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Um Materie mit Nanometergenauigkeit anzuordnen, ist Selbstorganisation die mächtigste Strategie. DNA (Desoxyribonukleinsäure) ist hierfür ein hervorragendes Baumaterial, da sie ein billiges, programmierbares, biokompatibles und gut verstandenes Polymer ist. Aus diesen Gründen ist DNA zur Basis für ein schnell wachsendes Gebiet geworden: die DNA-Nanotechnologie. Das Ziel dieser Arbeit war es, neue Interaktionsmöglichkeiten für die DNA-Nanotechnologie zu entwickeln und neuartige Strukturen aus DNA-minicircles aufzubauen, einem bislang vernachlässigten Konstruktionselement. ...
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.
Die Steuerung biochemischer Prozesse oder die Verbesserung von Materialien erfordert zunächst ein tiefgründiges Verständnis über die zugrundeliegenden Systeme. Zur Untersuchung eignet sich Licht als ideales Werkzeug, da hiermit nützliche Informationen über die chemische Struktur, ihre Eigenschaften sowie den zusammenhängenden, schnellen Reaktionsabläufen erhalten werden können. Um die Aufklärung zu erleichtern können kleine, chemische Verbindungen eingeführt werden, welche beispielsweise ein Fluoreszenzmarker, eine photolabile Schutzgruppe oder eine photoschaltbare Verbindung sein können. Von jeweils einem Vertreter dieser Moleküle wurden unterschiedliche Studien durchgeführt, dessen Ergebnisse in dieser Arbeit in insgesamt drei Projekten zusammengefasst werden.
Zunächst wurde die Funktionalität der Helikase RhlB untersucht, die der Familie der DEAD-Box Proteine zugeordnet wird, und RNA-Duplexe in ihre Einzelstränge entwindet. Als RNA-Modellduplex diente JM2h, an dem ein RNA-Einzelstrang fluoreszenzmarkiert war (M2AP6). Die Einführung dieses Markers ermöglichte die Durchführung von statischen Fluoreszenzmessungen sowie von Mischexperimenten, die mit Hilfe der stopped-flow-Technik durchgeführt wurden. In den einleitenden Studien wurde die Helikase weggelassen, wodurch der Fokus auf den Fluoreszenzeigenschaften der RNA gelegt wurde. Die Ergebnisse hierzu zeigten, dass die Fluoreszenzintensität des Einzelstrangs durch Zugabe des komplementären Strangs deutlich abnimmt, wobei das Minimum bei einem äquimolaren Verhältnis erreicht wird. Die dazugehörigen stopped-flow-Messungen zeigten eine Beschleunigung der Hybridisierungsreaktion, wenn höhere Konzentrationen des Gegenstrangs in der Lösung vorhanden waren. Nach anschließender Zugabe der Helikase zur Lösung wurde ein Anstieg der Fluoreszenzintensität erwartet, der vom separierten Einzelstrang M2AP6 herrühren sollte. Dieser Anstieg wurde jedoch erst nach weiterer Zugabe von ATP beobachtet, der auf eine ATP-Abhängigkeit der Entwindungsreaktion von RhlB hindeutet. Diese Abhängigkeit wurde auch bereits für andere Helikasen der DEAD-Box Familie entdeckt. Die korrekte Funktionalität sowie die ATP-Abhängigkeit wurden in stopped-flow-Messungen verfiziert, bei denen der Fluoreszenzanstieg auch zeitaufgelöst betrachtet werden konnte. Für die spektralen Korrekturen der Fluoreszenzspektren wurde ein selbstgeschriebenes MATLAB-Programm namens FluCY verwendet (engl.: Fluorescence Correction & Quantum yield), welches eine schnelle und fehlerfreie Verarbeitung des Datensatzes ermöglichte.
Die zwei im folgenden beschriebenen Projekte handeln von photoaktivierbaren Molekülen. Zum einen photolabile Verbindungen, welche die Funktion z.B. eines Biomoleküls durch eine chemische Modifikation deaktivieren können. Durch eine lichtinduzierte Reaktion kommt es zur Abspaltung der Modifikation und die Funktion ist wiederhergestellt. In dieser Arbeit wurden verschiedene photolabile Schutzgruppen untersucht, die denselben Chromophor BIST (BIsStyryl-Thiophen) tragen. Durch die Einführung dieses Chromophors absorbierten sämtliche untersuchte Verbindungen sehr effizient sichtbares Licht (epsilon(445)=55.700 M^(-1) cm^(-1)), wodurch der photoinduzierte Bindungsbruch mit Wellenlängen durchgeführt werden, die bei einer biologischen Anwendungen keinen Schaden an der Zelle anrichten würden. Hieraufhin wurden in statischen und zeitaufgelösten Absorptionsmessungen Teilschritte der Freisetzungsreaktion untersucht, indem nach Photoanregung die Absorptionsänderungen auf verschiedenen Zeitskalen analysiert wurden. Die ultraschnelle Dynamik im Piko- bis Nanosekundenbereich (10^(-12)-10^(-9) s) wird durch eine spektral breite, positive Absorptionsänderng dominiert. Diese impliziert, dass die Deaktivierung über den Triplettpfad abläuft, der die vergleichsweise niedrigen Freisetzungsausbeuten erklärt (phi(u) < 5). Aufgrund des hohen Extinktionskoeffizienten reichen dennoch bereits niedrige Strahlungsdosen aus, um eine Freisetzung zu initiieren. Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt dieser Reaktion ist dem Zerfall des aci-nitro Intermediats zugeordnet. Für ein sekundäres Amin, welches mit BIST geschützt wurde, ist eine Lebensdauer des Intermediats von 71 µs gefunden worden.
In einigen Fällen ist es erwünscht, eine vorliegende Aktivität nicht nur ein-, sondern auch ausschalten zu können, wofür photochrome Verbindungen (oder Photoschalter) verwendet werden. Die in dieser Arbeit untersuchte Verbindung ceCAM ist ein Alken-Photoschalter und vollführt bei Bestrahlung mit Licht eine cis/trans-Isomerisierung. ceCAM ist das Cyanoester-Derivat (ce) von Cumarin-substituierten Allylidenmalonat, von denen beide Konformere sehr effizient sichtbares Licht absorbieren trans: epsilon(489)=50.300 M^(-1) cm^(-1); cis: epsilon(437)=18.600 M^(-1) cm^(-1)). Andere photophysikalische Eigenschaften umfassen u.a. hohe thermische und photochemische Stabilität. Letztere wurde über ein Experiment nachgewiesen, bei dem die lichtinduzierte Isomerisierung alternierend durchgeführt wurde und selbst bei über 250 Zyklen keine signifikate Abnahme der Absorption beobachtet werden konnte. Des Weiteren konnte die Reaktion mit Quantenausbeuten von 39% (trans) und 42% (cis) induziert werden, wobei im photostationären Gleichgewicht auch hohe Isomerenverhältnisse mit bis zu 80% (trans) und 96% (cis) akkumuliert werden konnten. Die Geschwindigkeit der Reaktion wurde mit Hilfe der Ultakurzzeit-Spektroskopie untersucht. Die Dynamik im Zeitbereich von ps-ns zeigte, dass die trans/cis-Isomerisierung unterhalb von 0,5 ns und die umgekehrte Reaktion noch viel schneller (wenige ps) abgeschlossen ist. Durch die Untersuchungen in dieser Arbeit an den BIST-Verbindungen und ceCAM sind viele vorteilhafte, photophysikalische Eigenschaften charakterisiert worden, wodurch sie als verbesserte Alternative zu den bisher bekannten photolabilen Schutzgruppen oder Photoschaltern anzusehen sind.
Riboswitches are an important class of regulatory RNA elements that respond to cellular metabolite concentrations to regulate gene expression in a highly selective manner. 2’-deoxyguanosine-sensing (2’dG) riboswitches represent a unique riboswitch subclass only found in the bacterium Mesoplasma florum and are closely related to adenine- and guanine-sensing riboswitches. The I-A type 2’dG-sensing riboswitch represses the expression of ribonucleotide reductase genes at high cellular concentrations of 2’dG as a result of premature transcription termination.
Increasing evidence within the last decade suggests that transcriptional regulation by riboswitches is controlled kinetically and emphasizes the importance of co-transcriptional folding.2–4 Addition of single nucleotides to nascent transcripts causes a continuous shift in structural equilibrium, where refolding rates are competing with the rate of transcription.5,6
For transcriptional riboswitches, both ligand binding and structural rearrangements within the expression platform are precisely coordinated in time with the rate of transcription. The current thesis investigates the mechanistic details of transcriptional riboswitch regulation using the I-A 2’dG-sensing riboswitch as an example for a riboswitch that acts under kinetic control.
Um die Funktionsweise von biologischen Prozessen zu untersuchen, werden Trigger-Signale benötigt, die die Prozesse initiieren können, ohne dabei dem Organismus zu schaden oder Nebenreaktionen hervorzurufen. Ein geeignetes Trigger-Signal stellt Licht dar, da es bei geeigneter Wellenlänge nichtinvasiv ist und nur wenige biologische Prozesse durch Licht gesteuert werden. Um einen Prozess mit Licht aktivierbar zu machen, benötigt man eine lichtsensitive Einheit, beispielsweise eine photolabile Schutzgruppe, die durch die Bestrahlung mit Licht einen zuvor blockierten Bereich freisetzt.
Hauptziel dieser Arbeit war es die Zweiphotonen-Technik für die Photolyse von photolabil geschützten Oligonukleotiden nutzbar zu machen und das Photolyseergebnis zu visualisieren.
Dazu wurden zunächst verschiedene mit Zweiphotonen-sensitiven Schutzgruppen modifizierte Phosphoramidite synthetisiert und über Festphasensynthese in Oligonukleotide eingebaut. Die Oligonukleotide mit den erstmals neu eingebauten Schutzgruppen ANBP und hNDBF wurden zunächst auf ihre Einphotonen-Eigenschaften, wie Schmelzpunkt, Absorptionsverhalten und Quantenausbeute untersucht. Weiterhin wurden erste Versuche zur wellenlängenselektiven Photolyse von hNDBF- und ANBP-geschützten Oligonukleotiden durchgeführt.
Die Existenz eines Zweiphotonen-induzierten Effekts kann durch die quadratische Abhängigkeit des erzeugten Effekts von der eingestrahlten Leistung nachgewiesen werden. Dazu wurde ein Verdrängungs-Assay entwickelt, dessen Doppelstrang-Sonde aus einem FRET-Paar besteht. Der Fluorophor-markierte Strang dient dabei als Gegenstrang zum photolabil geschützten Strang. Durch einen Thiol-Linker am photolabil geschützten Oligonukleotid konnte dieses erfolgreich in Maleimid-Hydrogele immobilisiert werden und der Verdrängungs-Assay im Gel durchgeführt werden. Die immobilisierten Stränge enthielten DEACM bzw. ANBP Schutzgruppen. Neben der quadratischen Abhängigkeit der Photolyse von der eingestrahlten Leistung konnten in diesen Hydrogelen auch 3D-aufgelöste Photolysen realisiert werden, die eindeutig die Zwei-Photonen-Photolyse belegen. Diese 3D-Experimente wurden zusammen mit Dr. Stephan Junek am MPI für Hirnforschung durchgeführt. Durch die Wahl zweier unterschiedlicher Sequenzen für die dTDEACM und dGANBP modifizierten Stränge und zwei unterschiedlicher Fluorophore für die Doppelstrang-Sonden, konnte die orthogonale Zweiphotonen-Photolyse gezeigt werden. Um zu zeigen, dass die Zweiphotonen-Photolyse von Oligonukleotiden auch in Organismen realisiert werden kann ohne das biologische System zu schädigen, wurde versucht den Verdrängungs-Assay auch in Zellen durchzuführen. Durch die Verwendung der Patch-Clamp-Technik in Zusammenarbeit mit Dr. Stephan Junek am MPI für Hirnforschung konnten die Stränge über die Elektrolyt-Lösung in Hippocampus-Neuronen eingebracht werden und durch Zweiphotonen-Bestrahlung dort photolysiert werden, was zu einem deutlichen Fluoreszenzanstieg führte. Durch die angeschlossene Patch-Clamp-Pipette konnten so zusätzlich elektrophysiologische Messungen durchgeführt werden, die zeigten, dass die durchgeführte Zweiphotonen-Bestrahlung nicht invasiv für die Zellen ist.
Die durchgeführten Experimente beweisen, dass Zweiphotonen-sensitive Schutzgruppen auf Oligonukleotiden photolysiert werden können und dass ihr Einsatz auch in biologischen Systemen möglich ist. Der entwickelte Verdrängungs-Assay ermöglicht es weiterhin neue photolabile Schutzgruppen auf Oligonukleotiden auf ihre Zweiphotonen-Sensitivität zu untersuchen.
Ein weiteres Projekt beschäftigte sich mit der Synthese der neuen Schutzgruppe DMA-NDBF-OH, die in-silico von der Arbeitsgruppe von Prof. Andreas Dreuw aus Heidelberg als effiziente Zweiphotonen-sensitive Schutzgruppe beschrieben wird. Es wurde versucht DMA-NDBF-OH über zwei Syntheserouten herzustellen. Eine Route basierte auf der Einführung der Funktionalitäten an einem unmodifizierten Dibenzofuran, die leider an der Bromierung der Seitenkette scheiterte. Die zweite Syntheseroute wurde in Anlehnung an die NDBF-Synthese von Deiters et al., bei der das Dibenzofuran durch eine Kondensation zweier modifizierter Benzolringe und einem Pd-katalysierten Ringschluss aufgebaut wird, durchgeführt. Mit dieser Syntheseroute konnte das DMA-NDBF-OH erfolgreich synthetisiert werden. Aufgrund ihrer starken bathochromen Verschiebung sollte sich diese Schutzgruppe hervorragend für die wellenlängenselektive Photolyse auf Ein- und Zweiphotonenebene eignen.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde einerseits der Einsatz lichtaktivierbarer Oligonukleotide zur Kontrolle der Leitfähigkeit entlang von DNA untersucht sowie neue photoaktivierbare Verbindungen für die Peptidchemie und für eine neu entwickelte Variante des SELEX (Systematic Evolution of Ligands by EXponetial enrichment) Verfahrens synthetisiert.
DNA vermittelte Ladungsübertragung verläuft entlang des gestapelten π-Systems der heteroaromatischen Nukleobasen. Die Leitfähigkeit von Oligonukleotiden reagiert daher empfindlich auf Störungen in der Watson-Crick-Basenpaarung. Die in der Arbeitsgruppe Heckel etablierte Technik, Nukleobasen an für die Basenpaarung relevanten Positionen mit photolabilen Schutzgruppen zu modifizieren, sollte daher mit Systemen der Ladungsübertragung in DNA kombiniert werden. Im Verlauf dieses Projekts wurden zwei literaturbekannte Varianten, in denen Ladungstransport über einen lichtinduzierten Redoxprozess zwischen Metallkomplexen ablaufen und über eine dabei unterdrückte Fluoreszenz optisch verfolgt werden sollte, als ungeeignete Systeme identifiziert. Durch den Wechsel zu elektrodengestützter Leitfähigkeitsmessung konnte der prinzipielle Effekt von Leitfähigkeit in perfekt gepaarter DNA und deutlich reduziertem Stromfluss in Oligonukleotiden mit Fehlpaarungen gezeigt werden. Beim Einsatz photolabil geschützter Oligonukleotide konnte jedoch auch in diesem System noch nicht der gewünschte Effekt gefunden werden.
Im zweiten Projekt dieser Arbeit wurden neue photolabile Verbindungen hergestellt, die Peptide nach ihrem Einbau in das Peptidrückgrat durch Zwei-Photonen-Anregung mit IR-Licht spalten sollen. Drei entsprechende Nitrodibenzofuran-Verbindungen und ein Cumarin-Baustein konnten erfolgreich synthetisiert werden. Die neuen Moleküle zeigten im Rahmen der Peptid-Festphasensynthese Stabilitätsprobleme. Diese Schwierigkeiten konnten durch Peptid-Kopplungen in Lösung umgangen werden. Mit Hilfe eines der hergestellten Bausteine wurden zwei Tripeptide hergestellt, die jeweils mit dem Farbstoff ATTO565 markiert und hinsichtlich ihrer photochemischen Eigenschaften charakterisiert wurden. Der neue Baustein zeigte neben den Eigenschaften als photospaltbare Gruppe, dass er gleichzeitig ein Quencher für den Farbstoff ATTO565 darstellt. Nach Belichtung stieg die Fluoreszenz um den Faktor 81 an. Die Aktivierung gelang wie erwartet mit Ein- und Zwei-Photonen-Anregung. In Kollaboration mit der Arbeitsgruppe von Prof. Heilemann konnten Antiköper mit einem der Tripeptide modifiziert werden und die Kompatibilität der Verbindung mit hochaufgelöster Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie demonstriert werden.
Im letzten in dieser Arbeit thematisierten Projekt wurden neue lichtspaltbare Verbindungen für eine Variante des SELEX-Prozesses hergestellt. Diese Verbindungen erlauben die temporäre Einführung einer Indol Modifikation an Alkin-modifizierte Oligonukleotide über die sogenannte Click-Chemie. Neue chemische Modifikationen wie die hier verwendeten Indole erhöhen die chemische Vielfalt der Oligonukleotide. Eine größere Vielfalt führt zu neuen potentiellen Wechselwirkungen gegenüber Verbindungen, gegen die mit Hilfe herkömmlicher SELEX-Verfahren keine Aptamere erzeugt werden konnten. Da die chemische Modifikation über eine photolabile Gruppe an die Oligonukleotide gebunden wird, kann sie photochemisch von der DNA gespalten werden, wodurch eine Interferenz der Modifikation mit den enzymatisch katalysierten Schritten innerhalb der SELEX ausgeschlossen werden kann.
Photolabile protecting groups (PPGs, cages, photocages) are molecules which can block the activity of a functional group and be removed by irradiation of light of an appropriate wavelength. One of the goals of this work was to design new photolabile protecting groups, based on a literature known one. The far-UV absorbing diethylamino benzyl (DEAMb) photocage, developed by Wang et al., was selected as structural basis for this work. In order to trigger the uncaging reaction with longer wavelengths (≥365 nm), thus allowing also biological applications, its structure was optimized. This was done by elongating the π-orbital conjugation using biphenyl derivatives instead of a single aromatic moiety. The photocage was loaded with glutamic acid as the leaving group.
The highest bathochromic shift was shown by compounds, which had the smallest sterical hindrance imposed on the second aromatic ring. The absorption spectrum was more redshifted if the second aromatic ring contained an electron withdrawing group. However, the stronger the substituents electron withdrawing strength was, the lower the uncaging quantum yield was. It was rationalized, that this is due to a decreased excited state electron density at the benzylic carbon of the DEAMb core which is necessary to trigger bond dissociation. This has been confirmed using TDDFT (time-dependent density functional theory) computations done by Jan von Cosel, Konstantin Falahati and Carsten Hamerla (from the group of Irene Burghardt). The best uncaging quantum yield was 42% for m-phenyl substituted DEAMb, while if a strong electron withdrawing group was present (nitro group), there was no photoactivity at all.
In order to achieve a better π-orbital conjugation of the non-coplanar biphenyl derivatives, a C-C bond was introduced between the benzylic carbon and the second aromatic ring. The resulting planar compounds belong to the fluorene class. The computational data predicted the photochemical meta effect to some extent to be preserved in these molecules. A set of fluorene derivatives was synthesized and photochemically characterized. The molar absorption coefficients of all prepared fluorene derivatives were higher than for any of the biphenyl derivatives. Quantum yields of the acetate release ranged between 3-42%, thus being as good as the best glutamic acid releasing biphenyl compounds. The highest uncaging cross section of the acetate release from the prepared fluorene derivatives was above 5000 M^-1 cm^-1. This value proves the high potential of the new fluorene based photocages developed in this work. Furthermore, release of hydroxide ion from fluorenol could be shown along with generation of, presumably, fluorenyl cation. These intriguing results paves a way for further exploration of fluorene based photocages for the release of bad leaving groups.
The second part of this work describes the custom synthesis of 13C labeled compounds for the VIPER (VIbrationally Promoted Electronic Resonance) project. In the VIPER pulse sequence, a molecule is vibrationally excited by a narrow band IR-pump pulse. The following Vis-pump pulse will promote the vibrationally pre-excited molecules to an electronically excited state. This Vis-pump pulse is offresonant for the not vibrationally pre-selected species and only resonant with the molecules, which are already pre-excited by the IR-pump pulse. Since the IR absorption bands usually are well resolved, a selective excitation of one molecule in an ensemble of similar ones is possible in the IR frequency range. Isotopologues and isotopomers are an extreme case of molecules which are near identical and differ only by isotopic composition or position. As a result in solution and at room temperature they have an identical UV-Vis absorption spectrum but different IR spectrum. This allows vibrational excitation of only one isotopologue (or isotopomer).
Isotopic labels were introduced in known photocages: 7-diethylamino coumarin (DEACM) and para-hydroxy phenacyl (pHP). The position for isotopic label incorporation in these molecules was guided by computations done by Jan von Cosel and Carsten Neumann. To allow control of the photoreactions in an ultrafast timescale, an IR active leaving group was used. The uncaging behavior of the prepared molecules in steady state was tested using chromatography (HPLC) and spectroscopy (1H NMR, FTIR and UV-Vis). The VIPER experiments were performed by Daniela Kern-Michler, Carsten Neumann, Nicole Mielke and Luuk van Wilderen (from the group of Jens Bredenbeck). A selective uncaging of only the vibrationally pre-excited molecules could be achieved.
In view of the diverse functionalities of RNA, the search for tools suitable for regulating and understanding RNA grows continuously. Dysfunction of RNA controlled processes can lead to diseases, calling for external regulation mechanisms – a difficult task in view of the complexity of biological systems. One of the recently developed methods that aim to systematically control RNA relates to photoregulation. Here, the RNA functions are triggered by photochromic molecules – for example, azobenzene or spiropyran – which are bound either covalently or non-covalently to the target RNA. This is a flexible approach, which can be improved by using suitably substituted chromophores. However, many issues regarding the details of photocontrol are still open. A detailed understanding of the mechanism of photocontrol is therefore of crucial importance.
The present thesis explores theoretical approaches to the photocontrol of RNA, focussing upon azobenzene chromophores covalently bound to RNA. The aim of the thesis is to characterize, at a molecular level, the effect of trans-to-cis isomerization of the azobenzene chromophore on RNA, and thus understand the mechanism of RNA unfolding triggered by azobenzene isomerization. In particular, we attempt to answer the following questions:
How does azobenzene isomerization happen in an RNA environment, i.e., how is
the isomerization influenced by the local RNA environment?
Conversely, how is RNA dynamics, on a longer time scale, affected by azobenzene attachment and photoisomerization?
Further, can regulation be enhanced by substituted azobenzenes? And, does simulation yield a picture that is consistent with experiment?
Due to the very different times scales of azobenzene isomerization (femtoseconds to picoseconds) and the much slower RNA response (nanoseconds to milliseconds), complementary techniques have been chosen: (i) hybrid quantum-classical approaches, i.e., on-the-fly Quantum Mechanics/Molecular Mechanics (QM/MM), to characterize the isomerization and RNA response on an ultrafast time scale, and (ii) molecular dynamics with enhanced sampling techniques, in particular, Replica Exchange MD (REMD), to explore longer time scales where the effect of RNA unfolding becomes manifest. Furthermore, substituent effects on azobenzene were separately investigated, in collaboration with two experimental groups.
The first part of this thesis is focused on the conformational influence of azobenzene on a small RNA hairpin on longer time scales using REMD simulations. In accordance with experiment, it is found that both the trans and cis form of azobenzene destabilize the RNA system. Trans azobenzene stays stacked in the double strand, whereas the cis form flips out of the RNA. These stacking interactions are the main reason why a trans azobenzene-RNA-complex is more stable than a cis-azobenzene-RNA-complex. Furthermore, the loop region of the RNA hairpin is highly destabilized by the intercalation of azobenzene.
In the second part, on-the-fly QM/MM simulations of the same azobenzene substituted hairpin are undertaken. These simulations use a surface hopping (SH) algorithm in conjunction with hybrid QM/MM electronic structure calculations to give a complete picture of the isomerization process on a picosecond time scale. It is shown that, due to the constraints of the RNA environment, the isomerization time of the azobenzene chromophore is significantly increased (from 300 femtoseconds in the gas phase to around 20 picoseconds in the RNA environment), and the isomerization yield is low. To the best of our knowledge, these are the first QM/MM simulations reported for azobenzene in a nucleic acid environment.
In the third and final part of this thesis, the properties of substituted azobenzenes have been explored, in collaboration with two experimental groups at the department. In particular, para- and meta-hydroxy substituted azobenzenes were suggested as improved photoswitches for the photoregulation of RNA, but spectroscopic investigations showed that isomerization was inefficient in some of the investigated species. Therefore, we investigated the photoisomerisation pathway of the keto/enol-form of para- and meta-hydroxy-azobenzenes by Time-Dependent Density Functional Theory (TDDFT) calculations. These calculations show that the competing keto/enol-tautomerism can result in an unstable cis form, making these substituted chromophores unsuitable as photoswitches.
Overall, the present thesis has contributed to obtaining a molecular-level understanding of photocontrol in azobenzene substituted RNAs, showing that theory and simulations can provide useful guidance for new experiments.
Für die Optimierung sowie Entwicklung lichtsteuerbarer Systeme für biologische Anwendungen oder neue Materialien ist ein detailliertes Verständnis der zugrunde liegenden komplexen, lichtinduzierten Prozesse eine Voraussetzung. Die Verwendung von Photoschaltern in Makromolekülen ermöglicht eine zeitliche und örtliche Kontrolle über strukturelle Änderungen sowie die entsprechend folgenden (biologischen) Funktionen durch die Verwendung von Licht als externem Auslöser.
Ein wichtiger Bestandteil dieser Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines auf Licht reagierenden Riboschalters, welcher die gezielte Kontrolle über Genexpression ermöglicht. Hierzu wurde eine spektroskopische Charakterisierung von verschiedenen Photoschaltern bezüglich einer Verwendung als biologischer Ligand sowie der Wechselwirkungen zwischen Azobenzolen und RNA, auch hinsichtlich ihrer Bindungsdynamiken durchgeführt. Zunächst wurde die hohe Abhängigkeit der (photo-)chemischen Eigenschaften der Azobenzole von der Wahl der Substituenten untersucht, wobei besonders die Anwendung in wässrigem Milieu betrachtet wurde. In einer detaillierten (zeitaufgelösten) Studie wurde der positionsabhängige Einfluss der Hydroxy-Substitution von Azobenzolen auf die Photoisomerisierung in wässriger Lösung untersucht. Für eine ortho-Substitution ergab sich hierbei ein alternativer Deaktivierungskanal nach Photoanregung, welcher stärker ausgeprägt ist als die Isomerisierung. Hierbei wird ein intramolekularer Protontransfer im angeregten Zustand (ESIPT) beobachtet, welcher mit einer Zeitkonstante von 0.3 ps beschrieben werden kann und in einer Keto-Spezies resultiert. Eine Keto-Enol-Tautomerie konnte für die para-Hydroxy-Substitution schon im Grundzustand beobachtet werden. Somit können beide Spezies gezielt adressiert werden. Durch Acetylierung der Hydroxygruppe verlangsamt sich die thermische Relaxation des cis-Isomer zu dem entsprechenden trans-Isomer signifikant ohne die Isomerisierung zu beeinträchtigen. Dementsprechend ermöglicht eine solche Acetylierung die Verwendung von bekannten Azobenzolderivaten als Photoschalter.
Zudem werden in dieser Arbeit zwei verschiedene Herangehensweisen in der Entwicklung eines Riboschalters beschrieben, welcher sich durch Licht regulieren lässt.
Diese sind durch kovalentes bzw. nicht-kovalentes Einbringen eines Azobenzolderivats in die RNA Struktur charakterisiert. Ein neuer Linker, welcher auf einer Desoxyribose-Struktur beruht, wird für die kovalente Anbindung des Azobenzols an den RNA Strang präsentiert, welcher eine licht-induzierte Dehybridisierung ermöglichen soll. Eine außergewöhnlich hohe Schaltamplitude mit einem cis-Gehalt von etwa 90% konnte für das Azobenzol im RNA Einzelstrang schon bei Raumtemperatur ermittelt werden. Zudem wurde der Einfluss des Photoschalters sowie der benachbarten Nukleotide in der RNA auf die Stabilität der RNA Doppelhelix untersucht. Die zweite Vorgehensweise beruht auf einer nicht-kovalenten Bindung zwischen einem Azobenzolderivat und einem RNA-Aptamer, welche lediglich für eines der Photoisomere ermöglicht wird, wodurch eine örtliche und zeitliche Kontrolle der Ligandenbindung der RNA erfolgt. Im Rahmen dieser Arbeit war es möglich zwei verschiedene photoschaltbare RNA Aptamere zu identifizieren und zu untersuchen, welche eine hohe Spezifität und Affinität aufweisen. Zudem wurde die Photoisomerisierung des Azobenzols innerhalb der RNA-Struktur sowie daraus resultierende lichtinduzierte Konformationsänderungen der RNA mittels zeitaufgelöster Anreg-/Abtastspektroskopie untersucht. Die daraus resultierende Dynamik der photoinduzierten Ligandenbindung sollte eine weitere gezielte Optimierung lichtschaltbarer biologischer Systeme erlauben.
Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der zeitaufgelösten Untersuchung eines photoschaltbaren Foldamers. Speziell wurde der strukturelle Übergang des OmPE-Foldamers 10-5 zwischen einer definierten helikalen und einer ungefalteten Konformation auf Grund der Photoisomerisierung der, in das Rückgrat integrierten, Azobenzole untersucht.
Dabei konnten die frühen (Ent-)Faltungsmechanismen des Foldamers im sub-Nanosekunden-Zeitbereich beobachtet werden, welche durch quantenmechanische Rechnungen unterstützt werden konnten. Darüberhinaus, war es möglich einen Anregungsenergietransfer vom PE-Rückgrat des Foldamers auf die Azobenzole nachzuweisen, welcher die Lebensdauer der angeregten Zustände des Systems signifikant verkürzt.
Diese Arbeit liefert wichtige Informationen zu den Reaktionspfaden, den gezielten Wechselwirkungen zwischen Photoschaltern und größeren organischen Molekülen, sowie den daraus resultierenden lichtinduzierten strukturellen Änderungen durch die Anwendung einer Vielzahl an (zeitaufgelösten) spektroskopischen Methoden. Diese Ergebnisse tragen zum weiteren Verständnis komplexer Prozesse in biologischem sowie nicht-biologischem Zusammenhang und somit zu einer weiterführenden Entwicklung neuer Systeme bei.
Die Verwendung von photolabilen Schutzgruppen zur nicht-invasiven Kontrolle von Systemen birgt ein großes Potential für verschiedenste Anwendungsgebiete, die von der Erforschung und Regulation biologischer Prozesse, über den Einsatz in medizinischer Therapie bis hin zur Verwendung als molekulare Datenspeicher reichen. Für diese Umsetzung benötigt es allerdings eine breite Auswahl an entsprechenden PPGs und das Wissen über ihre Reaktionsmechanismen. Im Allgemeinen lässt sich die Konzeptionierung von PPGs in drei Prozesse einteilen, beginnend bei dem Design und der Synthese einer neuen PPG. Bei diesem Schritt liegt der Fokus auf ein oder zwei besonderen Eigenschaften, wie beispielsweise einer Absorptionswellenlänge in einem bestimmten Spektralbereich oder einer hohen Uncaging-Quantenausbeute. Im zweiten Schritt folgt die Untersuchung der PPG bezüglich spektroskopischer und mechanistischer Eigenschaften und ggf. anschließender Optimierung auf synthetischer Ebene. Die so gewonnenen Informationen sind dann hilfreich bei dem letzten Schritt, bei dem es um den Einsatz der PPG in einem entsprechenden System geht. Hierbei müssen die verwendeten PPGs genau auf das Zielsystem abgestimmt sein, dazu zählen verschiedenste Parameter wie Anregungswellenlänge, Extinktionskoeffizient, Art und Struktur der Photoprodukte sowie Uncaging-Effizienz und Geschwindigkeit.
In der vorliegenden Arbeit wurde über die drei vorgestellten Projekte mittels spektroskopischer Methoden zu allen drei genannten Stadien zur Konzeptionierung von PPGs ein Beitrag geleistet. Dazu zählt die Entwicklung der CBT-basierten PPGs, die Untersuchung der Struktur-Wirkungsbeziehung von (DMA)(2)F-PPGs und die Etablierung einer wellenlängenselektiven An-/Aus-Funktionalität eines Antibiotikums. In enger interdisziplinärer Zusammenarbeit zwischen theoretischen, synthetischen und biologischen Teilgebieten konnte jedes Projekt innerhalb der jeweiligen Entwicklungsstufe erfolgreich abgeschlossen werden.
Mithilfe des relativ neuen Ansatzes, bei dem durch quantenmechanische Berechnungen der vertikalen Anregungsenergie von der kationischen Spezies einer PPG-Grundstruktur eine Aussage über ihre Qualität postuliert werden kann, konnte ausgehend von der Fluoren-Grundstruktur eine neue Klasse von PPGs gefunden werden. Dabei erwies sich die CBT-Struktur mit den Schwefelatomen an der para-Position als besonders geeignet. Insbesondere konnte die Grundstruktur durch die (OMePh)2-Substitution, welche in einer signifikanten bathochromen Verschiebung des Absorptionsmaximums resultierte, optimiert werden. Die Untersuchung der Ultrakurzzeit-Dynamik beider p-CBT Strukturen gab Aufschluss über die unterschiedlichen photochemischen Eigenschaften als PPG.
Für die Stoffklasse der Dimethylamino-Fluorene wurde ein wichtiger Unterschied zwischen den einfach- und zweifach-substituierten Derivaten aufgedeckt, der entscheidend für einen signifikanten Uncaging-Effizienzunterschied ist. Dabei stellt sich die Stabilität des symmetrisch-substituierten Fluorenyl-Kations als der wichtigste Faktor bezüglich der Uncaging-Quantenausbeuten heraus. Beide Schutzgruppen sind in der Lage photoinduziert eine AG freizusetzen, wobei der Reaktionsmechanismus über die kationische Spezies (DMA)(2)F + abläuft. Der Unterschied hierbei liegt in der Lebensdauer der beiden Kationen, die im Falle der symmetrischen PPG stark lösungsmittelabhängig ist und bis zu mehreren Stunden betragen kann, was bis dato das langlebigste Kation dieser Molekülklasse darstellt. Für die zukünftige Optimierung dieser PPG-Klasse ist die Erkenntnis über die Gründe für die Stabilität des Kations von großem Vorteil. Der stabilisierende Faktor ist zum einen die zweite Dimethylamino-Gruppe der symmetrischen Verbindung, welche durch die Erweiterung der Mesomerie zur besseren Verteilung der positiven Ladung im Molekül führt. Zum anderen spielt das Lösungsmittel eine entscheidende Rolle. Dabei bieten protische, polare Medien eine zusätzliche Stabilisierung, die notwendig für die Langlebigkeit des Kations ist. Die Lebensdauer des Kations war zudem durch eine zweite Bestrahlungswellenlänge kontrollierbar. Ausgehend vom Kation konnte eine reversible Nebenreaktion in protischen Lösungsmitteln identifiziert werden, die einen Austausch der AG durch das Lösungsmittel darstellt.
Zusätzlich konnte die kleine Stoffklasse der bisher bekannten Photobasen durch die Verbindung (DMA)2F-OH erweitert werden. Genauer betrachtet handelt es sich dabei um eine photoinduzierte Hydroxidfreisetzung, wodurch je nach eingesetzter Konzentration ein pH-Sprung von bis zu drei Einheiten erreicht werden konnte. Dabei stellt sich die Lebensdauer des pH-Sprungs als ein entscheidender Parameter für Photobasen dar, welcher sich für die hier untersuchte Verbindung aufgrund der besonderen Stabilität des entsprechenden Kations, im Vergleich zu einigen der bereits bekannten Verbindungen, als besonders langlebig herausgestellt hat. Ein weiterer Vorteil des Einsatzes von (DMA)2F-OH als Photobase ist die Möglichkeit den pH-Sprung durch zwei verschiedene Wellenlängen sowohl zeitlich als auch örtlich zu kontrollieren, indem die Verbindung zwischen den zwei Spezies (DMA)2F-OH und (DMA)2F + geschaltet werden kann.
Im Hinblick auf die Anwendungen von PPGs zur verbesserten zeitlichen und örtlichen Kontrolle biologischer Zielsysteme ist im Rahmen dieser Arbeit das Prinzip vom wellenlängenselektiven Uncaging zweier PPGs an einem Molekül (two-PPG-one-molecule, TPOM) etabliert worden. Das Zielmolekül war hier das Antibiotikum Puromycin, welches durch seine Fähigkeit an das Ribosom zu binden, die Proteinbiosynthese inhibieren kann. Dabei wurden zwei verschiedene PPGs gefunden, die sowohl aufeinander als auch auf das Biomolekül selbst abgestimmt sind. Im Ausgangszustand sind beide PPGs am Puromycin angebracht, wodurch es in seiner biologischen Wirkung inaktiv ist. Befindet sich das doppelt geschützte Puromycin in der ROI, so kann es durch die Bestrahlung mit einer bestimmten Wellenlänge infolge des ersten Uncaging-Schritts aktiviert werden. Da biologische Systeme nicht statisch sind, können aktivierte Moleküle stets von der gewünschten ROI nach außen gelangen, wodurch der Anspruch der räumlichen Kontrolle nicht erfüllt wird. In diesem Fall kann durch die TPOM-Umsetzung die zweite Bestrahlungswellenlänge auf den entsprechenden Bereich angewendet werden, wodurch das Uncaging der zweiten PPG initiiert und folglich das Puromycin deaktiviert wird. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Deaktivierungswellenlänge auch in der Lage ist beide PPGs zu entfernen, wodurch eine vollständige Inaktivierung des Puromycins außerhalb der ROI garantiert werden kann.
Ist die Proteinbiosynthese längerfristig blockiert, führt das schließlich zum Zelltod. Ein großes Anwendungsgebiet dieses Antibiotikums sind die Neurowissenschaften. Aufgrund der Tatsache, dass Puromycin keine Unterscheidung zwischen eukaryotischen und prokaryotischen Zellen macht, findet es keine Anwendung in der Medizin. Eine zeitliche und örtliche Kontrolle seiner Wirkung könnte den Anwendungsbereich dieses Antibiotikums evtl. ausweiten. Das wohl naheliegendste wäre der Einsatz bei Tumorzellen, deren Behandlung durch Zytostatika auf den gesamten Körper wirken und dadurch viele schwere Nebenwirkungen verursachen.
Wie bereits weiter oben beschrieben muss für jedes Biomolekül und das entsprechende Wirkzentrum die Auswahl des passenden PPG-Paares einzeln abgestimmt werden. Dennoch lässt sich anhand des hier etablierten Systems ein Konzept für die erfolgreiche Umsetzung zukünftiger TPOM-Systeme an anderen biomolekularen Wirkstoffen zusammenfassend formulieren.
* Der erste Schritt sollte die Betrachtung des Wirkzentrums des zu modifizierenden Biomoleküls sein: Welche funktionelle Gruppe bzw. Gruppen sind entscheidend für die Bindetasche oder –stelle? Dieser Bereich des Biomoleküls soll im Zuge des Uncagings entweder blockiert oder abgespalten werden. In der unmittelbaren Nähe muss die PPG1 angebracht werden.
* Bei der Wahl von PPG1 ist das wichtigste Kriterium, dass das Biomolekül mit enthaltener Schutzgruppe in seiner Wirkung unbeeinträchtigt bleibt. Dies schränkt die Auswahl beträchtlich ein. Eine mögliche Umsetzung wäre die Anbringung einer Nitro-Gruppe falls vorhanden an einen Benzolring, welcher sich im Fall eines großen Biomoleküls in der Nähe der wichtigen funktionellen Stelle befindet.
* Die zweite PPG (PPG2), deren photoinduzierte Abspaltung zur Aktivierung des Wirkstoffs führen soll, kann strukturell frei gewählt werden. Das Auswahlkriterium hierbei ist das Absorptionsspektrum. Hierbei sollte das Absorptionsmaximum rotverschoben zur PPG1 sein, um eine unerwünschte Abspaltung zu vermeiden. Außerdem darf keine signifikante Absorption von PPG2 bei der Uncaging-Wellenlänge von PPG1 vorhanden sein.
* Beide PPGs sollten eine ähnliche Uncaging-Quantenausbeute vorweisen, um im Deaktivierungsschritt der doppelt geschützten Verbindung durch das höher energetische Licht keine Bevorzugung einer einzelnen Schutzgruppe zu riskieren.
Anhand der erarbeiteten Herangehensweise können weitere Wirkstoffe oder Biomoleküle hin zu einer An- / Aus-Funktionalität modifiziert werden. Mit der Umsetzung des TPOM-Konzepts kann eine Verbesserung der örtlichen und zeitlichen Kontrolle der Aktivität eines Antibiotikums erreicht werden. Für die Anwendung in biologischer Umgebung ist diese präzische Kontrolle essentiell, um unerwünschte Nebenwirkungen angesundem Gewebe zu verhindern.
Trotz der Verfügbarkeit von siRNA, dem aktuellen Goldstandard zur Generierung von RNAInterferenz-vermitteltem Gen-silencing, stellen unerwünschte Immunantworten des Organismus auf doppelsträngige RNA exogenen Ursprungs noch immer ein fundamentales Problem dar, besonders mit Hinblick auf die Entwicklung Oligonukleotid-basierter Wirkstoffe.
Durch das begrenzte Repertoire an Modifikationen, welches durch die Abhängigkeit von zelleigenen Faktoren unter anderem zur Steigerung der intrazellulären Stabilität und zur Reduktion unerwünschter Effekte zur Verfügung steht, konnte bis dato nur einer überschaubaren Anzahl entsprechender Oligonukleotide eine offizielle Zulassung für die therapeutische Anwendung in der Medizin erteilt werden.
Hier bergen künstliche Ribonukleasen, welche die Umesterungsreaktion unabhängig von der zellinternen Maschinerie ebenfalls effizient und sequenzspezifisch bewerkstelligen können, großes Potential als eine Alternative. Während Metall-basierte Systeme in der Regel auf unphysiologisch hohe Konzentrationen zweiwertiger Übergangsmetallionen, wie beispielsweise Lanthanoide oder auch Kupfer, angewiesen sind, könnten metallfreie Katalysatoren dahingehend eine wesentlich flexiblere Option darstellen. Die Optimierung Guanidin-basierter RNA-Spalter für den Einsatz in der Bioanalytik und Medizin stellt seit geraumer Zeit eines der obersten Ziele unseres Arbeitskreises dar. Unter diesen bewährte sich vor allem das Tris(2-aminobenzimidazol), welches in Form von Konjugaten mit Antisense-Oligonukleotiden kurze Modellsubstrate sequenzspezifisch spaltet.
Neben der äußerst mühseligen, vielstufigen Synthese eines konjugierbaren Tris(2-aminobenzimidazol)s waren die untersuchten Systeme mit Halbwertszeiten von teilweise über 20 Stunden jedoch viel zu langsam, um auch potentiell beobachtbare Veränderung des Phänotyps in vivo induzieren zu können. Ein weiterer begrenzender Faktor stellte die Konjugationstrategie des Spalters über Aktivester-Chemie und Aminolinker dar, welche eine Kupplungsausbeute von 0 % bis im besten Fall ca. 30 % lieferte. Um eine Methode zu erhalten, welche routinemäßig zur sequenzspezifischen Spaltung einer Vielzahl verschiedener RNA-Substrate genutzt werden kann, war folglich eine praktikablere Synthesestrategie zur Darstellung der Spalterkonjugate einerseits und zudem eine Erhöhung der Katalysatoraktivität andererseits notwendig, um auch kurzlebige Ziel-RNAs wirkungsvoll ausschalten zu können. In diesem Zusammenhang wurde eine neue Syntheseroute erarbeitet, welche den für die Konjugation funktionalisierten Spalter über wenige Stufen in Mengen von über 10 g lieferte. Daran anschließend konnte die Synthese eines Phosphoramidits realisiert werden, welches in einer manuellen Kupplungsprozedur die Darstellung von 5‘-Konjugaten des Tris(2-aminobenzimidazol)s in exzellenten Ausbeuten und, im Vergleich zur vorherigen Methode, wesentlich kürzeren Kupplungszeiten ermöglichte. Die vollständige Kompatibilität des Phosphoramidits mit der automatisierten Festphasensynthese konnte im Rahmen dieser Arbeit jedoch nicht erreicht werden. Während die manuelle Prozedur Konjugationsausbeuten von über 90 % lieferte, wurden an einem handelsüblichen Oligonukleotid-Synthesizer auch nach Modifikation der Kupplungsprotokolle und bei erhöhtem Amiditverbrauch lediglich 65 %erzielt. Durch Inkorporation von LNA-Nukleotiden in zwei gegen die PIM1-mRNA gerichtete 15mer DNA-Konjugate ließ sich eine Reduktion der Halbwertszeit von Cy5-markierten 22mer Modellsubstrate auf unter 4 h erreichen, wobei dieses Resultat auch anhand eines 412mer Modellsubstrats und in Gegenwart hoher Phosphatkonzentrationen reproduziert werden konnte. Darüber hinaus wurde die besondere Rolle des closing base pairs, sowohl bezüglich der Selektivität als auch der Kinetik der Spaltung, offensichtlich. Während stärker hybridisierende GC-Basenpaare generell eine hohe Präzision gewährleisteten, trat im Falle von AT-Basenpaaren fraying auf, d. h. es konnte auch innerhalb des vermeintlichen Duplex Spaltung beobachtet werden. Genauere Studien zur Positionierung von LNA-Nukleotiden ergaben bei unmittelbarer Lokalisation am 5‘-Terminus von AT-closing base pairs zwar einen selektivitätssteigernden Effekt, überraschenderweise konnte in diesem Fall jedoch auch eine Inhibierung der Spaltungskinetik festgestellt werden. Durch Verschiebung in die vorletzte Position konnte die Aktivität des Konjugats ohne Präzisionsverlust jedoch wiederhergestellt werden. Erste Experimente zur intrazellulären Stabilität der Spalterkonjugate ergaben quantitative, stufenweise Zersetzung, sowohl des DNA- als auch der Mixmer-Konjugate nach wenigen Stunden, was die Notwendigkeit weiterer stabilitätssteigernder Modifikationen zur Vorbereitung auf in vivo-Experimente impliziert. Auf der Suche nach neuen Spaltern stellte sich vor allem das 2-Aminoimidazol als einer der aussichtsreichsten Kandidaten für genauere Untersuchungen heraus. Das korrespondierende Tris(2-aminoimidazol) konnte über eine Marckwald-Synthese in wenigen Stufen dargestellt werden. Erste Spaltexperimente ergaben vor allem in niedrigen Konzentrationen (10 μM) eine im Vergleich zum Benzimidazol-Analogon vielfach höhere Aktivität. Obwohl die Synthese eines funktionalisierten Bisimidazol-benzimidazols gelang, steht dessen Konjugation mit Oligonukleotiden und deren Aktivitätsbestimmung noch aus.
RNA ist vor allem als Vermittler von Erbinformationen bekannt. Doch neben der Translation in Proteine ist sie auch maßgeblich an regulatorischen Prozessen in der Zelle beteiligt. So kommen in vielen Organismen Argonautenproteine vor, die zusammen mit microRNA einen Komplex bilden, der in der Lage ist, mRNA zu spalten oder auf andere Weise deren Translation zu unterdrücken. Da die Deregulierung von microRNA bei verschiedenen Krankheiten wie Krebs, Parkinson oder Alzheimer auftritt, wurden in dieser Arbeit Alkylanzien entwickelt, die zur besseren Inhibierung von microRNA beitragen sollen.
Als Alkylierungsmittel wurden ortho-Chinonmethide verwendet, die zunächst in geschützter Form synthetisiert wurden und nach Aktivierung mit einer Nukleobase reagieren können. Für die Erkennung der miRNA-Sequenz wurden diese zu einem Konjugat mit Peptid-Nukleinsäuren (PNAs) verbunden. Es wurden zwei Arten von Chinonmethid-Präkursoren hergestellt: Mit o Nitrobenzyl photolabil geschützte, die sich mit Licht der Wellenlänge 365 nm aktivieren lassen, und über ein Disulfid geschützte, die mithilfe eines Reduktionsmittels aktiviert werden. Die photolabil geschützten Derivate lassen sich damit gezielt örtlich und zeitlich aktivieren. Vom reduktiv aktivierbaren Präkursor wurden drei Derivate mit sterisch unterschiedlichen Resten am Disulfid (Benzyl-, Isopropyl- oder tert-Butyl-Rest) hergestellt, die einen Einfluss auf die Kinetik der Entschützung haben. Diese Derivate können nach Eintritt in eine Zelle durch die dort vorherrschende hohe Glutathion-Konzentration aktiviert werden, während sie extrazellulär unreaktiv sind.
Zunächst wurde die Kinetik eines photolabil geschützten Konjugats ohne RNA untersucht. Hier kommt es nach Bestrahlung zur Selbstalkylierung, bei der die Nukleobasen der PNA angegriffen werden. Bei 37 °C erfolgte dies mit einer Halbwertszeit von 0.43 h unter Annahme einer Reaktion 1. Ordnung. Die Kinetik der Alkylierung der komplementären RNA ließ sich durch zwei parallel ablaufende Reaktionen 1. Ordnung abbilden. Die Schnelle hatte eine Halbwertszeit von 0.42 h und die Langsame 11 h mit einer Ausbeute von 73 % nach 168 h. Bei Bestrahlung des Konjugats und erst anschließender Zugabe der RNA wurde ebenfalls eine Halbwertszeit von 11 h bei einer einzelnen Reaktionen 1. Ordnung erhalten. Dies lässt sich mit der Reversibilität mancher Reaktionsprodukte erklären. Die schnelle Reaktion entspricht der direkten Reaktion des Chinonmethids mit der RNA, die langsame entsteht durch Umlagerung von reversiblen Addukten.
Die Analyse der RNA-Alkylierung erfolgte mithilfe von denaturierender Polyacrylamid-Gelelektrophorese, bei der in Abhängigkeit der Gel-Temperatur scheinbar unterschiedliche Kinetiken gemessen wurden. Dies ist ebenfalls eine Folge der Reversibilität. Bei 57 °C kann ein Teil der Bindungen zwischen RNA und den Konjugaten brechen und es wird am Anfang der Reaktion eine geringere Ausbeute gemessen als bei 25 °C Geltemperatur. Die Ausbeute nach 168 h änderte sich jedoch nicht, da im Verlauf der Reaktion die reversiblen Addukte in irreversible umgewandelt werden.
Mit miRNA-20a als Ziel wurden mit einem 10mer Konjugat zunächst nur 13 % Ausbeute nach 72 h und mit einem 15mer Konjugat 41 % nach 75 h erreicht. Durch internen Einbau des Chinonmethid-Präkursors in die PNA, sodass es einem Adenosin der RNA gegenübersteht, konnte die Ausbeute auf 75 % nach 72 h gesteigert werden, da Adenosin bevorzugt alkyliert wird.
Bei den reduktiv aktivierbaren Chinonmethid-Präkursoren waren alle synthetisierten Konjugate in Puffer ohne Glutathion (GSH) stabil. Die Reihenfolge der Reaktionsgeschwindigkeit der Disulfidspaltung war bei 0.5 mM und 10 mM GSH: Benzyl > Isopropyl > tert-Butyl. Die Halbwertszeit bei 10 mM GSH betrug weniger als 5 min (Benzyl-Konjugat) bis 2 h (t Butyl Konjugat). Jedoch bildeten sich mit allen Konjugaten bei 10 mM GSH auch Addukte mit GSH.
Die Reaktivitätsreihenfolge blieb bei der Alkylierung von RNA erhalten. Allein das Benzyl-Konjugat erreichte bei einer GSH-Konzentration von 0.5 mM schon die gleiche Reaktionsgeschwindigkeit wie das photolabil geschützte Chinonmethid. Bei 10 mM GSH erreichten die Derivate zwar nach wenigen Stunden ihre maximale Ausbeute, diese betrug jedoch nur 23 % (tert-Butyl-Konjugat) bis 43 % (Benzyl-Konjugat), da die Chinonmethide auch durch GSH als Nukleophil abgefangen werden.
Mit einem Konjugat, das ein photolabiles Chinonmethid sowie Biotin trägt, wurde ein Fluoreszenzpulldown mit Cy5-markierter RNA durchgeführt. Hier zeigte die bestrahlte Probe eine deutlich höhere Fluoreszenz (6.8x), als eine unbestrahlte Vergleichsprobe. Bei einem Pulldown-Versuch mit miRNA-20a bzw. mit RISCs aus HeLa-Zelllysat konnte das Argonautenprotein jedoch nicht eindeutig mittels Westernblot nachgewiesen werden.
Anhand des reduktiv aktivierbaren Benzyl-Konjugats konnte gezeigt werden, dass sich das Konjugat in Zelllysat zersetzt und nur ein Teil zu Addukten mit Nukleobasen reagiert. Die Ursache wurde in der hydrolyselabilen Abgangsgruppe gesehen, sodass weitere photolabil geschützte Derivate mit Dimethylamino-, Trimethylammonium-, Pivaloylester- und Benzoylestergruppe synthetisiert wurden. Von diesen war nur das Benzoylester-Konjugat in der Lage, RNA mit 72 % Ausbeute nach 48 Stunden zu alkylieren. Zudem war es für mindestens 1 h in Zelllysat stabil.
Photolabile Schutzgruppen haben sich im Laufe der letzten Jahre als wertvolle Werkzeuge für die Untersuchung und Regulation biologischer Prozesse etabliert. Dabei wird die photolabile Schutzgruppe auf geeignete Weise mit Biomolekülen verknüpft, sodass deren Funktion temporär deaktiviert wird. Durch Bestrahlen mit Licht geeigneter Wellenlängen wird die photolabile Schutzgruppe entfernt und die Aktivität des Biomoleküls bzw. des zu beobachtenden Prozesses wiederhergestellt. Die Grundlagen der Verwendung photolabiler Schutzgruppen im biologischen Kontext wurden in zwei Pionierarbeiten 1977 von J.W. ENGELS und 1978 von J.F. HOFFMAN gelegt. Davon ausgehend haben sich zahlreiche Anwendungen photolabiler Schutzgruppen für biologisch interessante Molekülklassen entwickelt. Auf dem speziellen Gebiet der Nukleinsäuren wurden in den letzten Jahren einige fundamentale Mechanismen entdeckt und aufgeklärt, die nicht zuletzt auch therapeutisch interessante Anwendungsmöglichkeiten für photolabile Schutzgruppen bieten. Hierbei stellt das An-/Aus-Schaltverhalten von Nukleinsäuren jedoch ein nicht-triviales Problem dar. Selbst der gezielte Einbau einer einzelnen photolabilen Schutzgruppe in ein multifunktionales Oligonukleotid führt in der Regel nämlich nicht zu einer vollständigen Deaktivierung dessen. Ein multipler Einbau photolabiler Schutzgruppen entlang der Sequenz eines funktionellen Oligonukleotids schaltet die Hintergrundaktivität im deaktivierten Zustand zwar vollständig aus, allerdings müssen in diesem Fall hohe Bestrahlungsintensitäten bzw. –dauern für das Entfernen aller photolabilen Modifikationen angewendet werden. Dadurch geht zum einen die Zeitauflösung der lichtgeschalteten Prozesse verloren, nicht zuletzt erhöht sich dabei aber auch das Risiko von lichtinduzierten Schäden am biologischen System. Das Kernthema der vorliegenden Dissertation war es daher, neue Architekturen für den Aufbau photoaktivierbarer Oligonukleotide zu entwickeln.
Das erste große Projekt basierte auf der Annahme, dass sich Duplexstrukturen, die für die Funktion vieler Nukleinsäuremechanismen fundamental sind, durch Zyklisierung von Oligonukleotiden global destabilisieren und damit effizienter photoaktivieren lassen, als durch lokalen Einbau einzelner photolabiler Schutzgruppen in Oligonukleotide. Hierzu wurden geeignete Alkin-Modifikationen an photolabile Nitrobenzyl- und Cumarin-Schutzgruppen angebracht und diese an die Nukleobasen verschiedener DNA-Bausteine geknüpft. Es ist daraufhin gelungen, Oligonukleotide mit je zwei photolabilen Alkin-Modifikationen herzustellen und diese intrasequentiell über eine Cu(I)-katalysierte Click-Reaktion mit einem Bisazid-Linker zu zyklisieren. Die so erhaltenen Oligonukleotide wiesen dramatisch erniedrigte Schmelzpunkte gegenüber den nativen Duplexen, sowie gegenüber den zweifach photolabil geschützten Oligonukleotiden auf. Dabei wurde außerdem festgestellt, dass Zyklisierungsparameter wie die Linkerlänge, -polarität und –flexibilität und die Wahl der photolabilen Schutzgruppe keinen signifikanten Einfluss auf die Duplexstabilität hat. Über einen Bereich von Ringgrößen zwischen ca. 11-21 Nukleotiden wurden die niedrigsten Duplexstabilitäten beobachtet. Sehr kleine, sowie große Ringe ab 30 Nukleotiden wiesen dagegen höhere Stabilität auf.
Da mit dem entwickelten Zyklisierungskonzept auch mehrere Ringstrukturen innerhalb einer Oligonukleotidsequenz aufgebaut werden können, wurde im nächsten Schritt eine photoaktivierbare Variante des C10-Aptamers hergestellt, welches selektiv gegen Burkitt’s Lymphomzellen bindet. Dieses 90-mer DNA-Oligonukleotid wurde an drei Stellen photolabil Alkin-modifiziert und infolge mit einem Trisazid-Linker zu einer bizyklisierten Struktur verknotet. Mit Hilfe von Fluoreszenzmikroskopie-Experimenten konnte demonstriert werden, dass das durch eine solche „Photo-Klammer“ deaktivierte C10-Aptamer keine Bindungsaffinität gegenüber Burkitt’s Lymphomzellen aufweist, die Bindungsaktivität jedoch nach Belichten wiederhergestellt werden kann. Mit Atomkraftmikroskopie-Experimenten ist es darüber hinaus gelungen, die Photoaktivierung des verknäuelten C10-Aptamers mit molekularer Auflösung abzubilden. Mit diesem Ergebnis können nun lange funktionelle Oligonukleotide auf definierte Weise photoaktivierbar gestaltet werden, insbesondere auch dann, wenn keine (Informationen über) funktionelle Sekundärstrukturen existieren.
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Die Verfügbarkeit synthetischer Oligonukleotide hat der Entwicklung einer Vielzahl molekularbiologischer, biochemischer und medizinischer Anwendungen den Weg geebnet. Und sind viele diese Anwendungen für sich genommen schon hochinteressant, so eröffnet die Kombination mehrerer Methoden oft noch ganz neue Möglichkeiten. In der vorliegenden Doktorarbeit ist es gelungen, die Technik der photolabilen Schützung auf die Anwendungen von siRNAs und molecular beacons zu übertragen und diesen damit die Option der orts- und zeitaufgelösten Aktivierung zu ermöglichen. Durch die Einführung eines Nukleotids mit 2-(2-nitrophenyl)propyl-geschützter Nukleobase in eine siRNA, konnte der katalytische Schritt der RNA-Interferenz, die mRNA-Spaltung, unterbunden werden. Hierzu wurde das photolabil modifizierte Nukleotid so in der siRNA positioniert, dass es gegenüber der mRNA-Schnittstelle bzw. in unmittelbarerer Nachbarschaft zu dieser lag. Dabei war das modifizierte Nukleotid selbst kein Ribonukleotid sondern ein Desoxynukleotid. Zuvor konnte gezeigt werden, dass die Einführung einzelner Desoxynukleotide in eine siRNA keinerlei Einfluss auf deren Aktivität hat. Als Modellsystem diente der RFP/eGFP-Reportergenassay, wobei die Plasmide mit der siRNA in die verwendeten HeLa-Zellen kotransfiziert wurden. Die verwendete siRNA regulierte dabei die eGFP-mRNA, die gemessene Fluoreszenz wurde auf die RFP-Fluoreszenz normiert. In der Studie gelang es, ein sauberes „An/Aus-Verhalten“ zu erzielen, das heißt, die modifizierte siRNA zeigte zunächst keinerlei Einfluss auf die eGFP-mRNA. Bestrahlte man diese siRNA jedoch für drei Minuten bei 366 nm, erzielte man eine Unterdrückung der eGFP-Expression, die der einer unmodifizierten siRNA entsprach. Dies funktionierte für vor der Transfektion bestrahlte siRNAs ebenso, wie für solche, die erst nach der Transfektion in der Zelle entschützt wurden. Vereinfachte Darstellung der lichtaktivierbaren RNA Interferenz. Links: solange die Photoschutzgruppe (rot) auf dem Führungsstrang sitzt wird das Substrat des RISC nicht geschnitten. Rechts: Bestrahlung mit UV-Licht entfernt die Photoschutzgruppe und aktiviert die RNAi-Maschinerie. Ein bis jetzt ungeklärtes und noch näher zu untersuchendes Phänomen ist die Stabilität der Modifikationen in der Zelle. Aus bisher nicht eindeutig zu benennender Ursache fand nach einer definierten Zeit eine Aktivierung der ausgeschalteten siRNA statt, ohne dass diese bestrahlt wurde. Versuche mit photolabil modifizierten Nukleotiden an anderen Positionen innerhalb der siRNA, sowie eine Fluoreszenz-Korrelationsspektroskopie-Studie mit fluoreszenzmarkierter siRNA und fluoreszenzmarkiertem RISC erlaubten es Rückschlüsse auf den Schritt der RNAi zu ziehen, der durch die Einführung der Basenmodifikation blockiert wird. Offenbar handelt es sich tatsächlich um den katalytischen Schritt der mRNA-Spaltung, ein Einbau der modifizierten siRNA in den RISC findet statt. Zudem zeigte die erfolgreiche Inaktivierung der für die FCS-Studie genutzten anti-TK siRNA, dass der Ansatz, die Modifikation im Bereich der Schnittstelle einzubauen, von der anti-eGFP siRNA auf andere siRNAs übertragbar ist. Im zweiten erfolgreichen Projekt gelang es, molecular beacons durch Einführung zahlreicher photolabiler Basenmodifikationen lichtaktivierbar zu machen. Hierzu wurde ein bereits beschriebener GAPDH-molecular beacon verwendet. Modifiziert man die Schleife dieses molecular beacon mit sieben photolabilen Basenschutzgruppen (NPP und NPE) so gelingt es die Bindung desselben an seine komplementäre Ziel-RNA komplett zu unterbinden, während ein GAPDH-beacon mit drei oder fünf Modifikationen noch in verringertem Maße bindungsfähig ist. Dieses Verhalten wurde sowohl mittels einfachen Auslesens der Fluoreszenzintensität, als auch anhand eines PA-Geles belegt. Eine große Herausforderung bei diesem Projekt stellte die Aufreinigung des hochmodifizierten molecular beacon dar, der neben Fluorophor und Quencher auch zahlreiche Photoschutzgruppen trägt. Diese gelang schließlich durch den Einsatz einer extra densely bond-RP-HPLC-Säule und wiederholter HPL-Chromatographie. Ebenfalls konnte der große Vorteil eines lichtaktivierbaren molecular beacon, die Möglichkeit der präzisen Ortsauflösung der Aktivierung, dargestellt werden. Hierzu wurde modellhaft die Ziel-RNA auf einer Objektträgeroberfläche immobilisiert. Die dann aufgetragene molecular beacon-Lösung zeigte zunächst keine Fluoreszenz. Diese trat erst nach Bestrahlung und auch nur begrenzt auf den wenige Quadratmikrometer großen Bestrahlungsbereich auf.
Die Idee photolabile Schutzgruppen zur temporären Inaktivierung von Biomolekülen zu verwenden, um deren Funktion dann in einem biologischen System präzise orts- und zeitaufgelöst wieder zu aktivieren und so biologische Prozesse genau steuern zu können, wurde erstmals Ende der 1970er Jahre von J. W. Engels und von J. F. Hoffman verfolgt. Seit diesen ersten Arbeiten im Bereich des „Cagings“ wurde in den vergangenen Jahrzehnten eine Vielzahl von Arbeiten auf diesem Gebiet veröffentlicht und mit nahezu alle wichtigen Klassen von Biomolekülen wurden Caging-Experimente durchgeführt. Das Caging von Nukleinsäuren ist noch ein recht neues Feld. Es gab aber aufgrund der Beteiligung von Nukleinsäuren an vielen zentralen zellulären Prozessen im letzten Jahrzehnt ein enorm gesteigertes Interesse an lichtinduzierbaren Nukleinsäuren, vornehmlich zur lichtgesteuertem Genregulation. Der Arbeitskreis von Prof. Heckel befasst sich unter anderem mit dem Caging von Nukleinsäuren, wobei die zentrale Strategie im Anbringen der photolabilen Schutzgruppen an den Nukleobasen besteht. Dies hat den Hintergrund, dass auf diese Art und Weise die Wechselwirkung mit anderen Strängen durch Störung der Watson-Crick-Basenpaarung verhindert werden kann. Die Watson-Crick-Basenpaarung ist das zentrale Element für die Funktionalität nahezu aller Nukleinsäure-vermittelter Prozesse. In den vergangenen Jahren konnte mit dieser Strategie unter anderem erfolgreich die Aktivität von siRNAs und Aptameren mit Licht kontrolliert werden. Alle vier Projekte, welche in dieser Arbeit verfolgt wurden, befassten sich mit dem Caging von Nukleinsäuren. ...
This thesis deals with the NMR characterization of the structure and the folding dynamics of DNA G quadruplexes as potential therapeutic target in cancer therapy and building block for DNA based nanotechnology.
The first part of this thesis (Chapters 1-5) introduces the reader to the world of G quadruplexes.
The main features of the classic Watson Crick double helix and alternative non B DNA structures are illustrated in Chapter 1. Many different base pairing schemes are possible, besides the canonical Watson Crick motif, thereby expanding the structural complexity of DNA. Non canonical base pairing, such as Hoogsteen hydrogen bonding, enables the assembly of triplets and quartets, which are the building blocks of triplex and quadruplex structures, respectively.
The structural characteristics of DNA G quadruplexes are delineated in detail in Chapter 2.
G quadruplex structures are extremely polymorphic, in terms of strands orientation, loops geometry, grooves width and arrangement of the glycosidic torsion angles. The various structural elements as well as the different cation coordination geometries are here presented, with a special emphasis on the diversity of conformations reported for the telomeric DNA G quadruplexes.
Chapter 3 describes the biological roles of G quadruplex structures in the genome. After introducing the architecture of the telomeric DNA and its interacting proteins, the mechanism of the telomeres elongation catalysed by the telomerase enzyme and its implications for cancer are discussed. The occurrence of G quadruplex structures in functional regions of the genome, such as promoter regions of oncogenes, and their possible roles in regulating the gene transcription are then outlined in the second part of the chapter.
The potential of G quadruplex as a novel anti cancer target is examined in Chapter 4 and the proposed anti cancer mechanisms for a ligand stabilizing G quadruplex structures are discussed.
RNA G quadruplexes and their putative role in gene regulation at the level of translation are briefly illustrated at the end of the chapter.
A general overview on the NMR methods to investigate the G quadruplex structures is presented in Chapter 5. The experimental set up used for the real time NMR studies of the G quadruplex folding is also described.
The second part of the thesis (Chapters 6-8), which is the cumulative part, comprises the original publications grouped in three Chapters according to the topic.
The state of the art on small molecules targeting G quadruplex structures is given at the beginning of Chapter 6, including a summary of the experimental structures of G quadruplexes in complex with ligands available up to date. The publications presented in Chapters 6.1-6.3 are concerned with the elucidation of the interaction modes between DNA G quadruplexes and selected ligands with potential therapeutic applications.
The binding ability of two natural alkaloids (berberine and sanguinarine) to telomeric G quadruplexes is examined in Chapter 6.1. The ability of carbazole and diguanosine derivatives (synthetized in the group of Prof. Dash, IISER, Kolkata) to interact with c-MYC G quadruplex and down regulate c-MYC expression is explored in Chapter 6.2 and Chapter 6.3, respectively.
The energy landscape of human telomeric G quadruplex structures is discussed in Chapter 7, in light of the experimental kinetic studies as well as molecular dynamics simulations reported in literature until now. Up to date there is no general consensus regarding the folding pathway of unimolecular human telomeric G quadruplex, in particular due to the lack of atomic resolution data on the species involved in the folding. Chapter 7.1 presents the first real time NMR study of the human telomeric G quadruplex folding kinetics.
The final chapter of this thesis (Chapter 8) outlines the potential of G-quadruplex structures as building blocks in nanotechnology. After illustrating briefly the additional possibilities offered by alternative non B DNA structures to programme nanomaterials, a number of applications employing G quadruplex structures in different fields of nanotechnology are described. The article presented in Chapter 8.1 investigates the structural and photoswitching properties of a novel intermolecular azobenzene containing G quadruplex synthetized in the group of Prof. Heckel (Goethe University, Frankfurt).
Innerhalb der letzten 30 Jahre haben sich photoaktivierbare Verbindungen („caged compounds“) zu einem äußerst wertvollen Werkzeug entwickelt. Seit der erstmals publizierten Anwendung von lichtaktivierbarem ATP im Jahre 1978 durch Hoffman et al. konnten viele neue Erkenntnisse im Bereich der Physiologie, Molekularbiologie und Biochemie mit Hilfe von photoaktivierbaren Verbindungen gewonnen werden. Hierunter versteht man Substanzen, deren biologische Wirksamkeit temporär inaktiviert ist, jedoch durch Bestrahlung mit Licht wiederhergestellt werden kann. Die Inaktivierung wird durch spezielle, lichtreaktive Chromophore erreicht, sogenannten photolabilen Schutzgruppen („cages“). Der Einsatz dieser Technik zur Aktivierung von Nukleinsäuren eröffnet ein weites Feld an Anwendungsmöglichkeiten. So ist auf diese Weise eine orts- und zeitaufgelöste Kontrolle der Aktivität von z.B. Antisense-DNA, siRNA oder Aptameren durch Licht möglich. Während der vorliegenden Doktorarbeit konnten zwei neuartige photolabil geschützte Desoxythymidine als Phosphoramidite zum Einsatz in der automatisierten DNA-Synthese dargestellt werden. Hierfür wurden jeweils NDBF-OH bzw. pHP-OH in O4-Position der Nukleobase eingeführt. Es konnte gezeigt werden, dass sich die beiden Nukleoside nach ihrem Einbau in DNA mittels UV-Licht entschützen lassen. Die photolabilen Schutzgruppen besaßen jedoch nur eine geringe chemische Stabilität unter verschiedenen basischen Abspaltbedingungen und sind deshalb nicht für die automatisierte DNA-Festphasensynthese unter Standardbedingungen geeignet. Durch Homologisierung der NDBF-Gruppe mit einer zusätzlichen Methyleneinheit zu hNDBF-OH wurde eine verbesserte Variante synthetisiert, welche eine ausreichende Basenstabilität und hervorragende photochemische Eigenschaften aufweist. Wie im Arbeitskreis Heckel gezeigt werden konnte, ist mittels in O6-Position hNDBF-modifiziertem Desoxyguanosin sowohl die DNA-Festphasensynthese unter Standardbedingungen möglich, als auch die spätere Photolyse dieser Schutzgruppe bei einer Wellenlänge von 420 nm. Hierdurch eröffnet sich zum ersten Mal die Möglichkeit, bei Verwendung von beispielsweise NPP und hNDBF, photolabil geschützte Bereiche in Nukleinsäuren wellenlängenselektiv durch Licht unterschiedlicher Wellenlänge zu aktivieren. In einem weiteren Projekt wurden erfolgreich photoaktivierbare Varianten des bivalenten Fusionsaptamers HD1-22 getestet. HD1-22 besitzt zwei Aptamerdomänen, HD1 und HD22, welche jeweils an eine der beiden Exosites I bzw. II von Thrombin binden. Im konkreten Fall konnten wir die Blutgerinnungsaktivität von Thrombin unter Verwendung einer photolabil geschützten Aptamersequenz von vollständig aktiv zu komplett inaktiv modulieren: Vor der UV-Bestrahlung war lediglich die Exosite II durch die HD22-Domäne blockiert. Dies erlaubte keinerlei Bindung des natürlichen Antikoagulans Antithrombin III an Thrombin – weder durch Heparin vermittelt noch ohne Beteiligung von Heparin. Der Zugang zur Exosite I war hingegen nicht eingeschränkt, die Blutgerinnungsaktivität des Thrombins somit durch die Rekrutierung von Fibrinogen an die Exosite I vollständig aktiv und nicht durch Antithrombin inhibierbar. Durch lichtvermittelte Entschützung der HD1-Domäne konnte nun eine Inaktivierung der Exosite I erfolgen, welche durch die hohe Bindungsaffinität der HD22-Aptamerdomäne stärker ausfiel als bei der ausschließlichen Verwendung eines HD1 Aptamers. Die koagulative Wirkung des Thrombins wurde somit vollständig aufgehoben. Im dritten Teil dieser Arbeit wurde der Grundstein für die Entwicklung eines kovalenten, lichtaktivierbaren Thrombin-Thrombinaptamer-Reagenzes gelegt. Dieses könnte zur gezielten Thromboembolisierung bei bestimmten malignen Tumorerkrankungen eingesetzt werden, um das entartete Gewebe von der Blut- und damit Nährstoffversorgung abzuschneiden. Zudem könnte so möglicherweise während einer Tumorexzision die Freisetzung von metastasierenden Krebszellen unterbunden werden. Das Reagenz besteht aus der von Heckel et al. publizierten „ausschaltbaren“ Variante des HD1-Aptamers. Diese besitzt einen photolabil geschützten Gegenstrang. Solange die Schutzgruppe intakt ist, bindet das Aptamer an die Exosite I von Thrombin und verhindert auf diese Weise die Rekrutierung von Fibrinogen. Wird die Sequenz jedoch mit UV-Licht bestrahlt, so erfolgt die Entschützung des Gegenstrangs und durch die folgende Basenpaarung eine Inaktivierung des HD1 Aptamers. Hieraus resultiert die Freisetzung von aktivem Thrombin, welches direkt zur Ausbildung eines Thrombus führt. Durch die – ebenfalls photospaltbare – kovalente Anbindung des „ausschaltbaren“ HD1 an die Proteinoberfläche werden eine vorzeitige Dissoziation des Aptamers und damit eine vorzeitige Wiederherstellung der Proteinaktivität verhindert.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurde eine Variante des Anti-Thrombin-Aptamers HD1 entwickelt, die vor Belichten aktiv war und sich durch Belichten deaktivieren ließ. Dazu wurde das Wildtyp-Aptamer am 5'-Ende um eine GAAA-Schleife und eine Gegenstrangregion, bestehend aus vier Nukleotiden, erweitert. Dies reichte für eine vollständige Inaktivierung des Aptamers aus. In die Gegenstrangregion wurde ein photolabil geschütztes Nukleotid eingebaut, das die Bildung einer Haarnadelstruktur vorübergehend verhindert. Dazu wurde ein Desoxycytidin-Derivat synthetisiert, das an seiner N4-Position mit einer 1-(2-Nitrophenyl)ethyl-Gruppe modifiziert war. Durch die Maskierung der Antisense-Region wies das Aptamer vor Belichtung blutgerinnungshemmende Aktivität auf, allerdings in geringerem Maße als das Wildtyp-Aptamer. Durch Belichten wurde die Gegenstrangregion freigesetzt und dadurch die aktive Konformation des Aptamers zerstört, sodass es keine blutgerinnungshemmende Wirkung mehr besaß. In einem daran anknüpfenden Projekt sollte eine mit Licht ausschaltbare HD1-Variante mit verbessertem Schaltverhalten entwickelt werden, deren Aktivität vor dem Belichten mit der des Wildtyp-Aptamers vergleichbar ist. Tests zeigten, dass eine 5'-Erweiterung des Aptamers stets einen Aktivitätsverlust zur Folge hatte. Getestet wurden verschiedene Linker-Sequenzen, D-Spacer (Abasic Sites) und nicht nukleotidische Linker wie Glykollinker oder alkylische Linker. Eine Erweiterung am 3'-Ende brachte dagegen fast immer Aptamervarianten hervor, deren Aktivität die des Wildtypaptamers überstiegen. Um diese verbesserten Aptamervarianten zu deaktivieren, war eine Antisense-Region bestehend aus bis zu neun Nukleotiden nötig. Für eine photolabil geschützte Variante wurde zusätzlich ein Desoxyadenosinderivat mit N6-1-(2-Nitrophenyl)ethylmodifikation synthetisiert. Es zeigte sich, dass eine photolabile Schutzgruppe nicht ausreichte um die Antisense- Region zu neutralisieren. Aptamervarianten mit vier oder fünf photolabilen Schutzgruppen in der Antisenseregion waren vor dem Belichten aktiver als das Wildtyp-Aptamer HD1 und konnten durch Belichten vollständig deaktiviert werden. In einem weiteren Projekt dieser Arbeit wurde eine photolabil geschützte Glukosamin-6- phosphat-Variante synthetisiert, um eine lichtabhängige Spaltung des glmS-Ribozyms aus Bacillus subtilis zu induzieren. Dazu wurde GlcN6P an der Aminofunktion über eine Carbonyllinker mit einer 2-(2-Nitrophenyl) propylgruppe modifiziert. In vitro konnte gezeigt werden, dass mit dieser Verbindung durch Belichten die Spaltung eines glmS-EGFP-mRNA-Konstrukts induziert werden konnte. In HeLa-Zellen wurde untersucht, ob sich dieses System zur Regulation der EGFP-Expression eignet. Da erste Versuche erfolglos blieben, wurde eine lipophile, zellgängige Variante des photolabil geschützten GlcN6Ps synthetisiert. Versuche, in denen dieses Derivat getestet wird, werden zur Zeit von unseren Kooperationspartnern durchgeführt. In einem weiteren Projekt wurden Desoxyguanosinderivate für die DNA-Festphasensynthese synthetisiert, die an ihrer O6-Position mit einer p-Hydroxyphenacylgruppe bzw. mit einer 1-(3-Nitrodibenzofuran-2-yl)ethylgruppe modifiziert wurden. Diese wurden in ein Desoxyoligonukleotid eingebaut und es konnte gezeigt werden, dass die photolabilen Schutzgruppen durch Belichten abgespalten werden. Beide photolabilen Modifikationen waren allerdings unter den basischen DNA-Abspaltbedingungen zu instabil, als dass sie sich für den routinemäßigen Einsatz zur Herstellung lichtaktivierbarer Nukleinsäuren eignen würden. Im letzten Teil der Arbeit wurde eine photolabile Schutzgruppe entwickelt, die über einen zusätzlichen Aminolinker verfügt [2-(4-(Aminomethyl)-2-nitrophenyl)-propanol]. Die Aminofunktionalität war für die Dauer der DNA/RNA-Festphasensynthese mit einer Trifluoracetylgruppe geschützt, die unter den basischen Abspaltbedingungen ebenfalls entfernt wird. Mit dieser photolabilen Schutzgruppe wurden ein Thymidinderivat an der O4-Position und ein Desoxyguanosinderivat an der O6-Position modifiziert. Das Desoxyguanosinderivat wurde erfolgreich in der Oligonukleotidfestphasensynthese eingesetzt. Die photolabile Schutzgruppe konnte durch Belichten vollständig von der synthetisierten Nukleinsäure abgespalten werden. Darüber hinaus gelang es, über die Aminofunktionalität die heterobifunktionalen Crosslinker SMCC und SMPB mit der Nukleinsäure zu verknüpfen. Auf diese Weise ist eine reversible Vernküpfung der Nukleinsäure mit einem nahezu beliebigen Bindungspartner möglich. Durch Belichten kann die Nukleinsäure in ihrer ursprünglichen Form wiederhergestellt werden.
In dieser Arbeit wird sowohl das Potenzial von molekularen Photoschaltern als lichtempfindliche Komponenten für photopharmakologische Anwendungen als auch das von künstlichen RNA-Aptameren als regulatorische Schalteinheiten für die Entwicklung von funktionellen Riboschaltern untersucht. Verschiedene wesentliche Aspekte beider Anwendungs-felder wurden eingehend einzeln untersucht und die beiden Schaltsysteme schließlich durch das Design eines synthetischen RNA-Aptamers kombiniert, dessen Ligandbindung durch licht-induzierte Isomerisierung seines Photoschalterliganden reguliert werden kann.
Molekulare Photoschalter wie Azobenzole und Spiropyrane haben sich als vielversprechende photochemische Werkzeuge erwiesen, um lichtgesteuert reversible und biochemisch nutzbare Effekte erzeugen. Spiropyrane bergen aufgrund der drastischen Veränderungen ihrer molekularen Eigenschaften infolge der Photoisomerisierung zum Merocyanin (MC) ein enormes Anwendungs-potenzial. Von den hier untersuchten wasserlöslichen Pyridin- (Py-) und Nitro-BIPS-Derivaten zeigt insbesondere die Py-BIPS-Verbindung 2 ein außerordentlich vielseitiges Verhalten. Im Vergleich zu anderen Vertretern dieser Photoschalterklasse wird ein deutlich höherer MC-Anteil von etwa 50% thermisch innerhalb von wenigen Minuten akkumuliert. Durch lichtinduzierten Ringschluss zum reinen Spiropyran (SP) und thermische Wiederherstellung des Gleichgewichts, kann diese hohe Schaltamplitude über mehrere Zyklen ohne signifikante Zersetzung beibehalten werden. Der Einsatz von schädlichem UV-Licht kann somit vermieden werden, was zusätzlich sehr vorteilhaft für einen möglichen Einsatz in einem biochemischen Kontext ist.
Verbindung 2 weist zudem mehrere Protonierungsstellen auf, die ihr in Abhängigkeit des pH-Wertes faszinierende photosaure Eigenschaften verleihen. Das einfach protonierte HMC Isomer ermöglicht eine lichtstimulierte reversible Kontrolle des pH-Wertes in einem Bereich von etwa 4,5 bis 7,5, mit möglichen pH-Sprüngen von bis zu 1,5 Einheiten. Durch transiente Absorptionsstudien wurde ein Mechanismus für die Protonenfreisetzung nachgewiesen, der lediglich auf der Veränderung des pKs-Wertes der N-protischen Position infolge des lichtinduzierten Ringschlusses beruht. Im Gegensatz dazu wird das phenolische Proton des doppelt protonierten HMCH Isomers innerhalb von 1-2 Pikosekunden nach Anregung aus dem angeregten Zustand an das Lösemittel übertragen. Durch eingehende Ultrakurzzeitmessungen der Freisetzung des phenolischen Protons, konnten die protonierten Spezies der Py- und Nitro-Merocyanine als Superphotosäuren etabliert werden. Sie können somit als ultraschnelle Auslöser für protonenvermittelte Prozesse eingesetzt werden, die zu den fundamentalsten Reaktionen in der Natur gehören.
Was potenzielle pharmakologische Zielsysteme betrifft, so dürfte RNA eine große Zukunft bevorstehen, da sie einfach zu synthetisieren ist und Zugang zu verschiedenen Ebenen zellulärer Regulationsmechanismen bietet. Insbesondere RNA-Aptamere, die in der Lage sind, niedermolekulare Liganden mit außergewöhnlich hoher Affinität und Spezifität zu binden, sind für die Entwicklung von künstlichen Riboschaltern hoch interessant. Während künstliche Aptamere für beliebige Liganden durch einen in vitro Selektionsprozess generiert werden können, ist nicht zur Gänze geklärt warum nur wenige von ihnen als aktive in vivo Riboschalter funktionieren. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen die Bedeutung der konformationellen Aptamerdynamik während der Ligandenbindung für das Regulationspotential. Die Mg2+-abhängigen Bindungsstudien des hochfunktionellen Tetrazyklin (TC) -Aptamers zeigen, dass zweiwertige Kationen nicht nur für die korrekte Vorfaltung des Aptamers wichtig sind, sondern auch an der Ligandenbindung und RNA-Strukturanpassung selbst beteiligt sein können. Nach der Assoziation von TC an die Bindungstasche pflanzt sich eine Konformationsanpassung zur entfernten Dreifachhelixregion fort, wo Mg2+ zusätzlich für die Ausbildung endgültig gebundenen Zustandes benötigt wird.
Neben dem Einfluss von Mg2+, zeigen zeitaufgelöste Ligandenbindungsstudien von drei Ciprofloxacin (CFX) -Aptameren eine klare Korrelation zwischen der Kinetik des Struktur-anpassungsschrittes der RNA an den Liganden und dem beobachteten Regulationspotenzial in parallel durchgeführten in vivo Assays. Es wird geschlussfolgert, dass eine beschleunigte und irreversible RNA-Anpassung auf eine Konformationsänderung hindeutet, die ausgeprägt genug ist, um eine Aktivität als Riboschalter zu ermöglichen. Diese Erkenntnisse werden durch die berichteten Ligandenbindungskinetiken von anderen künstlichen Aptameren und auch von natürlichen Riboschaltern bestätigt und sollten weitreichende Implikationen für die Optimierung von Selektionsprotokollen für funktionelle Aptamere haben.
Schließlich wird ein lichtempfindliches RNA-Aptamer vorgestellt, dessen Ligand auf dem Antibiotikum Chloramphenicol (Cm) basiert, welches synthetisch mit einem Azobenzolfragment versehen wurde (azoCm). Durch systematische Optimierung von in vitro Selektionsprotokollen und die erfolgreiche Implementierung eines Belichtungsschrittes zur Isomerisierung des Liganden konnten Aptamere erhalten werden, die spezifisch an die trans-Form von azoCm binden. Bindungsaffinitätsstudien bestätigen diese Selektivität und durch Zirkulardichroismusstudien konnte zudem eine lichtinduzierte reversible Dissoziation des von cis-azoCm gezeigt werden. Damit wird hier eine erfolgreiche Entwicklungsstrategie für lichtabhängige RNA-Aptamer – Ligandsysteme dargelegt, welche wiederum fundamental neuartige Ansätze für die Erschließung lichtstimulierter biologischer Regulationswege zugänglich machen.
Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von molekularen Systemen, die aus mehreren Chromophoren bestehen und über einen Zweiphotonen-Prozess aktiviert werden können.
Die Zweiphotonen-Absorption (2PA) beschreibt die nahezu simultane Absorption zweier Photonen, deren Summe die Energie ergibt, die für den entsprechenden elektronischen Übergang nötig ist. Da für die Anregung somit zwei niederenergetische Photonen benötigt werden, kann für die 2PA Nahinfrarot-Licht (NIR-Licht) verwendet werden, welches eine geringe Phototoxizität aufweist und eine tiefe Gewebedurchdringung ermöglicht. Weiterhin wird durch die intrinsische dreidimensionale Auflösung der 2PA eine hohe Ortsauflösung der Photoaktivierung erzielt.
Photolabile Schutzgruppen (PPGs) bzw. Photocages sind chemische Verbindungen, die der vorübergehenden Maskierung der biologischen Funktion eines (Makro-)Moleküls dienen. Sie können durch Licht geeigneter Wellenlängen abgespalten werden (uncaging), wodurch die Aktivität des geschützten Substrats wiederhergestellt wird. Leider weisen viele der etablierten PPGs schlechte Zweiphotonen-Eigenschaften auf. Um die 2P-Aktivität einer PPG zu erhöhen, kann sie kovalent mit einem guten Zweiphotonen-Absorber verknüpft werden, der bei Bestrahlung das Licht über einen Zweiphotonen-Prozess absorbiert und anschließend mittels Energietransfer auf die photolabile Schutzgruppe überträgt. Dies führt schließlich zur Uncaging-Reaktion.
Im Zuge von Projekt I dieser Dissertation wurde eine solche molekulare Dyade für verbessertes Zweiphotonen-Uncaging bestehend aus einem Rhodamin-Fluorophor als Zweiphotonen-Absorber und einem Rotlicht-absorbierenden BODIPY als photolabile Schutzgruppe hergestellt und charakterisiert. Die Zweiphotonen-Aktivität des Fluorophors wurde mittels TPEF-Messungen (two-photon excited fluorescence) untersucht. Anschließend wurde das Rhodamin an einen 3,5-Distyryl-substituierten BODIPY-Photocage gekuppelt. Der Energietransfer innerhalb dieser Dyade wurde mithilfe von transienter Ultrakurzzeit-Spektroskopie und quantenmechanischen Berechnungen untersucht. Die Freisetzung der Abgangsgruppe para-Nitroanilin (PNA) bei Belichtung der Dyade konnte sowohl nach Einphotonen-Anregung des Rhodamins als auch des BODIPYs mithilfe von UV/vis-Absorptionsmessungen qualitativ nachgewiesen werden.
Da die Uncaging-Reaktion allerdings nicht besonders effektiv war, wurde für die Weiterführung des Projekts ein neuer BODIPY Photocage, der eine verbesserte Photolyse-Effizienz und eine höhere Photostabilität aufwies, verwendet und erneut an einen Rhodamin-Fluorophor geknüpft. Anhand dieser optimierten Dyade konnte die Einphotonen-Photolyse quantifiziert, d.h. eine Uncaging-Quantenausbeute für die Freisetzung von PNA bestimmt werden. Weiterhin wurde beobachtet, dass die Photolyse der Dyade mit einer deutlichen Änderung ihrer Fluoreszenzeigenschaften einherging. Dies ermöglichte einen Nachweis des Zweiphotonen-Uncagings mithilfe eines Fluoreszenzmikroskops. Die Dyaden-Moleküle wurden zur Immobilisierung in Liposomen eingeschlossen und unter dem konfokalen Fluoreszenzmikroskop belichtet. Sowohl nach Einphotonen- als auch nach Zweiphotonen-Anregung der Rhodamin-Einheit konnte die gewünschte Fluoreszenzänderung beobachtet und somit das Uncaging bestätigt werden.
In Projekt II der Dissertation wurde ein photoaktivierbarer Fluorophor (PAF) hergestellt. PAFs liegen in ihrer geschützten Form dunkel vor. Durch die Aktivierung mit Licht können sie Fluoreszenzsignale emittieren. Sie liefern somit ein direktes Feedback über die Lichtverteilung und –intensität innerhalb einer Probe und werden somit unter anderem für die Charakterisierung und Optimierung von Belichtungsapparaturen verwendet. Besonders wünschenswert ist hierbei eine Fluoreszenzaktivierung mit sichtbarem Licht bzw. mit NIR-Licht über einen Zweiphotonen-Prozess.
Im Zuge der Arbeit wurde ein Rhodamin-Derivat synthetisiert, das durch die Anbringung eines DEACM450-Photocages in seine nichtemittierende Form gezwungen wurde. Bei Bestrahlung mit 455 nm konnte die Abspaltung der Cumarin-Schutzgruppe und der damit verbundene Anstieg der Rhodamin-Fluoreszenz beobachtet und eine Uncaging-Quantenausbeute bestimmt werden. Für die Untersuchung der Zweiphotonen-Photolyse wurde der geschützte Fluorophor in einem Hydrogel immobilisiert und unter dem konfokalen Fluoreszenzmikroskop betrachtet werden. Anschließend wurden Fluoreszenzbilder vor und nach Photoanregung von bestimmten Regionen des Hydrogels aufgenommen. Durch das Uncaging der Probe konnten helle, definierte Muster geschrieben und ausgelesen werden. Die Photoaktivierung führte dabei sowohl über die Einphotonen-Anregung mit blauem Licht (488 nm) als auch über die Zweiphotonen-Anregung mit NIR-Licht (920 nm) zur Generierung von stabilen, gleichmäßigen Fluoreszenzmustern mit hohem Kontrast.