<div> <div> <div> <p>Phages, viruses that infect bacteria, have been used for many studies in understanding fundamentals of molecular biology and taking advantage of their natural antimicrobial properties (Harper 2021). They are often noted for their overwhelming abundance and are recognized as the most abundant biological entities in the world (Harper 2021). The field has grown since the early 20th century, and now, there are several classes of phages that have been observed and characterized (Ackermann 2009). Within this abundant class of biological organisms, the order called Caudovirales, is the most populated group of phages to date (Harper 2021). In this order of viruses, the dsDNA genome phages have 2 main components, the icosahedral capsid, and a tail (Harper 2021). Though many tailed phages have been studied for many decades, new information about phages is still being found. Important findings such as the CRISPR gene editing tool adapted from phages in 2007 (Barrangou, Fremaux et al. 2007) have contributed to new biotechnology that impacts human health. For this reason, studies on phages have proven to be valuable in understanding fundamental biological questions and advancing basic research. </p><p><br></p> <p>In this dissertation, we investigated phage G, which has the largest capsid and genome of propagated phage studied to date (Donelli 1968, Sun and Serwer 1997, Pope 2011, Hua, Huet et al. 2017). By studying phage G, we may add to the knowledge of this relatively unexplored group of Jumbo phages with remarkably larger genomes (>200kbp) (Yuan and Gao 2017)to understand how their structure and function may be similar or different to the commonly studied, smaller bacteriophages, such as T4 and λ. For a majority of these studies, we outline how our structural biology insights of phage G using cryo-EM (cryo-Electron Microscopy) have shown it’s icosahedral capsid of ~ 180 nm in diameter at the 5-fold icosahedral vertex is composed of hexamer and pentamer proteins similar to what’s been discovered in other, smaller tailed phages (González, Monroe et al. 2020). Our observations from microscopy data also show unique mechanistic properties in phage G’s tail that are inconsistent with current model of tail contraction within the Myoviridae family of tailed phages. Data suggest phage G’s structure and organization of its helical tail are still similar to contractile phages such as T4 (Amos and Klug 1975, Abuladze, Gingery et al. 1994) and phi812 (Nováček, Šiborová et al. 2016), however, the mechanism of the tail sheath movement is inconsistent with the existing ideas of myophage function (Harper 2021).</p></div></div></div>

This master thesis deals with conventional methods of bacterial cell analysis, polyhydroxyalkanoates, Raman spectroscopy and electron microscopy in the theoretical part. The production of polyhydroxybutyrate by selected thermophilic bacteria and their analysis by gas chromatography, cryogenic scanning electron microscopy and Raman spectroscopy is described in the experimental part. The chosen sample was analyzed by a transmission electron microscope. Comparing the results from previous mentioned methods it was found that the bacteria Schlegelella thermodepolymerans accumulated the highest amount of PHB. The lowest amount of PHB was obtained by bacteria Rubrobacter xylanophilus. The assumption that the PHB granules formed so-called needle-like plastic deformations during freeze-fracturing was affirmed by cryo-SEM photos analysis. Moreover, it was found that the bacterial cell characterization deduced from microscopic observation of samples corresponded to the description in the literature. TEM provided better resolution photos and in consequence the cells and PHB are more visible. The thesis is also focused on chemical fingerprint analysis of cells by Raman spectroscopy. Several biomolecules were identified by measured Raman spectra for the particular samples.

Le travail présenté dans ce manuscrit a montré l’importance du développement méthodologique et technique pour identifier et débloquer les verrous empêchant l’analyse de matériaux hybrides et complexes qui se dégradent sous irradiation par un faisceau d’électrons. Nous avons mis en évidence que des dégâts sur l’échantillon produits par les électrons n’apparaissent qu’au-dessus d'un certain seuil de densité de courant électronique qui dépend de la nature du matériau et de ses caractéristiques morphologiques et structurales. Ces développements couplés à la Cryo-EM, nous ont permis de mettre en évidence l’architecture des matériaux hybrides à base de carbone, la variation de la distance lamellaire dans une pérovskite en fonction de la molécule insérée et le positionnement du métal, d’identifier les interactions à l’interface entre deux cristaux moléculaires et la quantification 3D de la fonctionnalisation d’un MOF. Dans la dernière partie, nous avons mis en évidence les processus de nucléation et de croissance d’oxyde de fer par MET in-situ en phase liquide. / The present manuscript shows the importance of methodological and technical development to identify and to unblock locks preventing the analysis of hybrid and complex materials that undergo degradation under electron beam irradiation. We have shown that beam-induced damage to the sample only appears above some specific threshold of current density. Such a threshold depends on the nature of the material and on its morphological and structural characteristics. These developments in synergy with the use of Cryo-EM, allowed us to expose the architecture of carbon-based hybrid materials, measure the variation of the lamellar distance in a perovskite according to the molecular spacer and to the positioning of the metal, identify the interactions at the interface between two molecular crystals, and the 3D quantification of the functionalization within a MOF. Lastly, we brought to light the processes of nucleation and growth of iron oxide by in-situ liquid phase TEM.

<p>The following work describes the methodology and materials used to study three human protein complexes involved in the etiology and progression of cancer. The first, ubiquitin-specific protease 7 (USP7) is an isopeptidase that employs a unique auto-regulatory mechanism. The second is another ubiquitin-specific protease, USP28, which forms higher order states in solution. Lastly, the third case was a protein complex that utilizes an oxidation-sensitive dimeric protein, Keap1, and two components of an E3 ligase – Cul3-Rbx1. Each of these studies involved overcoming unique challenges for cryo-EM sample optimization. Not all yielded the quality of data that would result in high-resolution (< 6 Å) densities. Despite this, new information was discovered about each system.</p> <p>USP7 has a unique mechanism of intramolecular regulation that stems from a hypothesized tethered-rheostat, whereby the c-terminal distal domains activate the catalytic domain via a hypothetical wide degree of conformational movement. My cryo-EM work, done in collaboration with the Wen Jiang lab, is the first comprehensive structural data that provides structural evidence for the movement of the tethered-rheostat. The particle set showed a great degree of conformational heterogeneity, even after a strategy was employed with a chemically-modified ubiquitin substrate to ameliorate these issues. The data showed that during the ubiquitin-bound state, after the release of a hypothetical substrate, but prior to the release of mono-ubiquitin, the HUBL4-5 domains do not remain engaged with the catalytic domain. This information suggests a change to existing models of catalysis. </p> <p>Additionally, the structural model built from the cryo-EM density has revealed an interfacial region between domains that were previously not thought to interact. This interfacial region between the TRAF domain and HUBL1-3 represents a candidate location of binding for a mixed, non-competitive inhibitor of USP7 previously identified in the lab. Enzyme kinetics, DSF, and Glide molecular docking experiments all yielded data that corroborate this idea.</p> <p>Structural studies on USP28 have been difficult as the multi-domain enzyme adopts oligomers in solution and is generally not amenable to crystallographic analysis. Prior to the work described herein, the only structural data were a solution NMR structure describing a few alpha-helical motifs in the N-terminus. During my graduate studies, two articles were published of the USP28 catalytic domain crystallographic structure. Both corroborated the existence of a dimer. The USP28 catalytic domain migrates during analytical gel filtration assays with the apparent molecular weight of a tetramer. Furthermore, glutaraldehyde crosslinking experiments show the catalytic domain appears to adopt a tetrameric state, like the USP25 tetramer. The USP25 tetramer was published alongside the USP28 catalytic domain dimer, concluding that a USP28 tetrameric state was not observed. Upon cryo-EM data collection and single particle analysis, it was observed that the compositional heterogeneity of the dataset was too great for any meaningful reconstruction. Although, the dataset appeared to how the presence of the <i>E. coli</i> GroEL chaperone complex. Co-expression experiments confirmed that the GroEL chaperone complex migrates with USP28 throughout the purification and may be useful for purifying USPs for structural studies.</p> <p>Currently, our lab has a single-angle X-ray scattering (SAXS) model of the Keap1-Cul3 E3 ligase complex. But, the field does not fully agree on the molecular stoichiometry or the overall structure-function of this oxidation sensor – E3 ligase complex. It is hypothesized that Keap1 forms a dimer through its BTB domain, and a single Cul3 molecule then binds this dimer. The oxidation state of Keap1 cysteines appears to be critical to the interaction, but the field remains uncertain about which residues are responsible for the interaction with the Cul3-Rbx1 E3 ligase. To better understand this interaction and to obtain structural information to corroborate the SAXS model, recombinant Keap1 and Cul3-Rbx1 were purified and their interaction was tested by ITC, gel filtration assay, and a new technique called <i>mass photometry</i>. </p> <p>It was found that the Keap1 Cys151 residue is not the oxidation sensor critical to the interaction, contrary to what some in the field anticipated. Additionally, it was found that under oxidative conditions, WTKeap1 could not form a complex with Cul3-Rbx1. The complex was successfully purified and was measured by SDS-PAGE, gel filtration assay, and mass photometry, and then used for cryo-EM single particle analysis. Full data collection and analysis has not yet been completed. It is anticipated that like the data from mass photometry, analytical SEC, and cryo-EM single particle analysis will show the complex appears to show a 1:1 Keap1-Cul3 stoichiometry, as opposed to the anticipated 2:1 ratio.</p>

The maintenance of protein homeostasis as a response to changing external conditions is crucial for cellular survival and proper function. Since plants cannot adapt by changing location, their need for a rapid intracellular response is accentuated. The AAA ATPase CDC48 maintains protein homeostasis in conjunction with NPL4 and UFD1 by coupling ATP hydrolysis with mechanical force to extract and unfold ubiquitylated proteins from organelle membranes, chromatin, or protein complexes. Our bioinformatic analysis revealed considerable domain and binding motif differences in A. thaliana NPL4 compared to its orthologs in animals and fungi. Using ITC, MST, and SEC-MALS, we found that NPL4 and UFD1 did not heterodimerize, NPL4 bound to CDC48A in the absence of UFD1, and the complex was not stable in vitro. Additionally, we provided the first medium-high-resolution reconstructions of CDC48A in both an AMP-PNP bound and apo state, using cryo-EM. AMP-PNP bound CDC48A was reconstructed in both a tense (3.3 Å) and relaxed (3.5 Å) conformation with the N domain was positioned above or coplanar with the D1 ring, respectively. Our heterogeneity analysis using CryoDRGN revealed continuous flexibility of the N domains between the two conformations. The apo state was reconstructed as a single conformation at 4.4 Å resolution. A cryo-EM reconstruction of the complex was also obtained at a resolution of ~6 Å, which showed expected cofactor stoichiometry and binding positions. Through our efforts, we have observed differences in the interaction between A. thaliana CDC48A and its cofactors UFD1 and NPL4 that may correspond to functional differences between kingdoms.

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L’étude avancée de systèmes polymères complexes (mélanges compatibilisés, nanocomposites, copolymères à bloc, etc) est cruciale pour le développement de nouvelles solutions d'ingénierie. Afin d'élucider les relations mise en œuvre-structure-propriétés de ces systèmes, la co-localisation d’informations chimique, physique et morphologique devient essentielle pour obtenir des réponses fiables. La caractérisation de la surface et de l’intérieur des matériaux est également d'une importance primordiale, en particulier pour les matériaux polymères minces (<100 μm) tels que les membranes, qui peuvent présenter des profils de propriétés contrastés entre les surfaces et le coeur. Ces profils de propriétés peuvent être induits par le procédé de mise en œuvre, la chimie du matériau ou son vieillissement. Pour cela, le matériau doit être correctement ouvert sans modification structurelle, chimique ou morphologique. Par conséquent, l'objectif principal de cette thèse a été de développer une méthodologie expérimentale de caractérisation alliant la co-localisation des informations morphologiques, nanomécaniques et chimiques obtenues par le couplage de la Microscopie de Force Atomique (AFM) et la Microspectroscopie Confocale Raman et d’une technique de préparation des coupes transversales par cryo-ultramicrotomie.La stratégie développée a été appliquée à trois systèmes polymères différents: 1) des mélanges polyamide 6 (PA6) / acrylonitrile-butadiène-styrène (ABS), compatibilisés avec un styrène-acrylonitrile greffé anhydride maléique (SAN-MA); 2) de membranes hybrides constituées d’une matrice polymère de type polyétheréthercétone sulfoné (sPEEK) et d’une phase inorganique chimiquement active préparée par chimie Sol-Gel (SG); 3) des copolymères à bloc de type PS-PEO-PS utilisés comme électrolytes pour les batteries lithium. L’étude morphologique du mélange PA/ABS a montré que l'addition d’un copolymère SAN-MA améliore significativement la dispersion de la phase ABS dans la matrice PA et, en fonction du protocole appliqué, modifie la morphologie du mélange et la structure cristalline de la phase PA (teneur/distribution des phases -). Les modifications morphologiques observées ont ensuite été corrélées aux propriétés rhéologiques des mélanges. L’étude des membranes hybrides sPEEK/SG avait pour objectif de comprendre l’impact des étapes clés d’élaboration de ces membranes sur la morphologie des mélanges, la distribution de la phase SG dans la matrice sPEEK et sa densité de réticulation et le précurseur utilisé: (3-mercaptopropyl)-methyldimethoxysilane (SHDi) et (3-mercaptopropyl)-triméthoxysilane (SHTriM). L'efficacité des traitements thermiques appliqués aux différentes étapes du processus de fabrication des membranes SHDi a été démontrée. Pour les membranes basées sur le précurseur SHTriM, il a été démontré que la phase SG présente un système hiérarchiquement organisé, avec des domaines sphériques composés de particules élémentaires plus petites. L’inclusion d'une phase SG à l'intérieur de la membrane sPEEK ne perturbe pas la nanoséparation hydrophobe/hydrophile de la matrice, mais limite son gonflement. Enfin, une 'analyse morphologique a été réalisée sur une série de copolymères à bloc utilisés comme électrolytes polymères dans les batteries lithium. Le contraste nanomécanique des différentes phases a permis de mesurer les distances inter-domaine entre les phases PS et PEO par AFM et une bonne corrélation a été obtenu avec des résultats de diffusion de rayons X aux petits angles (SAXS). Il a été démontré que les propriétés nanomécaniques de surface du matériau évoluent avec son hydratation (humidité relative de la pièce).Dans chacune des trois études présentées dans cette thèse, la stratégie de co-localisation et a fourni des informations précieuses inaccessibles autrement. Cela ne fut possible qu'après une mise en œuvre spécifique de la cryo-ultramicrotomie pour la coupe de membranes fines et d’échantillons sensibles à l'eau. / The comprehension of the intrinsic characteristics and interactions found in complex polymeric systems is important and challenging for the development of new engineering solutions. In order to elucidate the process-structure-properties interplays, the co-localization of different information becomes essential, to obtain reliable answers. The characterization of both the surface and the bulk of materials is also of prime importance, especially for thin polymeric materials (<100 µm) such as membranes, which can present contrasted properties profiles throughout their thickness. To do so, the material must be properly opened with no structural, chemical and morphological modifications. Therefore, the main objective of this thesis was to develop an experimental methodology of characterization allying the co-localization of morphological, nanomechanical and chemical information using a special setup combining Atomic Force Microscopy and Confocal Raman Microspectroscopy to study cross-sections of cryo-ultramicrotomed samples.We applied the developed strategy to three different polymer systems: 1) blends of Polyamide 6 (PA6) and Acrylonitrile-Butadiene-Styrene (ABS), compatibilized with a Styrene-Acrylonitrile grafted with Maleic Anhydride (SAN-MA); 2) hybrid membranes of sulfonated polyether-etherketone (sPEEK) with active networks prepared by Sol-Gel (SG) chemistry; 3) block copolymers based on PS-PEO-PS used as polymer electrolyte membranes. The first study was focused on the impact of the compatibilizer and the mixing protocols on the morphology of an immiscible PA6/ABS blend. Co-localized AFM/Raman established that the addition of the SAN-MA copolymer, at different steps of the blending, favors the formation of the PA6 γ polymorph with amounts and distribution depending on the blending protocols. The different resulting morphologies were found to impact the blends’ rheological properties. The second study focused on the fabrication of hybrid sPEEK/SG membranes for Fuel Cell based on two different SG precursors. The main goal of this study was to qualify the impact of each step of fabrication on the membranes’ physical, nanomechanical and chemical properties, as well as their stability over time. Quantitative nano-mechanical (AFM) and chemical analysis (Raman) of the SG phase revealed its evolution throughout the fabrication process, confirming the efficiency of the applied thermal treatments. For membranes based on (3-mercaptopropyl)-trimethoxysilane SG precursor, it has been shown that the SG phase presents a hierarchically organized system, composed of elementary particles which aggregate into the round shape domains. The presence of SG phase inside the membrane (AFM/Raman) conserves the hydrophobic/hydrophilic nanophase separation of the host sPEEK, but the increasing SG uptake limits the swelling of the host membrane, which can affect its proton conductivity. Finally, the third study was focused on the morphological analysis of a series of triblock copolymers, used as polymer electrolytes in batteries. Their nanomechanical heterogeneities allowed the measurement of the inter-domain distances between the PS and PEO phases directly from the AFM images which were correlated to Small Angle X-Ray Scattering (SAXS) measurements. It has been shown that the material’s surface nanomechanical properties evolve from the dry state to the equilibrium with the room relative humidity.To summarize, the development of the characterization methodology allying co-localized AFM/Raman with multiple complementary techniques allowed for the study of different complex polymeric systems for a variety of applications. In each of the three studies of this thesis, the co-localization and multi-technique strategy provided precious information that could not be accessed by other means. This could only be possible by the adaptation of cryo-ultramicrotomy for sample preparation, especially for thin polymer membranes and water sensitive samples.

La pause transcriptionnelle marquée par les ARN polymérases (RNAP) est un mécanisme clé pour réguler l'expression des gènes dans tous les règnes de la vie et est une condition préalable à la terminaison de la transcription. Le facteur de transcription bactérien essentiel NusA stimule à la fois la pause et la terminaison de la transcription, jouant ainsi un rôle central. Ici, je présente des reconstructions par cryo-microscopie électronique (cryo-EM) à une seule particule de NusA lié à des complexes d'élongation en présence et en absence d’ARN en épingle à cheveux dans le canal de sortie de l'ARN. Les structures révèlent quatre interactions entre NusA et RNAP qui suggèrent comment NusA stimule le repliement de l’ARN, la pause et la terminaison de la transcription. Un intermédiaire de translocation asymétrique de l'ARN et de l'ADN convertit le site actif de l'enzyme en un état inactif, fournissant une explication structurelle pour l'inhibition de la catalyse. La comparaison de RNAP à différentes étapes de la mise en pause donne un aperçu de la nature dynamique du processus et du rôle de NusA en tant que facteur de régulation. / Transcriptional pausing by RNA polymerases (RNAPs) is a key mechanism to regulate gene expression in all kingdoms of life and is a prerequisite for transcription termination. The essential bacterial transcription factor NusA stimulates both pausing and termination of transcription, thus playing a central role. Here, I present single-particle electron cryo-microscopy (cryo-EM) reconstructions of NusA bound to paused elongation complexes with and without a pause-enhancing hairpin in the RNA exit channel. The structures reveal four interactions between NusA and RNAP that suggest how NusA stimulates RNA folding, pausing, and termination. An asymmetric translocation intermediate of RNA and DNA converts the active site of the enzyme into an inactive state, providing a structural explanation for the inhibition of catalysis. Comparing RNAP at different stages of pausing provides insights on the dynamic nature of the process and the role of NusA as a regulatory factor.

La régulation de la transcription est un processus dynamique faisant intervenir le recrutement de complexes protéiques impliqués dans le remodelage de la chromatine. Parmi eux, mon travail s’est focalisé sur le complexe NuRD (Nucleosome Remodeling and histone Deacetylation) et sa sous-unité de liaison à l’ADN CpG MBD3. Pour cela une approche de biologie structurale intégrative combinant la préparation biochimique, la caractérisation biophysique et l’étude structurale par cryo-EM et cristallographie aux rayons-X a été mise en place. Les caractérisations biophysiques de MBD3 ont permis de mettre en évidence son interaction avec un ADN non-modifié CpG et des cristaux diffractant jusqu’à 3.9 Å ont été obtenu. De plus la région désordonnée en aval du domaine de liaison a été identifiée et son impact dans la formation de complexe caractérisé. Des cristaux pour les différentes constructions en complexe avec l’ADN ont été obtenus et sont actuellement optimisés. Enfin l’optimisation de la purification et la préparation du complexe, ont permis la visualisation du complexe NuRD et mettent en avant pour la première fois une organisation en domaines du complexe. / Transcription regulation of chromatin is a very dynamic process regulated through the recruitment of chromatin-remodeling complexes. My work focuses on NuRD for Nucleosome remodeling and histones deacetylation complex a 1 MDa multi-subunit protein complex and its subunit MBD3 a CpG-binding protein and more precisely on an integrated biology approach of this molecular assembly and its interaction with DNA. It combines biochemical preparation, biophysical characterization, single particle cryo-eletron microscopy and x-ray crystallography. Biophysical analysis show that MBD domain of MBD3 interacts with unmodified CpG DNA, a crystal diffracting up to 3.9 Å were obtained. Moreover a C-terminal intrinsically disordered region of MBD3 were identified and despite is inherent disorder seems to increase the binding affinity of MBD3 for DNA. Crystals were obtained for both constructs in complex with DNA and are currently optimized.Cryo-EM study of NuRD complex allows us to develop and optimized purification and grids preparation for the visualization of the complex. The present results reveal a domain organization of the complex never identify before.

Um das Verhalten von Actiniden im Menschen (Stoffwechsel), in geologischen und in biologischen Systemen vorherzusagen, ist es erforderlich deren Speziation genau zu kennen. Zur Bestimmung dieser wird das chemische Verhalten des Urans hinsichtlich Komplexbildungsreaktionen und Redoxreaktionen in Modellsystemen untersucht. Anhand der gewonnenen thermodynamischen Konstanten und dem Redoxverhalten können Risikoabschätzungen für das jeweilige untersuchte System getroffen werden. Das umweltrelevante Uran(IV)-Uran(VI)-Redoxsystem besitzt mit der metastabilen fünfwertigen Oxidationsstufe einen zumeist kurzlebigen Zwischenzustand. Innerhalb dieser Arbeit gelang es erstmalig die Uran(V)-Fluoreszenz mittels laserspektroskopischer Methoden nach zu weisen. Beispielsweise konnte das Bandenmaximum von aquatischem Uranyl(V) im perchlorhaltigem Medium (λex = 255 nm) mit 440 nm, bei einer Fluoreszenzlebensdauer von 1,10 ± 0,02 µs bestimmt werden. Die fluoreszenzspektroskopische Untersuchung eines aquatischen [U(V)O2(CO3)3]5--Komplexes (λex= 255 nm und 408 nm) zeigte bei Raumtemperatur keine Fluoreszenz. Durch Anwendung der Tieftemperaturtechnik wurden bekannte Quencheffekte des Carbonats unterdrückt, so dass bei beiden Anregungswellenlängen ein für Uran(V) typisches Fluoreszenzspektrum im Bereich von 375 nm bis 450 nm, mit Bandenmaxima bei 401,5 nm (λex = 255 nm) und 413,0 nm (λex = 408 nm) detektiert werden konnte. Darüber hinaus konnte bei 153 K (λex = 255 nm) eine Fluoreszenzlebensdauer von 120 ± 0,1 µs bestimmt werden. Untersetzt wurden diese fluoreszenzspektroskopischen Nachweise durch mikroskopische Studien verschiedener Uran(IV)-Festphasen (Uraninit…UO2, Uran(IV) Tetrachlorid…UCl4) und einer sulfathaltigen Uran(IV)-Lösung (UIVSO4). Diese wurden durch kontinuierliche Sauerstoffzufuhr zu Uran(VI) oxidiert. Die ablaufende Oxidation wurde mit dem konfokalen Laser Scanning Mikroskop (CLSM) verfolgt, wobei die Proben mit einer Wellenlänge von 408 nm zur Fluoreszenz angeregt wurden. Die auftretenden Bandenmaxima bei 445,5 nm (UO2), bei 445,5 nm (UCl4) und bei 440,0 nm (UIVSO4) konnten eindeutig der Uran(V)-Fluoreszenz zugeordnet werden. Zur Bestimmung thermodynamischer Konstanten mit Hilfe der Tieftemperaturfluoreszenz wurde zunächst der Einfluss der Temperatur auf das Fluoreszenzverhalten des freien Uranyl(VI)-Ions näher betrachtet. Es zeigte sich, dass mit Erwärmung der Probe (T>298 K) die Fluoreszenzlebensdauer von 1,88 µs (298 K) deutlich absinkt. Die Fluoreszenzintensität verringerte sich dabei um 2,3 % pro 1 K zwischen 273 K und 313 K. Im Gegensatz dazu, steigt die Fluoreszenzlebensdauer um das 150-fache auf 257,9 µs bei einer Verminderung der Temperatur (T <298 K) auf 153 K. Das weitere Absenken der Temperatur (T <153 K) zeigte keinen Einfluss auf die Fluoreszenzlebensdauer. Die Lage der Hauptemissionsbanden des freien Uranyl(VI)-Ions (488,0 nm, 509,4 nm, 532,4 nm, 558,0 nm, 586,0 nm) zeigte bei diesen Untersuchungen keine temperaturabhängige Verschiebung. Die Validierung der Tieftemperaturtechnik zur Bestimmung thermodynamischer Konstanten mittels zeitaufgelöster laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie erfolgte anhand des Uran(VI)-Citrat-Systems. Im Gegensatz zu bisherigen fluoreszenzspektroskopischen Betrachtungen bei Raumtemperatur wurde das Fluoreszenzsignal bei tiefen Temperaturen mit einsetzender Komplexierung nicht gequencht, woraus die Ausprägung einer gut interpretierbaren Fluoreszenz resultierte. Die Analyse der spektralen Daten mit SPECFIT ergaben mit log β101 = 7,24 ± 0,16 für den [UO2(Cit)]--Komplex und log β202 = 18,90 ± 0,26 für den [(UO2)2(Cit)2]2 -Komplex exakt die in der Literatur angegebenen Stabilitätskonstanten. Zudem konnten Einzelkomponentenspektren mit Bandenmaxima bei 475,3 nm, 591,8 nm, 513,5 nm, 537,0 nm und 561,9 nm für den 1:0:1-Komplex und 483,6 nm, 502,7 nm, 524,5 nm, 548,1 nm und 574,0 nm für den 2:0:2-Komplex und Fluoreszenzlebensdauern von 79 ± 15 µs (1:0:1) und 10 ± 3 µs (2:0:2) bestimmt werden. Zur Modellkomplexierung des Uran-Citrat-Systems wurde in dieser Arbeit auch das Komplexbildungsverhalten von U(IV) in Gegenwart von Citronensäure untersucht. Hierbei wurden über den gesamten pH-Wertbereich gelöste Uran-Citrat-Spezies spektroskopisch nachgewiesen und die Stabilitätskonstanten sowie die Einzelkomponentenspektren für die neu gebildeten Uran(IV) und (VI)-Spezies bestimmt. Für die neu gebildeten Citrat-Komplexe des sechswertigen Urans wurden Komplexbildungskonstanten von log β203 = 22,67 ± 0,34 ([(UO2)2(Cit)3]5-) und log β103 = 12,35 ± 0,22 ([UO2(Cit)3]7-) und für die Komplexe des vierwertigen Urans von log β1-21 = -9,74 ± 0,23 ([U(OH)2Cit]-) und log β1 31 = -20,36 ± 0,22 ([U(OH)3Cit]2-) bestimmt. Untersuchungen zum Redoxverhalten von Uran in Gegenwart von Citronensäure zeigten unter aeroben und anaeroben Versuchsbedingungen eine photochemische Reduktion vom U(VI) zu U(IV), welche spektroskopisch nachgewiesen werden konnte. Dabei zeigt speziell die Reaktion unter oxidierenden Bedingungen, welchen großen Einfluss vor allem organischen Liganden auf das chemische Verhalten des Urans haben können. Sowohl die Reduktion unter O2- als auch die unter N2-Atmosphäre, weisen ein Maximum bei einem pH Wert von 3,5 bis 4 auf. Unter anaeroben Bedingungen reduziert die Citronensäure mit ca. 66 %, 14 % mehr Uran(VI) zu Uran(IV) als unter anaeroben Bedingungen mit ca. 52 %. Ab einem pH-Wert von 7 konnte eine Reduktion nur unter sauerstofffreien Bedingungen festgestellt werden. Die Wechselwirkung von U(VI) in Gegenwart von Glucose wurde hinsichtlich Reduktion und Komplexierung des Uran(VI) betrachtet. Mit Hilfe der zeitaufgelösten laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie bei tiefen Temperaturen wurde dabei ein Uranyl(VI)-Glucose-Komplex nachgewiesen. Die Komplexierung wurde lediglich bei pH 5 beobachtet und weist eine Komplexbildungskonstante von log βI=0,1 M = 15,25 ± 0,96 für den [UO2(C6H12O6)]2+-Komplex auf. Mit einer Fluoreszenzlebensdauer von 20,9 ± 2,9 µs und den Hauptemissionsbanden bei 499,0nm, 512,1 nm, 525,2 nm, 541,7 nm und 559,3 nm konnte der Uranyl(VI)-Glucose-Komplex fluoreszenzspektroskopisch charakterisiert werden. Unter reduzierenden Bedingungen wurde, ab pH-Wert 4 eine auftretende Umwandlung vom sechswertigen zum vierwertigen Uran durch Glucose in Gegenwart von Licht beobachtet. Der Anteil an gebildetem Uran(IV) steigt asymptotischen bis zu einem pH-Wert von 9, wo das Maximum mit 16 % bestimmt wurde. Als Reaktionsprodukt der Redoxreaktion wurde eine Uran(VI)-Uran(IV)-Mischphase mit der Summenformel [UIV(UVIO2)5(OH)2]12+ identifiziert. Mit Hilfe der cryo-TRLFS wurde, durch Verminderung von Quencheffekten die Uranspeziation in natürlichen Medien (Urin, Mineralwasser) direkt bestimmt. Proben mit Uran Konzentrationen von < 0,1 µg/L konnten dadurch analysiert werden. In handelsüblichen Mineralwässern wurde die zu erwartende Komplexierung durch Carbonat nachgewiesen. Im Urin zeigte sich in Abhängigkeit vom pH-Wert eine unterschiedliche Uranspeziation. Die fluoreszenzspektroskopische Untersuchung wies bei niedrigerem pH Wert (pH<6) eine Mischung aus Citrat- und Phosphat-Komplexierung des U(VI) und bei höheren pH-Wert (pH>6) eine deutliche Beteilung von Carbonat an der Komplexierung auf. Diese Ergebnisse stehen in sehr guter Übereinstimmung mit theoretischen Modellrechnungen zur Uranspeziation im Urin. Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass für eine zuverlässigere Prognose des Urantransportes in Geo- und Biosphäre in Zukunft nicht nur Betrachtungen zur Komplexchemie, sondern auch zum Redoxverhalten des Urans nötig sind, um die Mobilität in der Natur richtig abschätzen zu können.