Macromolecular complexes, also termed molecular machines, facilitate a large spectrum of biological reactions and tasks crucial to the survival of cells. These complexes are composed of either protein only, or proteins bound to nucleic acids (DNA or RNA). Prominent examples for each class are the proteosome, the nucleosome and the ribosome. How such units are assembled within the context of a living cell is a central question in molecular biology. Earlier studies had indicated that even very large complexes such as ribosomes could be reconstituted from purified constituents in vitro. The structural information required for the formation of macromolecular complexes, hence, lies within the subunits itself and, thus, allow for self- assembly. However, increasing evidence suggests that in vivo many macromolecular complexes do not form spontaneously but require assisting factors (“assembly chaperones”) for their maturation. In this thesis the assembly of RNA-protein (RNP) complexes has been studied by a combination of biochemical and structural approaches. A resourceful model system to study this process is the biogenesis pathway of the uridine-rich small nuclear ribonucleoproteins (U snRNPs) of the spliceosome. This molecular machine catalyzes pre-mRNA splicing, i.e. the removal of non-coding introns and the joining of coding exons to functional mRNA. The composition and architecture of U snRNPs is well defined, also, the nucleo-cytoplasmic transport events enabling the formation of these particles in vivo have been analyzed in some detail. Furthermore, recent studies suggest that the formation of U snRNPs in vivo is mediated by an elaborate assembly machinery consisting of protein arginine methyltransferase (PRMT5)- and survival motor neuron (SMN)-complexes. The elucidation of the reaction mechanism of cellular U snRNP assembly would serve as a paradigm for our understanding of how RNA-protein complexes are formed in the cellular environment. The following key findings were obtained as part of this study: 1) Efforts were made to establish a full inventory of the subunits of the SMN-complex. This was achieved by the biochemical definition and characterization of an atypical component of this complex, the unrip protein. This protein is associated with the SMN-complex exclusively in the cytoplasm and influences its subcellular localization. 2) With a full inventory of the components in hand, the architecture of the SMN-complex was defined on the basis of an interaction map of all subunits. This study elucidated that the proteins SMN, Gemin7 and Gemin8 form a backbone, onto which the remaining subunits adhere in a modular manner. 3) The two studies mentioned above formed the basis to elucidate the reaction mechanism of cellular U snRNP assembly. Initially, an early phase in the SMN-assisted formation of U snRNPs was analyzed. Two subunits of the U7 snRNP (LSm10 and 11) were found to interact with the PRMT5-complex, without being methylated. This report suggests that the stimulatory role of the PRMT5-complex is independent of its methylation activity. 4) Key reaction intermediates in U snRNP assembly were found and characterized by a combination of biochemistry and structural studies. Initially, a precursor to U snRNPs with a sedimentation coefficient of 6S is formed by the pICln subunit of the PRMT5-complex and Sm proteins. This intermediate was shown to constitute a kinetic trap in the U snRNP assembly reaction. Progression towards the assembled U snRNP depends on the activity of the SMN-complex, which acts as a catalyst. The formation of U snRNPs is shown to be structurally similar to the way clamps are deposited onto DNA to tether poorly processive polymerases. 5) The human SMN-complex is composed of several subunits. However, it is unknown whether all subunits of this entity are essential for U snRNP assembly. A combination of bioinformatics and biochemistry was applied to tackle this question. By mining databases containing whole-genome assemblies, the SMN-Gemin2 heterodimer is recognized as the most ancestral form of the SMN-complex. Biochemical purification of the Drosophila melanogaster SMN-complex reveals that this complex is composed of the same two subunits. Furthermore, evidence is provided that the SMN-Gemin2 heterodimer is necessary and sufficient to promote faithful U snRNP assembly. Future studies will adress further details in the reaction mechanism of cellular U snRNP assembly. The results obtained in this thesis suggest that the SMN and Gemin2 subunits are sufficient to promote U snRNP formation. What then is the function of the remaining subunits of the SMN-complex? The reconstitution schemes established in this thesis will be instrumental to address this question. Furthermore, additional mechanistic insights into the U snRNP assembly reaction will require the elucidation of structures of the assembly machinery trapped at various states. The prerequisite for these structural studies, the capability to generate homogenous complexes in sufficient amounts, has been accomplished in this thesis. / Makromolekulare Komplexe, auch molekulare Maschinen genannt, ermöglichen eine grosse Vielfalt biologischer Reaktionen und Aufgaben, die für das Überleben von Organismen kritisch sind. Diese Komplexe bestehen entweder nur aus Protein, oder setzen sich aus Protein und Nukleinsäure (DNA oder RNA) zusammen. Prominente Beispiele für diese Klassen molekularer Maschinen sind das Proteosom, das Nukleosom oder das Ribosom. Wie sich solche Einheiten innerhalb einer Zelle zusammenlagern ist eine grundlegende Frage der Molekularbiologie. Frühere Studien hatten angeduetet, dass es möglich ist sogar sehr grosse Komplexe wie das Ribosom in vitro aus gereinigten Bestandteilen zu einem aktiven Partikel zu rekonstruieren. Die Strukturinformation, die für die Bildung von makromolekularen Komplexen erforderlich ist, liegt also in den Untereinheiten selbst. Im Gegensatz dazu mehren sich heute die Hinweise dafür, dass sich viele makromolekulare Komplexe nicht spontan zusammenlagern, sondern die Aktivität assistierender Faktoren („Assembly Chaperone“) für ihre Reifung benötigen. In dieser Arbeit wurde der Zusammenbau von RNA-Protein (RNP) Partikeln durch eine Kombination aus Biochemie und Strukturbiologie untersucht. Ein ergiebiges System, um diesen Prozess zu studieren, ist die Biogenese der RNPs (U snRNPs) des Spleissosoms. Aufgabe dieser molekularen Maschine ist das Herausschneiden nicht-kodierender Introns und das Zusammenfügen kodiereneder Exons um so funktionelle mRNA zu bilden. Die Zusammensetzung und Architektur von U snRNPs sind gut definiert. Auch ist der Kern- Zytoplasma Transport, der für die Reifung dieser Partikel notwendig sind, detailliert beschrieben worden. Außerdem weisen neueste Studien darauf hin, dass die Bildung von U snRNPs in vivo durch eine komplexe Maschinerie, die aus den Protein-Arginin- Methyltransferase 5 (PRMT5)- und Survival-Motor-Neuron (SMN)- Komplexen besteht, vermittelt wird. Die Entschlüsselung des Reaktionsmechanismus des zellulärem U snRNP Zusammenbaus würde als Musterbeispiel für unser Verständnis dienen, wie RNPs in einer Zelle gebildet werden. Folgende Erkenntnisse wurden in dieser Arbeit gewonnen: 1) Es wurde zunächst versucht eine komplette Bestandsliste der Untereinheiten des SMN-Komplexes zu erstellen. Dies wurde durch die biochemische Definition und Charakterisierung einer atypischen Komponente dieses Komplexes, des Unrip Proteins, erreicht. Dieses Protein bindet ausschliesslich im Zytoplasma an den SMN-Komplex und beeinflusst dessen subzelluläre Lokalisation. 2) Die komplette Inventarisierung des SMN-Komplexes ermöglichte die Untersuchung der Wechselwirkung aller Untereinheiten und somit die Untersuchung seiner Architektur. Diese Studie zeigte, dass die Proteine SMN, Gemin7 und Gemin8 das Rückgrat des SMN-Komplexes bilden auf dem die restlichen Untereinheiten modular angeordnet werden. 3) Die zwei oben erwähnten Studien bildeten die Grundlage, den Reaktionsmechanismus zellulärer U snRNP Zusammenlagerung zu entschlüsseln. Zunächst wurde eine frühe Phase im SMN-vermittelten U snRNP Zusammenbau analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass zwei Untereinheiten des U7 snRNP (LSm10 und 11) mit dem PRMT5-Komplex wechselwirken, ohne methyliert zu werden. Dies deutet darauf hin, dass die unterstützende Rolle des PRMT5-Komplexes von seiner Methylierungsaktivität unabhängig ist. 4) Schlüsselintermediate im Zusammenschluss von U snRNPs wurden identifiziert und durch eine Kombination von Biochemie und Strukturbiologie charakterisiert. In einer ersten Stufe bildet sich ein Vorgänger von U snRNPs mit einem Sedimentationskoeffizienten von 6S aus. Dieses Intermediat, bestehend aus pICln (einer Untereinheit des PRMT5-Komplexes) und Sm Proteinen, stellt eine kinetische Falle in der U snRNP Zusammenlagerung dar. Das Voranschreiten zum maturen U snRNP hängt von der Aktivität des SMN-Komplexes ab, der als Katalysator wirkt. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Ausbildung von U snRNPs strukturell ähnlich zu der Reaktion verläuft, die Polymerasen mit geringer Prozessivität an der DNA verankert und die als „clamp-loading“ bezeichnet wird. 5) Der menschliche SMN-Komplex setzt sich aus mehreren Untereinheiten zusammen. Es ist jedoch unbekannt, ob alle Teile des Komplexes für die Zusammenlagerung von U snRNPs notwendig sind. Diese Frage wurde durch eine Kombination aus Bioinformatik und Biochemie adressiert. Durch Datenbanksuchen in komplett sequenzierten Genomen wurde festgestellt, dass die evolutionär ursprüngliche Form des SMN-Komplexes aus den zwei Proteinen SMN und Gemin2 besteht. Die biochemische Reinigung des Komplexes der Taufliege Drosophila melanogaster offenbarte, dass er auch in diesem Organismus aus denselben zwei Untereinheiten zusammengebaut ist. Außerdem wurde der Beweis erbracht, dass das SMN-Gemin2 heterodimer notwendig und hinreichend ist, um U snRNPs akkurat zusammenzulagern. Zukünftige Studien werden weitere detaillierte Ansichten des Reaktionsmechanismus in der zellulären Zusammenlagerung von U snRNPs liefern. Die Ergebnisse, die in der vorliegenden Arbeit erhalten wurden, deuten darauf hin, dass die Untereinheiten SMN und Gemin2 des SMN-Komplexes für den Zusammenbau von U snRNPs hinreichend sind. Was also ist die Funktion der weiteren Untereinheiten des SMN-Komplexes? Die Rekonstitutionsschemata, die in dieser Arbeit etabliert wurden, werden essentiell für die Beantwortung dieser Frage sein. Darüberhinaus werden weitere mechanistische Einsichten in die Zusammenlagerung von U snRNPs von der Ermittlung von Strukturen der Assembly-Maschinerie in verschiedenen Zuständen abhängen. Die Voraussetzung für diese strukturbiologische Untersuchungen, die Möglichkeit ausreichende Mengen homogener Komplexe herzustellen, ist ebenfalls in dieser Arbeit geschaffen worden.

Sensitive polymers change their conformation in response to even a little change in the environmental conditions, e. g. temperature, pH value, concentration of a second component, or light. Crosslinking of these polymers and their swelling in water forms smart hydrogels (intelligent hydrogels). Different shapes and dimensions are possible: bulk gel, thin layers, intraor intermolecular crosslinked globular particles. Smart hydrogels display two important properties: Their volume (swelling degree) depends on the environment and can be switched between two states. The gels can thus be used as actuators. As the change in the gel properties is stimulated by changes in the environment, the gels can also be used as sensors. Smart hydrogels are suitable for applications in microsystems, and gel particles are potential carriers for drugs in the human body. / Umgebungssensitive Polymere ändern in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel dem Licht, der Temperatur, dem pH-Wert oder der Konzentration einer zweiten Komponente neben dem Polymer, drastisch ihre Molekülgestalt. Vernetzt und in Wasser gequollen, bilden sie sogenannte smarte Hydrogele. Dabei werden die Besonderheiten eines Makromoleküls, dessen Eigenschaften durch die Umgebung beeinflusst werden, auf ein polymeres Material übertragen. Dies kann ein großer Körper, eine dünne Schicht oder ein Nanopartikel sein. Das Volumen der smarten Hydrogele kann zwischen zwei Zuständen geschaltet werden. Dabei können die Hydrogele wie Aktoren eine Kraft ausüben. Da das Schalten durch die Umgebung stimuliert wird, sind sie als Sensoren verwendbar. Die Polymerstrukturen sind miniaturisierbar, sodass smarte Hydrogele als Komponenten in Mikrosystemen angewendet werden können. Zum Beispiel werden die Partikel zur kontrollierten Abgabe von Arzneimittelwirkstoffen verwendet.

Sensitive polymers change their conformation in response to even a little change in the environmental conditions, e. g. temperature, pH value, concentration of a second component, or light. Crosslinking of these polymers and their swelling in water forms smart hydrogels (intelligent hydrogels). Different shapes and dimensions are possible: bulk gel, thin layers, intraor intermolecular crosslinked globular particles. Smart hydrogels display two important properties: Their volume (swelling degree) depends on the environment and can be switched between two states. The gels can thus be used as actuators. As the change in the gel properties is stimulated by changes in the environment, the gels can also be used as sensors. Smart hydrogels are suitable for applications in microsystems, and gel particles are potential carriers for drugs in the human body. / Umgebungssensitive Polymere ändern in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel dem Licht, der Temperatur, dem pH-Wert oder der Konzentration einer zweiten Komponente neben dem Polymer, drastisch ihre Molekülgestalt. Vernetzt und in Wasser gequollen, bilden sie sogenannte smarte Hydrogele. Dabei werden die Besonderheiten eines Makromoleküls, dessen Eigenschaften durch die Umgebung beeinflusst werden, auf ein polymeres Material übertragen. Dies kann ein großer Körper, eine dünne Schicht oder ein Nanopartikel sein. Das Volumen der smarten Hydrogele kann zwischen zwei Zuständen geschaltet werden. Dabei können die Hydrogele wie Aktoren eine Kraft ausüben. Da das Schalten durch die Umgebung stimuliert wird, sind sie als Sensoren verwendbar. Die Polymerstrukturen sind miniaturisierbar, sodass smarte Hydrogele als Komponenten in Mikrosystemen angewendet werden können. Zum Beispiel werden die Partikel zur kontrollierten Abgabe von Arzneimittelwirkstoffen verwendet.

Die vorliegende Arbeit präsentiert eine umfassende Untersuchung zu einem speziellen lichtempfindlichen Makromolekül: ein Azobenzol Photoschalter, eingebettet in den Hauptstrang eines synthetischen stäbchenförmigen Polymers. Dazu wurden die Polymere zunächst aus Lösung auf eine Einfachlage Octadecylamin (ODA) aufgebracht, welche auf einer Oberfläche von hochgeordnetem pyrolytischem Graphit (HOPG) lag. Die besondere Eigenschaft der amphiphilen ODAs, sich in Nanolamellen anzuordnen, diente nicht nur der Immobilisierung und Isolierung der stabförmigen Polymere, sondern auch deren Orientierung auf der Oberfläche. Diese Orientierung, insbesondere die Ausrichtung relativ zu den Lamellen, wurde mit einem Modell, basierend auf den hydrophoben W echselwirkungen zwischen den Seitenketten der Polymere und der amphiphilen Unterlage aus ODA, untersucht. Mittels SFM konnte die Kontraktion beziehungsweise Expansion bei Belichtung mit UV- oder sichtbarem Licht untersucht werden. In zeitaufgelösten Messungen wurden lichtinduzierte morphologische Änderungen in Abhängigkeit von der Belichtungszeit der Polymere gemessen. Dies verdeutlichte die lichtinduzierte Bewegung dieser Strukturen innerhalb der Makromoleküle und offenbarte eine kriechende Fortbewegung der Polymere über die Oberfläche. Polymere, die auf Oberflächendefekten nur schwach gebunden waren, änderten ihre Orientierung bei Belichtung zufällig. Daraus schlussfolgere ich, dass die wohldefinierte lokale Umgebung mit Korngrenzen oder Lamellen eine wichtige Rolle als Templat spielt und die Bewegungsrichtung maßgeblich bestimmt. Die entwickelte experimentelle Methode kann verwendet werden, um die Wechselwirkungen zwischen Oberfläche und Polymer zu optimieren, und die anschließende Untersuchung von lichtinduzierten Bewegung der Makromoleküle kann die Entwicklung neuartiger optomechanischer Nanosysteme ermöglichen. / This work presents a comprehensive investigation of one particular photoresponsive macromolecule: Azobenzene photoswitches incorporated into the backbone of synthetic rigid-rod polymers. Firstly, the polymers were deposited from solution onto a monolayer of octadecylamine (ODA) covering the basal plane of highly oriented pyrolytic graphite (HOPG). The unique ODA amphiphilic nanorails, self- assembled on HOPG, served not only to immobilize and isolate the polymers, but also to orient them on the surface. The orientations of rod- like polymers on an ODA surface, i.e., predominally perpendicular or parallel with respect to the underlying lamellar surface, were analyzed with a model based on the hydrophobic interaction of the side chains of the polymers with the amphiphilic nanorails of the ODA molecules. Upon the irradiations with UV and visible light, respectively, large light- induced contractions and extensions of the single macromolecules have been visualized by SFM. An SFM’s time-laps study of morphological changes of polymers at different irradiating times also detailed the light-induced movements within the macromolecules and a crawling movement across the surface. For weakly adsorbed polymers on surface defects, those surface-directed folding/unfolding (or contracting/extending) movements exhibited a random change in orientation. Thus, I conclude, that well-defined local environments, such as domain boundaries or lamellae within the ODA monolayer, play important roles in the template that directs the folding and unfolding movements of polymers during irradiation. The developed setup allows to promote the development of optomechanical nanosystems by optimizing the interaction between single macromolecules and ODA surfaces, followed by visualization of light- induced, on-surface motions of single macromolecules.

Im ersten Teil der Arbeit werden Graphen sowie von Monolagen von auf Nanometer großen Graphenen basierenden Hexa-peri(Dodekyl)-Hexabenzocoronen-Molekülen (HBC-C12), adsorbiert auf Graphen, mit Rastertunnelmikroskopie und –spektroskopie an der Fest-Flüssig-Grenzfläche untersucht. Nanographen-Moleküle selbstaggregieren epitaktisch zu hochgeordneten Monolagen. Die Einheitszellen der Moleküllagen auf Monolage Graphen, Bilage Graphen und auf Graphit sind ununterscheidbar. Die Strukturen der Moleküllagen auf gewellten und flachen Teilen des Graphens stimmen überein. Strom-Spannungs-Kennlinien an Nanographen auf Graphen und auf Graphit weisen auf sehr ähnliche elektronische Eigenschaften hin. Zusammengefasst sind strukturelle sowie elektronische Eigenschaften der Nanographenlage homogen, stabil und definiert. Graphen erweist sich als bestens als Substrat und gleichzeitig als Elektrode für hochgeordnete Lagen von Nanographen-Molekülen geeignet. Im zweiten Teil der Arbeit wird Graphen mit der Sonde eines Rasterkraftmikroskops im Kontaktmodus mechanisch manipuliert. Es wird gezeigt, dass Graphen in nur einem Manipulationsschritt zu Streifen und Spalt geschnitten werden kann. Dieses Verhalten wird mit einem klassischen Modell des Biegens theoretisch erklärt. Das Schnittverhalten liegt in der 2-Dimensionalität des Graphens sowie in dessen Faltbarkeit auf Grund hinreichender Elastizität begründet. Durch mechanische Manipulation mit der Sonde des Rasterkraftmikroskops im Kontaktmodus unter atmosphärischen Bedingungen wird eine Flüssigkeitsschicht zwischen Graphen und dem Siliziumdioxidsubstrat nachgewiesen, welche eine mögliche Erklärung des stark kraftabhängigen Materialkontrasts zwischen Graphen und Siliziumdioxid im Amplitudenmodulationsmodus des Rasterkraftmikroskops darstellt. Weiter wird gezeigt, dass das Falten des Graphens durch mechanische Manipulation eine geeignete Methode zur Herstellung nicht epitaktisch aufeinander gestapelter Graphene darstellt. / In the first part of the thesis graphene as well as monolayers of hexa-peri(dodecyl)-hexabenzocoronene molecules (HBC-C12) based on nanometer sized graphenes adsorbed on graphene is investigated by scanning tunnelling microscopy and tunneling spectroscopy at the solid-liquid interface. The nanographene molecules self-assemble on graphene epitaxially to form highly ordered monolayers. The unit cells of the molecular layers on monolayer graphene, bilayer graphene and on graphite appear identical. The structures of the molecular layers occur equal on corrugated and on flat parts of graphene. Current-voltage-characteristics show that the electronic properties of nanographene on graphene and on graphite are very similar. Summarized, structural as well as electronic properties of the nanographene layer are homogeneous, stable and defined. Graphene proves to be excellently qualified for simultaneously being substrate as well as electrode for highly ordered layers of nanographene based molecules. In the second part of the thesis graphene is mechanically manipulated in air in contact mode of a scanning force microscope. It is shown that a single manipulation process can lead to a stripe cut out of graphene. This behaviour is theoretically explained by a classical bending model. The cutting behavior originates from the 2-dimensionality of graphene and its folding ability because of sufficient elasticity. A liquid layer between graphene and the silicon dioxide substrate is verified by mechanical manipulation in contact mode of a scanning force microscope. Hence a possible explanation could be found for the strongly force dependent material contrast between graphene and silicon dioxide in amplitude modulation mode of the scanning force microscope. Further, it is demonstrated that folding graphene by mechanical manipulation is a proper method for the production of graphene stacked on each other non-epitaxially.

Die Elektronen-Spin-Resonanz-Spektroskopie (ESR) in Verbindung mit ortsspezifischer Spinmarkierung stellt eine hervorragende Möglichkeit dar, um die Struktur und Dynamik von Proteinen aufzuklären. In dieser Dissertation wurden mit Hilfe der Hochfeld-ESR-Spektroskopie (W-Band, 95 GHz, T=160 K) für dreizehn spinmarkierte Colicin A Proben die Polarität und die Protizität der Umgebung der Spinlabelbindestelle bestimmt. Wasserzugänglichkeiten und Wasserstoffbrückenbindungen zum Spinlabel wurden mittels Puls-ESR Methoden (3-Puls-D-ESEEM und Hahn-Echozerfall) bestimmt und die Ergebnisse mit den Polaritäts- und Protizitätswerten korreliert. Raumtemperaturspektren dieser Proben im X-Band (9.5 GHz), Q-Band (34 GHz) und W-Band (95 GHz) liefern Informationen über die Spinlabelbewegung. Mit Hilfe von Molekulardynamiksimulationen (MD) der spinmarkierten kanalbildenden Domäne von Colicin A konnten die Konformationen (Rotameranalyse) und die Dynamik der Spinlabelseitenketten in den unterschiedlichen Umgebungen charakterisiert werden. Der Vergleich der experimentellen mit den aus MD-Trajektorien berechneten ESR-Spektren liefert die Beiträge der unterschiedlichen Rotamerübergänge, die für die beobachteten Spektrenformen charakteristisch sind.