due to its ability to oligomerize and straightforward quantification using the cofactor retinal. Preassembled SapNPs provided homogeneous, aggregate-free particles yielding up to 200 µM solubilized PR inside in the CF reaction. Coassembly was also successfully applied to produce PR/SapNP complexes at slightly lower yields, however the system was prone to produce soluble aggregates at too high PR template concentrations and overall needed more adjustments. Coexpression resulted in PR yields below 20 µM and was not considered viable for MP production. Finally, the preassembled SapNPs were used to produce functional G-protein coupled receptor probes. Despite lower overall performance compared to MSP-based systems, SapNPs showed potential as an alternative in CF systems for specific MPs. The second optimization approach was directed at the CF lysate itself. CF synthesis for NMR analysis benefits from selective labeling schemes enabled by truncated amino acid (AA) metabolic pathways in lysates, reducing spectral ambiguity. However, residual enzymatic AA conversions persist, leading to label dilution and ambiguous NMR spectra. This study aimed to eliminate these residual activities in the E. coli A19 strain, generating optimized CF lysates for NMR applications. The approach involved cumulative gene deletions of the most problematic scrambling enzymes. The new strain, “Stablelabel,” included deletions and modifications in genes asnA, ansA, ansB, glnA, aspC, and ilvE, effectively eliminating background activities of L-Asn, L-Asp, and conversions of L-Glu to L-Asp and L-Gln. However, residual conversion of L-Gln to L-Glu persisted due to glutaminase activity of several glutaminases using the inhibitor 6 diazo-5-oxo-L-norleucine (DON). Stablelabel showed a slightly slower growth than A19, and an overall good performance with 2.7 mg/mL GFP expressed in the reaction mixture (RM) compared to the parental A19 strain with 3.5 mg/mL. Furthermore, the strain was successfully applied to demonstrate methyl group labeling of MPs using preconverted L-val and L-leu from their respective precursors 2-ketoisovalerate and 4-methyl-2-oxovalerate. In this study, lipid nanoparticle particle-and strain engineering vividly demonstrated the potential of CFPS systems and their versatility. While the SapNP system requires further engineering to potentially reach the efficiency of the well-studied MSP NDs, this study provides an example of nanoparticle characterization allowing new insights into NP behavior in CF systems. Furthermore, it was shown that strain engineering is a straightforward solution to tailor CF lysates to the individual requirements. After this thesis was submitted, Stablelabel in fact was successfully applied for backbone assignment of casein kinase 1, thereby demonstrating its suitability to express complex targets for NMR studies.

A plethora of modified nucleotides extends the chemical and conformational space for natural occurring RNAs. tRNAs constitute the class of RNAs with the highest modification rate. The extensive modification modulates their overall stability, the fidelity and efficiency of translation. However, the impact of nucleotide modifications on the local structural dynamics is not well characterized. Here we show that the incorporation of the modified nucleotides in tRNAfMet from Escherichia coli leads to an increase in the local conformational dynamics, ultimately resulting in the stabilization of the overall tertiary structure. Through analysis of the local dynamics by NMR spectroscopic methods we find that, although the overall thermal stability of the tRNA is higher for the modified molecule, the conformational fluctuations on the local level are increased in comparison to an unmodified tRNA. In consequence, the melting of individual base pairs in the unmodified tRNA is determined by high entropic penalties compared to the modified. Further, we find that the modifications lead to a stabilization of long-range interactions harmonizing the stability of the tRNA’s secondary and tertiary structure. Our results demonstrate that the increase in chemical space through introduction of modifications enables the population of otherwise inaccessible conformational substates.

Die Verwendung von Photoschaltern zur gezielten Kontrolle von Systemen birgt ein hohes Potential hinsichtlich biologischer Fragestellungen, bis hin zu optoelektronischen Anwendungen. Infolge einer Photoanregung kommt es zu Geometrieänderungen, die einen erheblichen Einfluss auf ihr photophysikalisches Verhalten haben. Die Änderungen der photochemischen, wie photophysikalischen Eigenschaften, beruht entweder auf der Isomerisierung von Doppelbindungen oder auf perizyklischen Reaktionen. Durch sorgfältige Modifikationen, wie beispielsweise die Änderung der Konjugation durch unterschiedlich große π-Elektronensysteme, der Molekülgeometrie oder der Veränderung des Dipolmoments, lassen sich intrinsische Funktionen variieren. Die Kombination dieser Eigenschaften stellt eine komplexe Herausforderung dar, da diese Änderungen einen direkten Einfluss auf wichtige Charakteristika wie die Adressierbarkeit, die Effizienz und die Stabilität der Moleküle haben. Darüber hinaus spielt die thermische Stabilität eine erhebliche Rolle im Hinblick auf die Speicherung von Energie oder Informationen für Anwendungsbereiche in der Energiegewinnung und Datenverarbeitung. Für die Anwendung solcher photochromen Moleküle ist hinsichtlich der oben genannten Eigenschaften auch das Wissen über den photoinduzierten Reaktionsmechanismus unabdingbar. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss auf die Isomerisierungsdynamik organischer Photoschalter durch unterschiedliche Modifikationen mittels stationärer und zeitaufgelöster Spektroskopie untersucht. Im Bereich der Merocyanine konnte ein Derivat vorgestellt werden, das ausschließlich zwischen zwei MC-Formen (trans/cis) isomerisiert. Die interne Methylierung am Phenolatsauerstoff der Chromeneinheit verhindert die Ringschlussreaktion zum SP und somit seinen zwitterionischen Charakter. Die stabilen Grundzustandsisomere TTT und CCT weisen durch den Methylsubstituenten eine hypsochrome Verschiebung ihrer Absorptionsmaxima auf, während TTT das thermodynamisch stabilste Isomer darstellt. Das MeMC wies eine erstaunlich hohe Effizienz seiner Schaltamplituden, insbesondere der TTT → CCT Photoisomerisierung auf, sowie eine überaus hohe Quantenausbeute. Das MeMC wies zudem eine signifikante Lösungsmittelabhängigkeit auf, die sich insbesondere in der Photostabilität bemerkbar macht. Während das MeMC in MeCN und EtOH photodegradiert, konnte in EtOH/H2O eine konstante Reliabilität festgestellt werden. Diese Zuverlässigkeit impliziert nicht nur eine Stabilisierung durch das Wasser, sondern auch eine Resistenz gegenüber Hydrolysereaktionen. Darüber hinaus konnten kinetische Studien eine hohe thermische Rückkonversion von CCT zu TTT bei Raumtemperatur nachweisen, womit auf schädliche UV-Bestrahlung verzichtet werden könnte. Die Untersuchung der Kurzzeitdynamiken beider Grundzustandsisomere gab Aufschluss über die Beteiligung anderer möglicher MC-Intermediate und den Einfluss der Methylgruppe auf das System. Mittels quantenchemischer Berechnungen konnte eine erste Initiierung um die zentrale Doppelbindung beider Isomere bestimmt werden, die jeweils zu einem heißen Grundzustandsintermediat führt, bis nach einer zweiten Isomerisierung der endgültige Grundzustand der Photoprodukte populiert wird. Dies bedeutet, dass die trans/cis-Isomerisierung über TTT-TCT-CCT und die Rückkonversion über CCT-CTT-TTT erfolgt. Im Bereich der Hydrazon-Photoschalter konnten unterschiedlich substituierte Derivate mittels statischer und zeitaufgelösten UV/Vis-Studien untersucht werden. Da ESIPT Prozesse eine wichtige Funktion bei der Kontrolle von biologischen Systemen spielen, wurden verschiedene Hydrazonderivate hinsichtlich ihrer Reaktionsmechanismen untersucht. Als Rotoreinheit diente zum einen eine Benzothiazolkomponente, die die interne H-Bindung des angeregten Z-Hydrazons schwächen sollte und zum anderen wurde ein Chinolinsubstituent eingesetzt, der als Elektronenakzeptor diente und den H-Transfer begünstigt. Der Einsatz der Benzothiazolkomponente bewirkte die gewünschte Vergrößerung der bathochromen Verschiebung des E-Isomers, sowie eine deutliche Erhöhung der thermischen Stabilität des metastabilen Zustands. Dies bestätigten die zeitaufgelösten Studien der Z zu E Isomerisierung, bei denen die Isomere im Vergleich zum Chinolinhydrazonderivat, in beiden ausgewählten Lösungsmitteln metastabile Z-Intermediate zeigten und eine Lebenszeit bis in den µs-Zeitbereich aufwiesen. Die Rückreaktion beider Derivate (HCN) und (HBN) hingegen zeigte eine barrierelose Umwandlung in die beteiligten Photoprodukte. Trotz der Verwendung des Chinolinsubstituenten zusammen mit Naphthalin als Rotoreinheit (HCN), konnte kein ESIPT Prozess beobachtet werden. HCB mit einer Kombination aus einem Chinolinrotor und eines Benzothiazolsubstituenten, wies eine Hydrazon-Azobenzol-Tautomerie auf, die ein prototropes Gleichgewicht zwischen dem E-Hydrazon und der E-Azobenzolform (E-AB) ausbildete. Die Reaktionsdynamiken des Z-Hydrazons zum E-AB wiesen eine ultraschnelle Bildung des Photoproduktes auf, während die Rückreaktion über einen ESIPT im sub-ps-Bereich erfolgte. Dieser H-Transfer hat die Bildung des angeregten E-Hydrazons zur Folge. Interessanterweise wurde kein Rückprotonentransfer nachgewiesen, sondern die mögliche Formation eines Z-AB gefunden. Damit unterscheidet sich dieser Reaktionsmechanismus erheblich von den typischen ESIPT Prozessen, die normalerweise zu ihrem Ausgangsmolekül zurückrelaxieren. Des Weiteren konnte ein Pyridinoxid und Benzoylpyridin-substituiertes Hydrazon charakterisiert werden, bei denen die stationären Studien kein Schaltverhalten, sondern Photodegradation aufwiesen. Die zeitaufgelösten Daten ergaben ebenfalls keine Photoproduktbildung, was die These der Photozersetzung unterstützt. Die Verwendung von zusätzlich substituierten Rotoreinheiten, wie beispielsweise Pyridinoxid und Benzoylpyridin, die aufgrund fehlender Protonenakzeptormöglichkeit keine interne H-Bindung ausbilden, erlaubt keine Bildung des Z-Hydrazon Isomers.

Self-assembled monolayers (SAMs) on metal substrates are an important part of modern interfacial chemistry and nanotechnology. The robustness of SAMs strongly depends on their thermal stability, which, together with electric conductivity, crucial for their applications in molecular/organic electronics. In this context, using a multidisciplinary approach, the structure, stability, and conductivity properties of conjugated aromatic SAMs featuring the naphthalene backbone and S, Se, or COO group, mediating bonding to the Ag substrate are addressed. Whereas thermal stability of these SAMs exhibits a strong dependence on anchoring group, their conductivity is similar, which is rationalized by tentative model considering redistribution of charge density along the molecular framework. The thermal stability of model naphthalenethiol SAM, emphasized by desorption energy of ≈1.69 eV, is better than that of typical N-heterocyclic carbene (NHC) monolayers considered currently as the most stable SAMs on metal substrates. However, in contrast to NHC SAMs, which are highly insulating, the naphtalene-based SAM, with S, Se or COO anchoring groups, are highly conductive, even in comparison with analogous oligophenyl SAMs (by a factor of 10). A unique combination of the ultimate thermal stability and superior conductivity for the naphthalenethiol SAM on Ag makes it highly attractive for applications.