Intramolecular singlet-singlet (SSET) and triplet-triplet (TTET) energy transfer have been studied in two cyclic octapeptides, 1A and 2A, and their open chain analogs, 1B and 2B. The peptides are constructed by a solid phase synthetic technique from enantiomerically pure amino acids with alternating chirality. Cyclic peptides with this arrangement of amino acids preferentially adopt flat, disk-like conformations where the peptide side chains lie on the outside of the ensemble. In 1A, benzophenone and naphthalene chromophores are incorporated as 4-benzoyl-L-phenylalanine and 2-naphtyl-L-alanine at positions 1 and 5 in the peptide sequence while in 2A, these chromophores occupy positions 1 and 3. Molecular modeling studies indicate that the interchromophore separation is larger in 1A than in 2A. This difference in separation is apparent from the observation of TTET energy transfer in 2A, which is consistent with the short range nature of TTET. Low temperature phosphorescence results indicate that intramolecular TTET is efficient in 2A and 2B and occurs with a rate of kTTET > 9.4x103 s-1. Intramolecular SSET occurs efficiently within these cyclic and open chain peptides. 1A undergoes intramolecular SSET from the naphthalene chromophore to the benzophenone chromophore with kSSET > 3.7x107 s-1, while in 2A with kSSET >3.0x107 s-1. Results obtained by modeling, UV-Visible spectroscopy, fluorescence and phosphorescence spectroscopies and transient absorption experiments are described.

This thesis focuses on an important aspect of protein functionality – protein-protein interactions (PPI). Three physical chemistry techniques for or derived from protein-protein interaction investigation are discussed. First, in Chapter 2, we demonstrate a new fluorescent imaging technique that creates high-order nonlinear signals by harnessing the frustrated fluorescence resonance energy transfer (FRET) – energy transfer between certain proteins close in proximity which is commonly used in PPI studies. In Chapter 3, we combine fluorescence resonance energy transfer (FRET) and bioluminescence resonance energy transfer (BRET), two most commonly used approaches to monitor protein-protein interactions in vivo, to create a novel hybrid strategy, bioluminescence assisted switching and fluorescence imaging (BASFI), which integrates the advantages of FRET and BRET. We demonstrate BASFI with Dronpa-RLuc8 fusion constructs and drug-inducible intermolecular FKBP-FRB protein-protein interactions in live cells with high sensitivity, resolution, and specificity. Finally, in Chapter 4, we propose a systematic free energy perturbation (FEP) protocol to computationally calculate the binding affinities between proteins. We demonstrate our protocol with the gp120 envelope glycoprotein of HIV-1 and three broadly neutralizing antibodies (bNAbs) of the VRC01 class and analyze antibody residues’ contributions to the binding which further provides insights for antibody design.

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Qi, Huijie = 用于脫氧核糖核酸分子精确识别的Förster共振能量转移与光电压效应相结合的DNA-量子点分子光电开关 / 齐慧杰. / Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2008. / Includes bibliographical references. / Abstracts in English and Chinese. / Qi, Huijie = Yong yu tuo yang he tang he suan fen zi jing que shi bie de Förster gong zhen neng liang zhuan yi yu guang dian ya xiao ying xiang jie he de DNA-liang zi dian fen zi guang dian kai guan / Qi Huijie. / Abstract --- p.i / Acknowledgements --- p.iv / Table of contents --- p.v / List of Figures --- p.ix / List of Tables --- p.xiii / Chapter Chapter 1 --- Introduction --- p.1 / Chapter 1.1 --- Background --- p.1 / Chapter 1.1.1 --- Nanotechnology and nanomaterials --- p.1 / Chapter 1.1.2 --- "Semiconductor quantum dots: optical properties, preparation and applications" --- p.3 / Chapter 1.1.2.1 --- Preparation --- p.3 / Chapter 1.1.2.2 --- Applications --- p.5 / Chapter 1.1.3 --- Quantum dot-based DNA recognition --- p.10 / Chapter 1.1.3.1 --- Forster resonance energy transfer --- p.11 / Chapter 1.1.3.2 --- Bioimmobilization technique --- p.13 / Chapter 1.1.3.3 --- Highlights on Quantum dot-based DNA recognition --- p.14 / Chapter 1.2 --- Objective and methodology --- p.16 / Chapter 1.2.1 --- Objective --- p.16 / Chapter 1.2.2 --- General methodology --- p.17 / References --- p.19 / Chapter Chapter 2 --- Instrumentation --- p.23 / Chapter 2.1 --- Introduction --- p.23 / Chapter 2.2 --- Atomic Force Microscopy --- p.23 / Chapter 2.2.1 --- Principle of Atomic Force Microscopy --- p.24 / Chapter 2.2.2 --- Instrumentation --- p.29 / Chapter 2.3 --- Absorption and Fluorescence spectroscopy --- p.30 / Chapter 2.3.1 --- Basic Principle --- p.30 / Chapter 2.3.2 --- Instrumentation --- p.33 / Chapter 2.4 --- I-V characteristic --- p.36 / Chapter 2.4.1 --- Basic principle --- p.36 / Chapter 2.4.2 --- Instrumentation --- p.36 / Chapter 2.5 --- Other instrumentations --- p.37 / References --- p.38 / Chapter Chapter 3 --- Preparation of DNA/QD network systems --- p.39 / Chapter 3.1 --- Introduction --- p.39 / Chapter 3.2 --- Preparation of DNA/QD network conjugates in solution --- p.39 / Chapter 3.2.1 --- Experimental --- p.39 / Chapter 3.2.2 --- Characterization --- p.41 / Chapter 3.3 --- Preparation of DNA/QD network on substrates --- p.44 / Chapter 3.3.1 --- Experimental --- p.44 / Chapter 3.3.2 --- Characterization --- p.46 / Chapter 3.4 --- Summary --- p.49 / References --- p.50 / Chapter Chapter 4 --- Fluorescence and I-V characteristics for DNA/QD systems --- p.51 / Chapter 4.1 --- Introduction --- p.51 / Chapter 4.2 --- Experimental --- p.52 / Chapter 4.2.1 --- Patterned Au electrodes --- p.52 / Chapter 4.2.2 --- Electric field induced assembly --- p.52 / Chapter 4.3 --- Results and Discussion --- p.55 / Chapter 4.3.1 --- Optical studies of DNA/QD systems --- p.55 / Chapter 4.3.1.1 --- Optical characteristics of QDs used --- p.55 / Chapter 4.3.1.2 --- Optical studies of DNA/QD network systems in solution --- p.56 / Chapter 4.3.1.3 --- Optical studies of DNA cross-linked QD monolayer on substrates --- p.58 / Chapter 4.3.2 --- PV characteristics --- p.62 / Chapter 4.4 --- Summary --- p.64 / References --- p.66 / Chapter Chapter 5 --- DNA-quantum dot molecular opto-electronic switch with combined Forster resonance energy transfer and photovoltaic effect --- p.68 / Chapter 5.1 --- Introduction --- p.68 / Chapter 5.2 --- Experimental --- p.69 / Chapter 5.2.1 --- Preparation of DNA/QD molecular switch in solution --- p.69 / Chapter 5.2.2 --- Preparation of platform of molecular optoelectronic switch --- p.72 / Chapter 5.2.3 --- EFIA --- p.73 / Chapter 5.3 --- Results and Discussion --- p.73 / Chapter 5.3.1 --- Optical studies of molecular switch constructed of DNA/QD/Cy5 system --- p.73 / Chapter 5.3.1.1 --- Studies on optical properties of molecular switch as well as sole FRET effect between QD and Cy5in solution --- p.73 / Chapter 5.3.1.2 --- Optical studies of dsDNAs cross-linked QD monolayer on substrates with presence of Cy5 --- p.79 / Chapter 5.3.2 --- Studies on FRET mediated PV effect of DNA/QD/Cy5 molecular optoelectronic switch --- p.80 / Chapter 5.4 --- Summary --- p.82 / References --- p.83 / Chapter Chapter 6 --- Conclusions and Future Work --- p.84 / Chapter 6.1 --- Conclusions --- p.84 / Chapter 6.2 --- Future work --- p.85

Molecular assemblies capable of harvesting light and using the absorbed energy have attracted great interest in recent years because of their applicability in such domains as light emitting diodes, fluorescent labelling of biological molecules, and photonic devices. Nature has also developed in plants and photosynthetic bacteria several examples of photonic nanostructures which guide light over small distances and harvest light energy, using resonance energy transfer (RET). For some time, researchers have tried to mimic the spatial arrangements of high energy transfer efficiency found in Nature. Recent progress in the application, creation and manipulation of individual or small groups of molecules are opening new perspectives for further developments in this field. These recent advances are commonly considered to lie at the root of what is being called "Nanotechnology". Although the definitions of nanotechnology are diverse, it is commonly admitted that this new domain of Science draws ideas and concepts from disciplines including engineering, physics, chemistry, biology, mathematics and computer science. The central dogma of the “bottom up” version of nanotechnology is the notion of self-assembly, which is the spontaneous assembly of materials into predetermined ordered structures or complexes. Presented here is an example from a field of nanotechnology that utilizes self-assembly onto nano-patterned surfaces to generate nano-structured systems and devices. More precisely, in the present case we target photo-active devices based on Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET), taking inspiration from photosynthetic light harvesting systems, where concentric nanometric rings of chromophores funnel light energy to a reaction center. Here, we synthesize nano-patterned chromophore surfaces which are able to collect light energy over a large surface and funnel it in regions of ~100 nm size. Our results indicate that an efficient collection and transfer of light energy can be performed by properly nano-designed surfaces, which may have practical consequences for the fabrication of light-powered active nano-devices.

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Une compréhension sans cesse plus pointue des processus élémentaires de transferts de charges et d’énergie, qui sont à la base même de nombreux processus biologiques, permet non seulement l’élaboration mais aussi l’amélioration de la mise au point de molécules photoactives utiles dans différentes applications. C'est le cas (i) de systèmes moléculaires et supramoléculaires destinés à mimer efficacement la photosynthèse, ou encore (ii) de molécules photoactives capables d’interagir avec des macromolécules biologiques et d’induire une transformation de ces biomolécules. C’est dans ce cadre général que s’inscrit l’élaboration de nouveaux complexes polyazaaromatiques de Ru(II) capables d’interagir avec la double hélice d’ADN et de photoréagir avec sa base la plus réductrice, la guanine, par transfert d’électron photoinduit. C’est sur la base de ces processus que des nouveaux agents antitumoraux photoactivables ont pu être développés. L’utilisation de complexes de Ru(II) dans le design d’entités supramoléculaires polymétalliques destinées à jouer le rôle de collecteurs de lumière et permettant ainsi de mimer les systèmes d’antennes naturels s’intègre également dans cette démarche. L’ensemble de notre travail s’est concentré sur ces deux domaines d’applications. Par l’étude de différents processus de transfert de charges/d’énergie au sein des complexes seuls (processus intramoléculaires) ou en interaction avec un environnement spécifique (processus intermoléculaires), nous avons souhaité mettre en évidence l’intérêt de l’utilisation d’un nouveau ligand plan étendu, le tpac, au sein de complexes du Ru(II). Un tel ligand permet en effet de conférer d’une part une affinité élevée des complexes résultants pour l’ADN, et d’autre part, de par sa nature pontante, de connecter des unités métalliques entre elles au sein d’entités supramoléculaires de taille importante. Les propriétés photophysiques de quatre complexes basés sur le ligand plan étendu tpac, le [Ru(phen)2tpac]2+ (P) et son homologue dinucléaire le [(phen)2Ru tpac Ru(phen)2]4+ (PP) (à base de ligands ancillaires phen), ainsi que le [Ru(tap)2tpac]2+ (T) et son homologue dinucléaire le [(tap)2Ru tpac Ru(tap)2]4+ (TT) (à base de ligands ancillaires tap), ont été étudiées et comparées entre elles. L’examen de ces propriétés, d’abord pour les complexes seuls en solution, en parallèle avec celles de complexes dinucléaires contenant un ligand pontant PHEHAT, a permis de mettre en évidence l’importance de la nature du ligand pontant utilisé. Ces résultats ont ainsi révélé qu’un choix judicieux du ligand pontant permet de construire des entités de grande taille capables de transférer l’énergie lumineuse vers un centre (cas du ligand PHEHAT), ou, au contraire, de relier entre elles des entités ne s’influençant pas l’une l’autre d’un point de vue photophysique (cas du ligand tpac). Les propriétés des complexes du tpac, étudiés cette fois en présence de matériel génétique (mononucléotide GMP, ADN ou polynucléotides synthétiques), se sont révélées très différentes selon que le complexe portait des ligands ancillaires phen (P, PP) ou tap (T, TT). Seuls les complexes à base de tap sont en effet photoréactifs envers les résidus guanine. Nous avons dès lors focalisé cette partie de notre travail sur les deux complexes T et TT. Cette photoréaction, ainsi que le transfert d’électron photoinduit entre ces complexes excités et la guanine, ont pu être mis en évidence par différentes techniques de spectroscopie d’émission tant stationnaire que résolue dans le temps, ainsi que par des mesures d’absorption transitoire dans des échelles de temps de la nano à la femto/picoseconde. L’étude du comportement photophysique des complexes en fonction du pH a en outre révélé de manière très intéressante que, pour des études en présence d’ADN, la protonation des états excités des complexes devait être considérée. Les résultats de cette étude nous ont fourni des pistes quant à l’attribution des processus observés en absorption transitoire. Le transfert d’électron a également fait l’objet d’une étude par des méthodes théoriques. Ces calculs ab initio ont permis de mettre en évidence une faible influence de l’énergie de réorganisation sur la vitesse de transfert d’électron, qui semble dépendre plus sensiblement de la non-adiabaticité du processus, mais surtout de l’énergie libre de la réaction et d’un éventuel couplage à un transfert de proton. L’ensemble des résultats obtenus avec les complexes T et TT en présence de matériel génétique, qui, de manière assez inattendue, sont très semblables, indiquent que ces complexes présentent tous deux un grand intérêt pour le développement de nouvelles drogues antitumorales photoactivables.

Le domaine des senseurs chimiques et biochimiques est en pleine expansion, tant au niveau de la recherche fondamentale que du design et de la fabrication de nouveaux « nez artificiels ». Les recherches actuelles visent à la mise au point de dispositifs de taille réduite permettant l’identification et la quantification d’espèces multiples, avec une réponse rapide et réversible, une détection sensible et sélective, le tout intégré dans une technologie simple et peu coûteuse. Les composantes actives des nez artificiels dont il est question ici reposent sur l’utilisation en tant que composante active de polymères et molécules conjugués. Les polymères conjugués sont attractifs pour leur grande sensibilité (tributaire du processus de diffusion efficace des excitations électroniques le long des chaînes) tandis que les molécules conjuguées répondent généralement favorablement au cahier des charges imposé à un senseur, dont les interactions fortes et spécifiques entre le senseur et la molécule à détecter ou encore une grande stabilité chimique et photochimique. Dans ce contexte, le but de cette thèse est d’associer polymères et molécules conjugués pour mettre au point un dispositif hybride combinant les avantages des deux composantes. Afin de caractériser ces dispositifs et de les optimiser, nous nous sommes focalisés dans un premier temps sur l’étude des propriétés géométriques, électroniques et optiques des entités séparées, que nous avons étudiées par le biais de méthodes issues de la chimie quantique. D’une part, nous avons considéré les améliorations pouvant être apportées aux détecteurs moléculaires tant au niveau des limites de détection que de ses propriétés spectroscopiques. D’autre part, nous avons mené une étude mécanistique des processus de transfert d’énergie le long de chaînes de polymères conjugués rigides, en apportant une attention particulière sur les différentes approches envisageables pour en améliorer l’efficacité (effets conformationnels, introduction d’unités à longues durées de vie, écart énergétique donneur-accepteur). Enfin, sur base des résultats obtenus pour les constituants séparés, nous avons proposé des structures chimiques de systèmes ‘hybrides’, constitués de polymères conjugués substitués en bouts de chaîne par des groupements ionophores. Ces études ont été menées en étroite collaboration avec le groupe du Prof. Noël Boens à la KULeuven, où les molécules et polymères conjuguées étudiés théoriquement dans le cadre de ce travail ont été synthétisés et caractérisés d’un point de vue spectroscopique.

The thesis is divided into two major parts. The first part focuses on the localisation of probes in lipid/polymeric bilayers and in GM1 micelles. Included in this thesis is a new approach based on electronic energy transfer/migration (FRET/DDEM), which efficiently determines transversal positions of fluorescent molecules in lipid bilayers. This approach has been used to locate newly synthesized lipid probes in DOPC bilayers. The label was introduced at the end of sn-2 acyl chains of variable length. Analytical models accounting for FRET exist for a limited number of basic geometries. Here, a combination of FRET and Monte Carlo simulations enables the localisation of probes in bicelles and in bilayers containing pores, i.e. in lipid systems with variable curvature, or in non-homogenous lipid systems. This approach has been used to test whether conical-like fluorescence probes have an increased affinity to highly curved regions, which would enable preferential labelling of membrane pores. A simplified FRET model has been applied to localize 2-pyridones, a class of potential drugs, in GM1 micelles. Since the localisation of drugs within nanoparticles might influence the release kinetics and loading efficiency, knowledge about the drug location is highly relevant. It turned out that all derivatives were localised at the core-shell interface of GM1 micelles. The second part of the thesis focuses mainly on the estimation of lipid nanodomain size by means of FRET, which still remains the most powerful method in this field. Limitations of FRET in the determination of domain size have been explored. We showed that the limitations of FRET are mainly caused by a low probes affinity to either the liquid-ordered or liquid-disordered phase. In the continuing work we provided a detailed dynamic and structural study of crosslinker-triggered formation of nanodomains. Here, two different domains have been revealed, i.e. i) domains whose size grows with increasing amount of added cholera toxin (CTxB), and to which CTxB binds tightly; ii) domains formed in membranes containing a slightly increased amount of sphingomyelin (as compared to i) whose size does not change during titration by additional CTxB and to which CTxB binds less tightly. / Disertace je rozdělena do dvou hlavníchčástí. Prvníčást se zabývá lokalizací značek v lipidových/polymerních dvojvrstvách a v GM1micelách. V práci prezentujeme nový přístup založený na přenosu/migraci elektronické energie (FRET/DDEM), jež umožňuje efektivně určovat vertikální pozici fluorescenčních molekul uvnitř lipidové dvojvrstvy. Tato metoda byla použita k lokalizaci nově syntetizovaných lipidových značek značených na konci sn-2 acylového řetězce s různou délkou v DOPC dvojvrstvách. Analytické modely popisující FRET existují pouze pro limitovaný počet základních geometrií. Kombinace FRETu s Monte Carlo simulacemi nicméně umožňuje lokalizaci značek v bicelách a v dvojvrstvách obsahujících póry, tj. v lipidových systémech s proměnlivým zakřivením a v nehomogenních lipidových útvarech. Tento přístup umožnil např. zjistit, zda kuželovitětvarované značky mají zvýšenou afinitu k vysoce zakřiveným oblastem dvojvrstvy, což by umožnilo preferenční značení pórů. Lokalizovány byly rovněž tři deriváty 2-pyridonů(potencionálních léčiv) v GM1micelách za použití jednoduchého modelu zohledňujícího FRET mezi donory a akceptory nacházejícími se v micelách. Lokalizace léčiv v nanočásticích ovlivňuje kinetiku uvolňování (release kinetics) a množství látky solubilizované v micelách (loading efficiency). Druhá část se především zabývá určováním velikostí lipidových nanodomén pomocí FRETu, který stále zůstává nejvíce výkonnou metodou v této oblasti. Zkoumány byly limitace FRETu v určování lipidových nanodomén. Ukázalo se, že tato omezení jsou především způsobena nízkou afinitou značek buď k Lonebo k Ldfázi. V navazující studii jsme poskytnuli detailní dynamickou a strukturní studii formace nanodomén indukované crosslinkerem. Objevili jsme dva typy domén: a) domény, jejichž velikost se zvětšuje s rostoucím množstvím přidaného cholera toxinu (CTxB) a k nimž se CTxB váže pevně a b) domény vzniklé v membránách se zvýšeným množstvím sfingomyelinu (ve srovnání s a)), jejichž velikost se nemění během titrace dodatečným CTxB a k nimž se CTxB váže méně pevně. / This thesis has been elaborated within the framework of the Agreement on JointSupervision (co-tutelle) of an International Doctoral Degree Programmebetween Charles University in Prague, Czech Republic and the Department of Chemistry at Umeå University, Sweden.

This thesis can be divided into two parts.The aim of the studies described in the first part of the thesis isto make clear the dominating processes in the selective decorrpositionof certain solutes that follow low-terrperature radiolysis of crystalline hydrocarbons. 1. The isotope effect in the production of radicals has been studiedby Electron Spin Resonance and Gas Chromatography/MassSpectrometry in the C10H22/C10D22 system. Two independent methodshave never been used on the same system in this contextbefore. The methods gave the same ratio of protiated to deuteratedradicals. 2. The isotope effect in the production of hydrogen gas has beenstudied with Mass Spectrometry in the C10H22/C10D22 system. 3. The amount of reactive D-atoms has been measured in C10D22 using an olefin, C10H20, as a scavanger. 4. The effect of an electron scavenger, C8H16Cl2, in C10H22 has been investigated. Two processes for the explanation of the isotope effects are discussed. a. transfer of excitation energy b. selective abstraction. The results show that reactive D-atoms are present in the C10D22 system and suggest that the isotope effects can be explained by selectiveabstraction. The effect of the electron scavenger can beexplained by energy transfer, but not entirely by selective abstraction. In the second part of the thesis, a method to simulate Electron SpinResonance spectra for the case of a Hamiltonian containing nuclearinteractions is described. The method has been applied to the S = 1 case. It is suggested that the method can be generalized to an arbitraryelectronic spin state, and to include second order nuclear corrections. / digitalisering@umu