Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Photolumineszenzdynamik von Halbleiter-Quantentöpfen (Quantum Wells), die durch Anregung von Intraband-Übergängen mittels resonanter Laserpulse im mittleren Infrarot- und Terahertz-Spektralbereich verändert wird. Diese Zweifarbenexperimente wurden mit Hilfe eines optischen Aufbaus für zeitaufgelöste Photolumineszenzspektroskopie am Großgerät Freie-Elektronen Laser FELBE am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf realisiert. Zeitlich verzögert zur gepulsten optischen Anregung über die Bandlücke wurden Intersubband- oder Intraexziton-Übergange in den Quantum Wells resonant angeregt. Die dadurch erreichte Ladungsträgerumverteilung zeigt sich in einer deutlichen Verringerung der Photolumineszenzintensität zum Zeitpunkt des zweiten Anregepulses, die im Folgenden als Photolumineszenz-Quenching bezeichnet wird. Zunächst wird die Stärke des Photolumineszenz-Quenchings in Abhängigkeit der Polarisationsrichtung des midinfraroten Laserstrahls ausgewertet. Während die Absorption durch freie Ladungsträger für beide Polarisationsrichtungen nachweisbar ist, wird experimentell gezeigt, dass Intersubbandabsorption nur möglich ist, wenn ein Anteil der anregenden Strahlung senkrecht zur Quantum-Well-Ebene polarisiert ist. Das Photolumineszenzsignal ist überwiegend an der energetischen Position der 1s-Exzitonresonanz unterhalb der Bandkante messbar. Die intraexzitonischen Übergangsenergien in Quantum Wells liegen typischerweise im Terahertzbereich. Unter intraexzitonischer 1s-2p Anregung erscheint auch auf dieser Energieskala ein abrupter Intensitätsverlust in der langsam abklingenden Photolumineszenztransiente. Erstmalig wurde im Photolumineszenzspektrum bei höheren Energien im Abstand der Terahertz-Photonenenergie ein zusätzliches 2s-Photolumineszenzsignal detektiert. Eine detaillierte theoretische Beschreibung dieses Problems durch unsere Kooperationspartner Koch et al. von der Phillips-Universität Marburg zeigt, dass unter intraexzitonischer 1s-2p Anregung eine effiziente Coulombstreuung zwischen den nahezu entarteten exzitonischen 2p- und 2s-Zustanden stattfindet. Während der 2p-Zustand optisch dunkel ist, kann die 2s-Population strahlend rekombinieren, was zu dem besagten 2s-Photolumineszenzsignal führt. Die Zeitkonstanten der untersuchten Ladungsträgerdynamik werden durch ein phänomenologisches Modell bestimmt, das die experimentellen Kurven sehr gut abbildet. Es wird ein Ratengleichungsmodell eingeführt, bei dem die involvierten Zustände auf optisch helle und optisch dunkle Besetzungsdichten reduziert werden. Darüber hinaus werden mit einem modifizierten Versuchsaufbau die Terahertz-induzierten Photolumineszenzsignaturen von Magnetoexzitonen untersucht. Die Stärke des 1s-Photolumineszenz-Quenchings ändert sich dabei entsprechend der magnetoexzitonischen Übergänge, die im betrachteten Feldstärkebereich zwischen 0T und 7T liegen. Für Magnetfelder größer als 3T sind keine 2s-Photolumineszenzsignale mehr messbar, da durch das externe magnetische Feld die Entartung der 2p- und 2s-Zustände aufgehoben wird.

The HIV-1 transactivator of transcription (Tat) is a protein essential for both viral gene expression and virus replication. Tat is an RNA-binding protein that, in cooperation with host cell factors cyclin T1 and cyclin-dependent kinase 9, regulates transcription at the level of elongation. Tat also interacts with numerous other intracellular and extracellular proteins, and is implicated in a number of pathogenic processes. The Tat protein is encoded by two exons and is 101 residues in length. The first exon encodes a 72-residue molecule that activates transcription with the same proficiency as the full-length protein. The physico-chemical properties of Tat make it a particularly challenging target for structural studies: Tat contains seven cysteine residues, six of which are essential for transactivation, and is highly susceptible to oxidative cross-linking and aggregation. In addition, a basic segment (residues 48-57) gives the protein a high net positive charge of +12 at pH 7, endowing it with a high affinity for anionic polymers and surfaces. In order to study the structure of Tat, both alone and in complex with partner molecules, we have developed a system for the bacterial expression and purification of polyhistidine-tagged and isotopically enriched (in 15N and 15N /13C) recombinant HIV-1 Tat1-72 (BH10 isolate) that yields large amounts of protein. These preparations have facilitated the assignment of 95% of the non-proline backbone resonances using heteronuclear 3-dimensional nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. Analysis by mass spectrometry and NMR demonstrate that the cysteine-rich Tat protein is unambiguously reduced and monomeric in aqueous solution at pH 4. NMR chemical shifts and coupling constants suggest that it exists in a disordered conformation. Line broadening and multiple peaks in the cysteine-rich and core regions suggest that transient folding occurs in two of the five sequence domains. NMR relaxation parameters were measured and analysed by spectral density and model-free approaches both confirming the lack of structure throughout the length of the molecule. The absence of a fixed conformation and the observation of fast dynamics are consistent with the ability of the Tat protein to interact with a wide variety of proteins and nucleic acid lending further support to the concept that Tat exists as an intrinsically disordered protein. / October 2007

The HIV-1 transactivator of transcription (Tat) is a protein essential for both viral gene expression and virus replication. Tat is an RNA-binding protein that, in cooperation with host cell factors cyclin T1 and cyclin-dependent kinase 9, regulates transcription at the level of elongation. Tat also interacts with numerous other intracellular and extracellular proteins, and is implicated in a number of pathogenic processes. The Tat protein is encoded by two exons and is 101 residues in length. The first exon encodes a 72-residue molecule that activates transcription with the same proficiency as the full-length protein. The physico-chemical properties of Tat make it a particularly challenging target for structural studies: Tat contains seven cysteine residues, six of which are essential for transactivation, and is highly susceptible to oxidative cross-linking and aggregation. In addition, a basic segment (residues 48-57) gives the protein a high net positive charge of +12 at pH 7, endowing it with a high affinity for anionic polymers and surfaces. In order to study the structure of Tat, both alone and in complex with partner molecules, we have developed a system for the bacterial expression and purification of polyhistidine-tagged and isotopically enriched (in 15N and 15N /13C) recombinant HIV-1 Tat1-72 (BH10 isolate) that yields large amounts of protein. These preparations have facilitated the assignment of 95% of the non-proline backbone resonances using heteronuclear 3-dimensional nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. Analysis by mass spectrometry and NMR demonstrate that the cysteine-rich Tat protein is unambiguously reduced and monomeric in aqueous solution at pH 4. NMR chemical shifts and coupling constants suggest that it exists in a disordered conformation. Line broadening and multiple peaks in the cysteine-rich and core regions suggest that transient folding occurs in two of the five sequence domains. NMR relaxation parameters were measured and analysed by spectral density and model-free approaches both confirming the lack of structure throughout the length of the molecule. The absence of a fixed conformation and the observation of fast dynamics are consistent with the ability of the Tat protein to interact with a wide variety of proteins and nucleic acid lending further support to the concept that Tat exists as an intrinsically disordered protein.

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Title: Dynamical behaviour of matrix proteins from Mason-Pfizer Monkey Virus Author: Pavel Srb Department: Department of Low temperature physics Supervisor: doc. RNDr. Jan Lang, PhD. Abstract: We studied the oligomeric properties of betaretroviral nonmyristoylated ma- trix protein (MA) and its R55F mutant from the Mason-Pfizer monkey virus in solution by means of NMR spectroscopy. We have proven that the wild- type (WT) MA forms oligomers in solution. The final model of oligomeriza- tion of the WT MA was derived by concerted use of chemical shift mapping and diffusion-ordered spectroscopy measured on a set of protein samples with varying concentrations. We found that the Mason-Pfizer monkey virus WT MA exists in a monomer-dimer-trimer equilibrium in solution. Further a combination of NMR relaxation measurements and advanced analysis of molecular dynamics simulation trajectory provided an unprecedentedly de- tailed insight into internal mobility of matrix proteins of the Mason-Pfizer monkey virus. Strong evidence have been obtained that the oligomerization capacity of the wild-type matrix protein is closely related to the enhanced dynamics of several parts of its backbone on a nanosecond time scale. In- creased flexibility has been observed for two regions: the loop between he- lices α2 and α3 and the C-terminal...

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Title: Study of dynamical behavior of H2O/D2O mixtures by NMR relaxation Author: Petr Dvořák Department: Department of Low Temperature Physics Supervisor: doc. RNDr. Jan Lang, Ph.D., Department of Low Temperature Physics Abstract: The subject of this diploma thesis is the chemical exchange in the mixture of light and heavy water, which was studied by methods of high resolution NMR. The first part of this thesis concerns methodology of sample preparation and methodology of measurement of relaxation times of mixture of light and heavy wa- ter. Experimental complications with elution of ions from tube glass, degassing of samples, radiation damping and sample heating by radio-frequency pulses were solved there. In the second part of this thesis the relaxation parameters of chemical exchange of selected sample at various temperatures were measured. Interpretations of experimental data (ionization, molecular clusters and isotopic equilibrium) was suggested. Keywords: NMR, relaxation, water, dynamics, chemical exchange

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Photolumineszenzdynamik von Halbleiter-Quantentöpfen (Quantum Wells), die durch Anregung von Intraband-Übergängen mittels resonanter Laserpulse im mittleren Infrarot- und Terahertz-Spektralbereich verändert wird. Diese Zweifarbenexperimente wurden mit Hilfe eines optischen Aufbaus für zeitaufgelöste Photolumineszenzspektroskopie am Großgerät Freie-Elektronen Laser FELBE am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf realisiert. Zeitlich verzögert zur gepulsten optischen Anregung über die Bandlücke wurden Intersubband- oder Intraexziton-Übergange in den Quantum Wells resonant angeregt. Die dadurch erreichte Ladungsträgerumverteilung zeigt sich in einer deutlichen Verringerung der Photolumineszenzintensität zum Zeitpunkt des zweiten Anregepulses, die im Folgenden als Photolumineszenz-Quenching bezeichnet wird. Zunächst wird die Stärke des Photolumineszenz-Quenchings in Abhängigkeit der Polarisationsrichtung des midinfraroten Laserstrahls ausgewertet. Während die Absorption durch freie Ladungsträger für beide Polarisationsrichtungen nachweisbar ist, wird experimentell gezeigt, dass Intersubbandabsorption nur möglich ist, wenn ein Anteil der anregenden Strahlung senkrecht zur Quantum-Well-Ebene polarisiert ist. Das Photolumineszenzsignal ist überwiegend an der energetischen Position der 1s-Exzitonresonanz unterhalb der Bandkante messbar. Die intraexzitonischen Übergangsenergien in Quantum Wells liegen typischerweise im Terahertzbereich. Unter intraexzitonischer 1s-2p Anregung erscheint auch auf dieser Energieskala ein abrupter Intensitätsverlust in der langsam abklingenden Photolumineszenztransiente. Erstmalig wurde im Photolumineszenzspektrum bei höheren Energien im Abstand der Terahertz-Photonenenergie ein zusätzliches 2s-Photolumineszenzsignal detektiert. Eine detaillierte theoretische Beschreibung dieses Problems durch unsere Kooperationspartner Koch et al. von der Phillips-Universität Marburg zeigt, dass unter intraexzitonischer 1s-2p Anregung eine effiziente Coulombstreuung zwischen den nahezu entarteten exzitonischen 2p- und 2s-Zustanden stattfindet. Während der 2p-Zustand optisch dunkel ist, kann die 2s-Population strahlend rekombinieren, was zu dem besagten 2s-Photolumineszenzsignal führt. Die Zeitkonstanten der untersuchten Ladungsträgerdynamik werden durch ein phänomenologisches Modell bestimmt, das die experimentellen Kurven sehr gut abbildet. Es wird ein Ratengleichungsmodell eingeführt, bei dem die involvierten Zustände auf optisch helle und optisch dunkle Besetzungsdichten reduziert werden. Darüber hinaus werden mit einem modifizierten Versuchsaufbau die Terahertz-induzierten Photolumineszenzsignaturen von Magnetoexzitonen untersucht. Die Stärke des 1s-Photolumineszenz-Quenchings ändert sich dabei entsprechend der magnetoexzitonischen Übergänge, die im betrachteten Feldstärkebereich zwischen 0T und 7T liegen. Für Magnetfelder größer als 3T sind keine 2s-Photolumineszenzsignale mehr messbar, da durch das externe magnetische Feld die Entartung der 2p- und 2s-Zustände aufgehoben wird.

We numerically investigate the dynamical properties of driven magnetic flux vortices in disordered type-II superconductors for a variety of temperatures, types of disorder and sample thicknesses. We do so with the aid of Langevin molecular dynamics simulations of a coarsegrained elastic line model of flux vortices in the extreme London limit. Some original findings of this doctoral work include the discovery that flux vortices driven through random point disorder show simple aging following drive quenches from the moving lattice state to both the pinned glassy state (non-universal aging) and near the critical depinning region (universal aging); estimations of experimentally consistent critical scaling exponents for the continuous depinning phase transition of vortices in three dimensions; and an estimation of the boundary curve separating regions of linear and non-linear electrical transport for flux lines driven through planar defects via novel direct measurements of vortex excitations. / Ph. D. / The works contained in this dissertation were undertaken with the goal of better understanding the dynamics of driven magnetic flux lines in type-II superconductors under different conditions of temperature, material defects and sample thickness. The investigations were conducted with the aid of computer simulations of the flux lines which preserve physical aspects of the system relevant to long-time dynamics while discarding irrelevant microscopic details. As a result of this work, we found (among other things) that when driven by electric currents, flux lines display very different dynamics depending on the strength of the current. When the current is weak, the material defects strongly pin the flux lines leaving them in a disordered glassy state. Sufficiently high current overpowers the defect pinning and results in the flux lines forming into a highly ordered crystal-like structure. In the intermediate critical current regime, the competing forces become comparable resulting in very large fluctuations of the flux lines and a critical slowing down of the flux line dynamics.