In dieser Dissertation werden die Bindungseigenschaften von Rezeptor-Ligand-Komplexen mit Hilfe von Optischen Pinzetten untersucht. Aufgrund ihrer außerordentlichen Orts- (2nm) und Kraftauflösung (0,2pN) ist es möglich, diese spezifischen Interaktionen anhand einzelner Bindungsereignisse zu charakterisieren. Als Modellsysteme dienen die Wechselwirkungen zwischen den phosphorylierungsspezifischen, monoklonalen Antikörpern HPT-101 und HPT-104 und dem Morbus Alzheimer relevanten Tau-Peptid. Dieses pathogen veränderte Peptid wird krankheitsspezifisch an den Aminosäuren Threonin231 und Serin235 phosphoryliert, sodass die Detektion dieses Phosphorylierungsmusters mit Hilfe von monoklonalen Antikörpern eine mögliche Früherkennung der Alzheimer-Krankheit darstellt. Eine notwendige Voraussetzung dafür ist jedoch die exakte Kenntnis der Bindungsstellen des Liganden am Rezeptor. Ziel des ersten Teils dieser Arbeit ist es, das Epitop des monoklonalen Antikörpers HPT-101 zu bestimmen. Dazu werden mögliche bindungsrelevante Aminosäuren durch ein Alanin ausgetauscht (Alanin-Scan) und so insgesamt sieben neue Tau-Isoformen aus dem ursprünglichen doppelt-phosphorylierten Peptid Tau[pThr231/pSer235] hergestellt. Die jeweiligen Interaktionen zwischen den modifizierten Peptiden und dem Antikörper werden mit der dynamischen Kraftspektroskopie untersucht und mit Hilfe eines literaturbekannten Modells analysiert. Die sich daraus ergebenden Bindungsparameter (Lebensdauer der Bindung, charakteristische Bindungslänge, freie Aktivierungsenergie und Affinitätskonstante) werden zusammen mit den relativen Bindungshäufigkeiten erstmals genutzt, um Kriterien für essentielle, sekundäre und nicht-essentielle Aminosäuren im Tau-Peptid zu definieren. Bemerkenswerterweise existieren für insgesamt drei dieser Parameter (Bindungslebensdauer, Bindungslänge und Affinitätskonstante) scharfe Klassengrenzen, mit denen eine objektive Einteilung des Epitops von Antikörper HPT-101 möglich ist. Die erhaltenen Ergebnisse sind in überzeugender Weise im Einklang mit ELISA-Messungen zu diesem Antikörper-Peptid-Komplexen, sie liefern jedoch einen tieferen Einblick in die Natur einer spezifischen Bindung, da den kraftspektroskopischen Messungen auch die Bindungskinetik zugänglich ist. Das zweite Projekt der vorliegenden Dissertation etabliert eine Methodik, um die Datenvarianz in der Bestimmung der relativen Bindungshäufigkeit zu reduzieren. Anhand einer Kombination aus Fluoreszenz- und kraftspektroskopischen Messungen werden die Wechselwirkungen zwischen dem monoklonalen Antikörper HPT-104 und dem fluoreszenzmarkierten Peptid Tau[Fl-pThr231] untersucht. Es wird gezeigt, dass durch Vorsortieren der Peptid-beschichteten Kolloide, entsprechend ihrer Oberflächenbeladung, die Datenvarianz in den Bindungshäufigkeitsmessungen signifikant reduziert wird.

In dieser Dissertation werden die Bindungseigenschaften von Rezeptor-Ligand-Komplexen mit Hilfe von Optischen Pinzetten untersucht. Aufgrund ihrer außerordentlichen Orts- (2nm) und Kraftauflösung (0,2pN) ist es möglich, diese spezifischen Interaktionen anhand einzelner Bindungsereignisse zu charakterisieren. Als Modellsysteme dienen die Wechselwirkungen zwischen den phosphorylierungsspezifischen, monoklonalen Antikörpern HPT-101 und HPT-104 und dem Morbus Alzheimer relevanten Tau-Peptid. Dieses pathogen veränderte Peptid wird krankheitsspezifisch an den Aminosäuren Threonin231 und Serin235 phosphoryliert, sodass die Detektion dieses Phosphorylierungsmusters mit Hilfe von monoklonalen Antikörpern eine mögliche Früherkennung der Alzheimer-Krankheit darstellt. Eine notwendige Voraussetzung dafür ist jedoch die exakte Kenntnis der Bindungsstellen des Liganden am Rezeptor. Ziel des ersten Teils dieser Arbeit ist es, das Epitop des monoklonalen Antikörpers HPT-101 zu bestimmen. Dazu werden mögliche bindungsrelevante Aminosäuren durch ein Alanin ausgetauscht (Alanin-Scan) und so insgesamt sieben neue Tau-Isoformen aus dem ursprünglichen doppelt-phosphorylierten Peptid Tau[pThr231/pSer235] hergestellt. Die jeweiligen Interaktionen zwischen den modifizierten Peptiden und dem Antikörper werden mit der dynamischen Kraftspektroskopie untersucht und mit Hilfe eines literaturbekannten Modells analysiert. Die sich daraus ergebenden Bindungsparameter (Lebensdauer der Bindung, charakteristische Bindungslänge, freie Aktivierungsenergie und Affinitätskonstante) werden zusammen mit den relativen Bindungshäufigkeiten erstmals genutzt, um Kriterien für essentielle, sekundäre und nicht-essentielle Aminosäuren im Tau-Peptid zu definieren. Bemerkenswerterweise existieren für insgesamt drei dieser Parameter (Bindungslebensdauer, Bindungslänge und Affinitätskonstante) scharfe Klassengrenzen, mit denen eine objektive Einteilung des Epitops von Antikörper HPT-101 möglich ist. Die erhaltenen Ergebnisse sind in überzeugender Weise im Einklang mit ELISA-Messungen zu diesem Antikörper-Peptid-Komplexen, sie liefern jedoch einen tieferen Einblick in die Natur einer spezifischen Bindung, da den kraftspektroskopischen Messungen auch die Bindungskinetik zugänglich ist. Das zweite Projekt der vorliegenden Dissertation etabliert eine Methodik, um die Datenvarianz in der Bestimmung der relativen Bindungshäufigkeit zu reduzieren. Anhand einer Kombination aus Fluoreszenz- und kraftspektroskopischen Messungen werden die Wechselwirkungen zwischen dem monoklonalen Antikörper HPT-104 und dem fluoreszenzmarkierten Peptid Tau[Fl-pThr231] untersucht. Es wird gezeigt, dass durch Vorsortieren der Peptid-beschichteten Kolloide, entsprechend ihrer Oberflächenbeladung, die Datenvarianz in den Bindungshäufigkeitsmessungen signifikant reduziert wird.

In the past decades, numerous single-molecule techniques have been developed to investigate individual bio-molecules and cellular machines. While a lot is known about the structure, localization, and interaction partners of such molecules, much less is known about their mechanical properties. To investigate the weak, non-covalent interactions that give rise to the mechanics of and between proteins, an instrument capable of resolving sub-nanometer displacements and piconewton forces is necessary. One of the most prominent biophysical tool with such capabilities is an optical tweezers. Optical tweezers is a non-invasive all-optical technique in which typically a dielectric microsphere is held by a tightly focused laser beam. This microsphere acts like a microscopic, three-dimensional spring and is used as a handle to study the biological molecule of interest. By interferometric detection methods, the resolution of optical tweezers can be in the picometer range on millisecond time scales. However, on a time scale of seconds—at which many biological reactions take place—instrumental noise such as thermal drift often limits the resolution to a few nanometers. Such a resolution is insufficient to resolve, for example, the ångstrom-level, stepwise translocation of DNA-binding enzymes corresponding to distances between single basepairs of their substrate. To reduce drift and noise, differential measurements, feedback-based drift stabilization techniques, and ‘levitated’ experiments have been developed. Such methods have the drawback of complicated and expensive experimental equipment often coupled to a reduced throughput of experiments due to a complex and serial assembly of the molecular components of the experiments. We developed a high-resolution optical tweezers apparatus capable of resolving distances on the ångstrom-level over a time range of milliseconds to 10s of seconds in surface-coupled assays. Surface-coupled assays allow for a higher throughput because the molecular components are assembled in a parallel fashion on many probes. The high resolution was a collective result of a number of simple, easy-to-implement, and cost-efficient noise reduction solutions. In particular, we reduced thermal drift by implementing a temperature feedback system with millikelvin precision—a convenient solution for biological experiments since it minimizes drift in addition to enabling the control and stabilization of the experiment’s temperature. Furthermore, we found that expanding the laser beam to a size smaller than the objective’s exit pupil optimized the amount of laser power utilized in generating the trapping forces. With lower powers, biological samples are less susceptible to photo-damage or, vice versa, with the same laser power, higher trapping forces can be achieved. With motorized and automated procedures, our instrument is optimized for high-resolution, high-throughput surface-coupled experiments probing the mechanics of individual biomolecules. In the future, the combination of this setup with single-molecule fluorescence, super-resolution microscopy or torque detection will open up new possibilities for investigating the nanomechanics of biomolecules.

In the past decades, numerous single-molecule techniques have been developed to investigate individual bio-molecules and cellular machines. While a lot is known about the structure, localization, and interaction partners of such molecules, much less is known about their mechanical properties. To investigate the weak, non-covalent interactions that give rise to the mechanics of and between proteins, an instrument capable of resolving sub-nanometer displacements and piconewton forces is necessary. One of the most prominent biophysical tool with such capabilities is an optical tweezers. Optical tweezers is a non-invasive all-optical technique in which typically a dielectric microsphere is held by a tightly focused laser beam. This microsphere acts like a microscopic, three-dimensional spring and is used as a handle to study the biological molecule of interest. By interferometric detection methods, the resolution of optical tweezers can be in the picometer range on millisecond time scales. However, on a time scale of seconds—at which many biological reactions take place—instrumental noise such as thermal drift often limits the resolution to a few nanometers. Such a resolution is insufficient to resolve, for example, the ångstrom-level, stepwise translocation of DNA-binding enzymes corresponding to distances between single basepairs of their substrate. To reduce drift and noise, differential measurements, feedback-based drift stabilization techniques, and ‘levitated’ experiments have been developed. Such methods have the drawback of complicated and expensive experimental equipment often coupled to a reduced throughput of experiments due to a complex and serial assembly of the molecular components of the experiments. We developed a high-resolution optical tweezers apparatus capable of resolving distances on the ångstrom-level over a time range of milliseconds to 10s of seconds in surface-coupled assays. Surface-coupled assays allow for a higher throughput because the molecular components are assembled in a parallel fashion on many probes. The high resolution was a collective result of a number of simple, easy-to-implement, and cost-efficient noise reduction solutions. In particular, we reduced thermal drift by implementing a temperature feedback system with millikelvin precision—a convenient solution for biological experiments since it minimizes drift in addition to enabling the control and stabilization of the experiment’s temperature. Furthermore, we found that expanding the laser beam to a size smaller than the objective’s exit pupil optimized the amount of laser power utilized in generating the trapping forces. With lower powers, biological samples are less susceptible to photo-damage or, vice versa, with the same laser power, higher trapping forces can be achieved. With motorized and automated procedures, our instrument is optimized for high-resolution, high-throughput surface-coupled experiments probing the mechanics of individual biomolecules. In the future, the combination of this setup with single-molecule fluorescence, super-resolution microscopy or torque detection will open up new possibilities for investigating the nanomechanics of biomolecules.