My thesis is divided into five chapters, starting with a general introduction in first chapter and sample preparation and protein-NMR assignment techniques in second chapter. The remaining three chapters focus on three different areas/projects that I have worked on. Chapter 1: Introduction to nanomaterials and all the experimental techniques This chapter reviews different kinds of nanomaterials and their application utilized for protein-nanomaterial interaction in our study, along with the introduction to different spectroscopy and microscopy techniques used for the interaction studies. Starting with introduction of nanomaterials and all the experimental techniques, which constitute the arsenal for structural studies of the protein-nanomaterial interaction, different steps enroute to structural and dynamic interaction are outlined in detail. Chapter 2: Preparation and Characterization of Proteins used for nanomaterial interaction studies Proteins are generally of three kinds- globular (structured), intrinsically disordered and membrane bound. These proteins have different functions in living organisms and play a major role to maintain metabolism and other important factors. To probe protein-nanomaterial interactions, we have chosen different protein/peptides. This chapter describes the protocol/procedure used for purifying the proteins. For studying a globular protein, ubiquitin was chosen. Nanomaterial-IDP interaction was investigated using the intrinsically disordered central linker domain of human insulin like growth factor binding protein-2 (L-hIGFBP2). The hydrophobic membrane interacting part of the prion protein was chosen as a representative membrane protein. The characterization of the proteins by NMR spectroscopy is also described. Chapter 3: A nanomaterial based novel macromolecular crowding agent Carbon quantum dots (CQD) are nanomaterials with size less than 10 nm, first obtained in 2004 during purification of single-walled carbon-nanotubes. Since then CQDs have been used in a wide range of applications due to their low cost of preparation and favorable properties such as chemical inertness, biocompatibility, non-toxicity and solubility in aqueous medium. One of the applications of CQDs has been their use for imaging and tracking proteins inside cells, based on their intrinsic fluorescence. Further, quantum dots exhibit concentration dependent aggregation while retaining their solubility. Fluorescent carbon quantum dots (CQD) induce macromolecular crowding making them suitable for probing the structure, function and dynamics of both hydrophilic and hydrophobic peptides/ proteins under near in-cell conditions. We have prepared hydrophilic and hydrophobic quantum dots to see the crowding effect. After characterization of CQD, we tested the property of proteins with CQD and found that CQD behaves as a macromolecular crowding agent by mimicking near in-cell conditions. In our study, we have chosen a globular protein, an intrinsically disordered protein (IDP) and one hydrophobic membrane peptide. We have also compared the crowding property of CQD with ficoll which is widely used commercial crowding agent. The overall study tells that the CQD acts like crowding agent and can be used for the study of macromolecular crowding effect. This makes them suitable for structural and functional studies of proteins in near in-cell conditions. Chapter 4: Ubiquitin-Graphene oxide interactions Described here is the interaction of human ubiquitin with GO using NMR spectroscopy and other techniques such as Fluorescence spectroscopy, isothermal titration calorimetry (ITC), UV-Visible spectroscopy, dynamic light scattering (DLS), zeta potential measurements and transmission electron microscopy (TEM). The globular protein ubiquitin interacts with GO and undergoes a dynamic and reversible association-dissociation in a fast exchange regimen as revealed by NMR spectroscopy. The conformation of the protein is not affected and the primary interaction is seen to be electrostatic in nature due to the polar functional groups present on the protein and GO sheet surface. For the first time we have shown that the interaction between ubiquitin and GO is dynamic in nature with fast and reversible adsorption/desorption of protein from the surface of GO. This insight will help in understanding the mechanistic aspects of interaction of GO with cellular proteins and will help in designing appropriate functionalized graphene oxide for its biological application. Chapter 5: Section A: Interaction of an intrinsically disordered protein (L-HIGFBP2) with graphene oxide The interaction between intrinsically disordered linker domain of human insulin-like growth factor binding protein-2 (L-hIGFBP2) with GO was studied using NMR spectroscopy and other techniques such as isothermal titration calorimetry (ITC), dynamic light scattering (DLS), zeta-potential measurements. The study revealed that the disordered protein L-hIGFBP2 interacts with GO through electrostatic interaction and undergoes a dynamic and reversible association-dissociation in a fast exchange regime. The conformation of the protein is not affected. Section B: Stability of an Intrinsically disordered protein through weak interaction with Silver nanoparticles Using NMR spectroscopy and other techniques we probed the mechanism of L-hIGFBP2–AgNP interactions which render the IDP stable. The study reveals a mechanism which involves a relatively fast and reversible association–dissociation of L-hIGFBP2 (dynamic exchange) from the surface of AgNP. The AgNP–L-hIGFBP2 complex remains stable for more than a month. The techniques employed in addition to NMR include UV-Visible spectroscopy, dynamic light scattering (DLS), zeta potential measurements and transmission electron microscopy (TEM) to probe the protein-AgNP interaction here in this section.

Ce travail présente la synthèse, la caractérisation et l’utilisation (transfert électronique photo-induit) de foldamères de taille nanométriques constitués d’unité quinolines. Grâce a une stratégie de synthèse de doublement de segment une grande variété d’oligomères (jusqu’à 96 unités) ont pu être préparé à partir du synthon 8 aminoquinoline-2-carboxylate.Leurs propriétés dynamiques de ces objets ont été étudiées en solution et en phase gazeuse. La spectrométrie de masse de mobilité ionique a permis de déterminer leur conformation en phase gazeuse. Les expériences de RMN DOSY et d’anisotropie de Fluorescence ont permis de déterminer leurs propriétés de diffusion (transrationnelle et rotationnelle). Ces résultats ont révélés qui ces foldamères sont rigides et que leur architecture hélicoïdale est conservée.Le transport électronique photo-induit à travers ces foldamères de taille nanométrique ont été étudié et le mécanisme de transfert ainsi que son efficacité ont été déterminé pour une série de composés de tailles variables. / Herein, synthesis, characterization and application (photoinduced electron transport) of nanosized quinoline-based foldamers have been explored. With double segment strategy, a variety of helical nanosized foldamers (up to 96 quinoline units) were successfully prepared based on 8-aminoquinoline-2-carboxylic acid monomer.The dynamic properties in gas phase and solution were investigated. Ion mobility mass spectrometry afforded access to the conformation state of foldamers ingas phase; DOSY and fluorescence anisotropy assessed the diffusion (translational and rotational, respectively) of foldamers in solution. All of these techniques revealed that quinoline-based foldamers are rigid and that helical conformation is conserved. Photoinduced electron transport through nanosized foldamer was also studied and the mechanism and the transport ratios were revealed.

Die Copolymerisation wurde mit dem Ziel untersucht, polymere Materialien zu synthetisieren, die die individuellen Eigenschaften der entsprechenden Homopolymere kombinieren. Die Dissertation konzentrierte sich auf die Elektrosynthese und Charakterisierung von leitfähigen Copolymerfilmen auf Basis von Pyrrol- und Thiophenderivaten. Mit einer Reihe von elektrochemischen, spektroskopischen und mikroskopischen Untersuchungsmethoden (Zyklovoltammetrie, elektrochemische Impedanz-spektroskopie, photoelektrochemische Spektroskopie, Elektrospray- Ionisations-Massenspektroskopie, Festkörper- NMR, Raman-Spektroskopie, Thermoanalyse und Rasterelektronenmikroskopie) wurde die Bildung echter Copolymere von Pyrrol mit Bithiophen und von 3-Methylthiophen mit Ethyl-3-thiophenazetat nachgewiesen. Die analytischen Ergebnisse bestätigen, dass Random- Copolymere und keine Block-Copolymere gebildet wurden. Die elektronischen und strukturellen Eigenschaften der Copolymerfilme liegen zwischen denen der jeweiligen Homopolymere und sind abhängig von der Copolymerzusammensetzung. Insbesondere die Halbleiterparameter der Copolymerfilme von Pyrrol mit Bithiophen wie Flachband-Potential, Bandlücken-Energie und Ladungsträgerdichte verschieben sich von denen des reinen Polypyrrols bis zum Polybithiophen, wenn der Gehalt an Bithiophen im Copolymerfilm vergrößert wird. Diese Parameter sind einstellbar durch Variation des Monomerverhältnisses oder des Polymerisationspotentials. Außerdem konnten die strukturellen und elektronischen Eigenschaften des funktionalisierten Polymers Ethyl-3-thiophenazetat durch Copolymerisation mit 3-Methylthiophen deutlich verbessert werden. Die synthetisierten leitfähigen Copolymerfilme können in der Sensorik Anwendung finden. / The copolymerization has been studied as a new strategy to synthesize polymer materials by combining interesting properties of the respective homopolymers. In this dissertation, the work focused on the electrosynthesis and characterization of conducting copolymer films based on pyrrole and thiophene derivatives. A variety of electrochemical, spectroscopic and microscopic techniques such as cyclic voltammetry, electrochemical impedance and photoelectrochemical spectroscopy, electrospray ionization mass spectroscopy, solid state NMR and Raman spectroscopy, thermal analysis and scanning electron microscopy supported the formation of true copolymers of pyrrole with bithiophene and 3-methylthiophene with ethyl-3-thiophene acetate. The analytical results exhibited that random copolymers were produced rather than block copolymers. The electronic and structural characteristics of the copolymer films were intermediate between those of the respective homopolymers and they were dependent on the copolymer composition. In particular, the semiconducting parameters of the copolymer films of pyrrole and bithiophene such as flat band potential, band gap energy and charge carrier density shifted from those of polypyrrole to polybithiophene with increasing bithiophene content of the copolymer films. Such parameters were controlled precisely by alternating either the monomer ratio or the polymerization potential. In addition, the morphological and electronic properties of the functionalized polymers of ethyl-3-thiophene acetate were increased significantly by copolymerization with 3-methylthiophene. The obtained conducting copolymer films were able to be applied in the field of sensoric.

Ce travail de thèse a été consacré au développement de nouvelles méthodologies de caractérisation des affinités intermoléculaires par le biais de la calorimétrie de titration isotherme (ITC), après validation de systèmes modèles par l'intermédiaire des spectroscopies UV-visible, RMN et de l'électrophorèse capillaire. Nous avons en particulier montré que la mise en place et le couplage d'expériences non conventionnelles avec les protocoles classiques permettait d'améliorer la caractérisation calorimétrique, avec notamment une diminution parfois spectaculaire des incertitudes liées aux paramètres thermodynamiques. Ce potentiel de l'analyse globale d'expériences différenciées a été évalué sur un plan théorique, permettant ainsi la définition et l'optimisation des expériences à mettre en oeuvre en fonction du type de complexe étudié. L'exploitation expérimentale de ces stratégies a également permis l'étude de complexations problématiques sur le plan analytique, dans le cadre de complexes impliquant des molécules telles que les cyclodextrines ou l'albumine, et s'inscrivant dans des applications liés aux domaines de l'environnement et de la santé. Ainsi, nos stratégies ont levé les difficultés liées aux complexes athermiques, aux complexes de faibles affinités, aux équilibres multiples et aux faibles solubilités de l'un ou l'autre des partenaires de la complexation. Enfin, l'évaluation d'un nouveau modèle de traitement thermo-cinétique du thermogramme ITC a été réalisée, accroissant encore le potentiel de cette technique vis-à-vis de la caractérisation des interactions moléculaires. / This work was dedicated to the development of new isothermal titration calorimetry (ITC) methodologies for the characterization of intramolecula affinities, after validation of model system via capillary electrophoresis, UV-visible and NMR spectroscopy. We have demonstrated that the coupling of unconventional experiments with the conventional protocols generally improves the calorimetric characterization, with a dramatic decrease of the uncertainties on thermodynamic parameters. The potential of global analysis applied to differentiated experiments was evaluated on a theoretical level, allowing the definition of optimal experiments, depending on the type of studied complex. These strategies also enabled, on a experimental point of view, the study of complexations which cannot be analyzed by conventional approaches, in the case of complexes involving cyclodextrins or albumin. Indeed, our strategies overcomes the difficulties associated with athermic complexes, with complexes of low affinity, with multiple equilibria and with the low solubility of interacting partners. Finally, the evaluation of a new thermo-kinetic treatment of ITC thermograms has been achieved, further increasing the potential of this technique in the characterization of molecular interactions.

A series of Fe2+ spin crossover (SCO) complexes [Fe(5/6)]2+ employing hexadentate ligands (5/6) with cis/trans-1,2-diamino cyclohexanes (4) as central building blocks were synthesised. The ligands were obtained by reductive amination of 4 with 2,2′-bipyridyl-6-carbaldehyde or 1,10-phenanthroline-2-carbaldehyde 3. The chelating effect and the rigid structure of the ligands 5/6 lead to exceptionally robust Fe2+ and Zn2+ complexes conserving their structure even in coordinating solvents like dmso at high temperatures. Their solution behavior was investigated using variable temperature (VT) 1H NMR spectroscopy and VT Vis spectroscopy. SCO behavior was found for all Fe2+ complexes in this series centred around and far above room temperature. For the first time we have demonstrated that the thermodynamics as well as kinetics for SCO can be deduced by using VT 1H NMR spectroscopy. An alternative scheme using a linear correction term C1 to model chemical shifts for Fe2+ SCO complexes is presented. The rate constant for the SCO of [Fe(rac-trans-5)]2+ obtained by VT 1H NMR was validated by Laser Flash Photolysis (LFP), with excellent agreement (1/(kHL + kLH) = 33.7/35.8 ns for NMR/LFP). The solvent dependence of the transition temperature T1/2 and the solvatochromism of complex [Fe(rac-trans-5)]2+ were ascribed to hydrogen bond formation of the secondary amine to the solvent. Enantiomerically pure complexes can be prepared starting with R,R- or S,S-1,2-diaminocyclohexane (R,R-trans-4 or S,S-trans-4). The high robustness of the complexes reduces a possible ligand scrambling and allows preparation of quasiracemic crystals of [Zn(R,R-5)][Fe(S,S-5)](ClO4)4·(CH3CN) composed of a 1 : 1 mixture of the Zn and Fe complexes with inverse chirality. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

According to the International Diabetes Federation (IDF), there were 371 million people in the age from 20 to 79 years worldwide affected by diabetes in 2012. This means diabetes has become a global epidemic disease and, therefore, the importace of insulin research still grows. Insulin is a protein hormone that plays a key role in regulating blood glucose level which has a widespread impact on whole metabolism. Insulin acts through binding of its monomeric form to the insulin receptor. It is clear that insulin monomer has to undergo structural changes upon binding to the insulin receptor as the residues which are crucial for the interaction are burried within the native form. According to studies of highly active hormone analogs and the new information about the insulin-insulin receptor complex, there is a strong evidence that the C-terminal part of the B-chain is a dynamic element in insulin activation and receptor binding. Probably, there is also a great importance of the B-chain N- terminus and the transition between T and R conformations of insulin. However, the exact significance of the T and R states of insulin still remains unclear. In this work, several new insulin analogs AibB3-insulin, AibB5-insulin, AibB8- insulin, N-MeAlaB8-insulin and D-ProB8-insulin were prepared for the purpose of...

Im Rahmen dieser Arbeit ist es durch die kombinierte Anwendung von P-31 Flüssigkeits (HR)- NMR-Spektroskopie sowie dynamischer Lichtstreuung (DLS) gelungen, die supramolekulare Struktur von mizellarem Casein aus ultrahocherhitzter (UHT) Milch unter dem Einfluss einer enzymatischen Vernetzung mittels mikrobieller Transglutaminase (mTG) zu charakterisieren. Die P-31 HR NMR-Spektroskopie erweist sich dabei als hervorragende Methode, um sowohl den Einbau von Casein aus dem Milchserum in die mizellaren Aggregate durch die enzymatische Reaktion als auch die bevorzugte mTG Vernetzung des beta-Caseins nachzuweisen. Durch die Kombination von P-31 HR NMR-Spektroskopie und Messungen der dynamischen Lichtstreuung war es weiterhin möglich, das Vorliegen vernetzter Caseinaggregate in Dispersionen mTG-behandelter Caseine zu belegen und besonders den Anteil an nicht vernetztem Casein „sichtbar“ zu machen, der durch EDTA-Zugabe aus den mTG-vernetzten Caseinnetzwerken freigesetzt wird. Es zeigt sich, dass die Caseinnetzwerke nach der EDTA-Behandlung eine geringere Proteindichte als mizellares Casein aufweisen, da sie nur ca. 20 % des Serinphosphats des mizellaren Caseins enthalten. P-31 Festkörper-NMR-spektroskopische Messungen legen außerdem nahe, dass die Beweglichkeit des phosphorylierten Ser149-Restes des kappa-Caseins in der äußeren Schicht der mizellaren Caseinaggregate durch die mTG-Behandlung nicht wesentlich verändert wird. Um die erhaltenen Caseinnetzwerke im Hinblick auf ihr Anwendungspotential zu untersuchen, wurden sie als Proteinkomponente bei der biomimetischen Calciumphosphatfällung sowie als Trägerstrukturen für bioaktives Lysozym verwendet. Durch den Einsatz von Caseinnetzwerken als Fällungsmedium während der Präzipitation von Calciumphosphat (CaP) ist es gelungen, eine hydratisierte, apatitische Phase zu stabilisieren, die sowohl ungeordnete als auch kristalline Bereiche enthält und damit strukturelle Ähnlichkeit zu biologisch und besonders biomimetisch gebildetem Apatit besitzt. Die in den Präzipitaten ebenfalls vorhandenen Phosphoratome in einer relativ ungeordneten OCP (Octacalciumphosphat)-ähnlichen Umgebung stehen höchstwahrscheinlich mit der apatitischen Phase in räumlich engem Kontakt und sind damit entweder Bestandteil dieser Phase oder befinden sich in einer getrennten Phase, die jedoch mit der apatitischen Phase in Form eines Nanokomposits mit sehr kleinen, eng benachbarten Kristalliten vorliegt. Bei der Fällung des Caseinnetzwerk/CaP-Präzipitats wird ebenfalls eine Dicalciumphosphat-Dihydrat (DCPD)-Phase gebildet. Diese ist separiert von den anderen CaP-Phasen und tritt in wesentlich geringerem Maße auf als in einem reinen CaP-Präzipitat, das ohne Proteinkomponente gefällt wurde. Damit konnte gezeigt werden, dass unter Bedingungen, bei denen ohne Proteinkomponente größtenteils DCPD entsteht, die Caseinnetzwerke eine apatitische Phase stabilisieren, die strukturelle Ähnlichkeit zu biologisch und biomimetisch gebildetem Apatit aufweist. Die qualitativ gleichen Ergebnisse konnten für vergleichsweise untersuchtes unvernetztes Casein gefunden werden. Die Caseinnetzwerke zeigen jedoch in Bezug auf die apatitische Phase einen stärkeren Stabilisierungseffekt als unvernetztes Casein. Es ist denkbar, dass dies unter anderem darauf zurückzuführen ist, dass die Phosphatzentren in den Caseinnetzwerken im Gegensatz zu Casein frei von CaP-Brücken sind, da diese durch die EDTA-Behandlung entfernt wurden. Da die Caseinnetzwerke zudem eine geringere Proteindichte und damit eine höhere „Porosität“ als die mizellaren Caseinaggregate aufweisen, kann sich die apatitische Phase möglicherweise auch innerhalb der Netzwerke bilden, während dies für die mizellaren Caseinaggregate wahrscheinlich nur begrenzt möglich ist. In der vorliegenden Arbeit konnte ebenfalls gezeigt werden, dass sich Caseinnetzwerke grundsätzlich als Transportsysteme für Lysozym eignen, da sie eine hohe Stabilität aufweisen und erfolgreich mit Lysozym beladen werden können. Während die Assoziation von Lysozym mit mizellaren Caseinaggregaten, die aus UHT-Milch gewonnenen wurden, zu einem fast vollständigen Verlust der Lysozymaktivität führt, bleibt die Aktivität des Enzyms bei der Bindung an Caseinnetzwerke erhalten. Das Anwendungspotential der Caseinnetzwerk/Lysozym-Assoziate wurde im Rahmen von zahnmedizinischen Versuchen in vitro und in situ untersucht. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Caseinnetzwerk/Lysozym-Assoziate in vitro eine dauerhafte Immobilisierung des Lysozyms in der in situ gebildeten Pellikel bewirken. Eine deutliche Anreicherung des Enzyms in situ wird mithilfe der Caseinnetzwerke allerdings nicht beobachtet. Dies könnte darin begründet sein, dass die im Vergleich zu den in vitro vorgefundenen Verhältnissen deutlich komplexeren Bedingungen in situ zu einem selektiveren Anreicherungsprozess von Enzymen in der Pellikel führen.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese, Stabilität und Reaktivität von Hydridochlorosilan-Pyridin-Addukten (RHSiCl2, RSiCl3, SiCl4; mit R=H, Me und Ph). Hydridochlorosilane, die zu den wichtigsten industriell verwendeten Siliciumverbindungen gehören, bilden in unpolaren Lösungsmitteln durch Umsetzung mit Pyridinbasen stabile Hydridochlorosilan-Pyridin-Addukte in sehr hohen Reinheiten und Ausbeuten. Neben diesen Komplexierungsreaktionen werden auch Dismutations-, Dissoziations- und Hydrosilylierungsreaktionen genauer untersucht. Die Charakterisierung der Produkte erfolgte durch Lösungs- bzw. Festkörper-NMR- und Raman-Spektroskopie, Röntgendiffraktometrie sowie Elementaranalyse, sie wurde in ausgewählten Fällen durch DFT-Rechnungen unterstützt. Durch Variation sowohl des Silicium- als auch des Liganden-Substituentenmusters wurden Rückschlüsse auf die Stabilität und Reaktivität der Addukte erhalten. Die erzielten Ergebnisse vertiefen das Verständnis von Prozessabläufen zur Dismutation von Hydridochlorosilanen und ermöglichen eine bessere Kontrolle und Steuerung dieser Reaktionen. Weiterhin erlauben die Addukte selektive Syntheserouten zu zahlreichen Derivaten, wie z.B. Dialkoxysilane, Diaminosilane, Cyclosiloxane, oder Hydrosilylierungsprodukte mit aktivierten Alkenen ohne Einsatz von Metallkatalysatoren.

Amino-functionalized organic–inorganic hybrid materials with a narrow distributed nanostructure of 2–4 nm in size were obtained by means of a template-free and non-aqueous procedure. Simultaneous twin polymerization of novel amino group containing twin monomers with 2,2′-spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasiline] has been applied for this purpose. The amino groups of the organic–inorganic hybrid material are useful for post derivatization. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Recently, acremolin (4), a novel modified base, was isolated from a marine-derived fungus and claimed to possess a structure with a 1H-azirine moiety. It is shown now that the reported NMR data are not compatible with this antiaromatic heterocycle, which should be an extremely unstable compound. An isomeric, substituted N2,3-ethenoguanine is presented as a plausible alternative structure of acremolin that is consistent with all spectroscopic data. Thus, 1H-azirines keep their classification as very short-lived intermediates.