In der vorliegenden Dissertation werden Dünnschichten des Oberflächenproteins (Surface (S)-Layer) des Bacillus sphaericus NCTC 9602 auf einem SiOx-Substrat mittels Photoemission (PE) und Röntgenabsorptionsspektroskopie untersucht. Sowohl die PE-Daten als auch die Nahkantenabsorptionsspektren (NEXAFS) sind in qualitativer und quantitativer Übereinstimmung mit der erwarteten elektronischen Struktur des S-Layers, was auf eine weitgehende Stabilität des Systems gegenüber den Messbedingungen (Vakuum, Röntgenstrahlung) hindeutet. Mittels resonanter Photoemission war es möglich, die einzelnen Valenzbandstrukturen individuellen chemischen Bindungen zuzuordnen. Aus dem Vergleich der Intensitäten von Participator- und Spectator- Übergängen konnte ferner die Zeitskala für Elektronenhüpfprozesse innerhalb des LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital, niedrigstes unbesetztes Molekülorbital) zu 100 fs abgeschätzt werden, was in guter Übereinstimmung mit einem in der Literatur vorgeschlagenen, auf Drehschwingungen basierenden Transportmechanismus ist. Der S-Layer wurde im folgenden als Templat für die Erzeugung von Metallclustern genutzt, die sich bei physikalischer Deposition reiner Metalle (Ag, Co) ausbilden. Elektronenmikroskopische Untersuchungen zeigen, dass sich im Fall nominaler Silberbedeckungen im Monolagenbereich Cluster von der Größe einiger nm bilden, die sich auf einem quadratischen Übergitter mit einer Kantenlänge von 14 nm anordnen. Die spektroskopischen Daten weisen die Sauerstoffatome der Peptidketten als wahrscheinlichste Adsorptionsplätze aus. Während die Ag-Cluster sich weitgehend nicht-reaktiv verhalten, zeigen Co-Cluster deutlich stärkere Wechselwirkung mit dem Templat. Unter Nutzung eines im NEXAFS-Mode betriebenen Photoelektronenmikroskops (PEEM) wurde schließlich die Schädigung reiner und Cluster bedeckter S-Layer bei intensiver Röntgenbestrahlung untersucht. Die Schädigung ist im Fall der Clusterbedeckung deutlich niedriger als bei reinen Oberflächen. Ein nur auf Abschattung des Templats durch die Cluster beruhendes Modell beschreibt die spektroskopischen Daten jedoch nicht zufriedenstellend. Vielmehr müssen Schädigungen des Templats durch Elektronen, die infolge Röntgenabsorption innerhalb der Cluster generiert werden, mit berücksichtigt werden.:1. Einführung 3 2. Theoretische Grundlagen der Messmethoden 7 2.1 Photoelektronenspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.1 Wirkungsquerschnitt der Photoionisation . . . . . . . . . . . . 13 2.1.2 Valenzbandspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.1.3 Rumpfniveauspektroskopie und Rumpfniveauverschiebung . . 15 2.1.4 Nahkantenabsorptionsspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.1.5 Resonante Photoemission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2 Elektronenmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3 Photoelektronenmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3. Bakterielle Oberflächenproteine 29 3.1 Aufbau und Struktur der S-Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2 Reassemblierung von Bacillus sphaericus NCTC 9602 . . . . . . . . . . 32 4. Experimentelle Details und Probenpräparation 37 4.1 Aufbau der Ultrahochvakuumapparaturen . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.1.1 Deutsch-Russisches-Strahlrohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.1.2 PEEM-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.2 Probenpräparation und Durchführung der Metallisierung . . . . . . . 41 5. Elektronische Struktur des S-Layers 43 5.1 Rumpfniveauspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5.2 Valenzbandspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.3 Lateral integrierte NEXAFS-Spektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . 51 5.3.1 Das C 1s-NEXAFS-Spektrum des S-Layers . . . . . . . . . . . 52 5.3.2 Das N 1s- und O 1s-NEXAFS-Spektrum des S-Layers . . . . . 53 5.4 Lateral aufgelöste NEXAFS-Spektroskopie - PEEM Studien . . . . . 56 5.4.1 C 1s-, O 1s- und N 1s-NEXAFS-Messungen . . . . . . . . . . 60 2 Inhaltsverzeichnis 5.5 Resonante Photoemission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.5.1 Einfluss der Seitenketten auf elektronische Struktur . . . . . . 63 6. Strahlenschäden an Biomolekülen 66 6.1 Einfluss von Röntgenstrahlung auf das Oberflächenprotein . . . . . . 67 7. Ladungstransport in Proteinen 80 7.1 Ladungslokalisierung im Biomolekül . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 8. Protein-Metall Hybridstrukturen und deren Synthese auf S-Layern 92 8.1 Protein-Silber Hybridstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 8.1.1 Rumpfniveauspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 8.1.2 PEEM - Studie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 8.1.3 Elektronische Struktur der Silber-Nanopartikel . . . . . . . . . 102 8.1.4 TEM-Studien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 8.2 Protein-Cobalt Hybridstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 8.2.1 Vergleichende PEEM-Studie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 8.3 Strahlenschäden an Protein-Metall Hybridstrukturen . . . . . . . . . .114 8.3.1 Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 9. Zusammenfassung 119 A Anhang 121 A1 Anbindung von Metallatomen an eine Peptidkette . . . . . . . . . . . 121 Abbildungsverzeichnis 122 Tabellenverzeichnis 129 Literaturverzeichnis 133 Danksagung 141

In numerous Gram-negative and Gram-positive bacteria as well as in Archaea SL proteins form the outermost layer of the cell envelope. SL (glyco)monomers self-assemble with oblique (p2), tetragonal (p4), or hexagonal (p3, p6) symmetries [12]. SL subunits interact with each other and with the underlying cell surface by relatively weak non-covalent forces such as hydrogen-bonds, ionic bonds, salt-bridges or hydrophobic interactions. This makes them easy to isolate by applying chaotropic agents like urea and guanidine hydrochloride (GuHCl), chelating chemicals, or by changing the pH of the environment [10]. Upon dialysis in an ambient buffer monomers recrystallize into regular arrays that possess the forms of flat sheets, open ended cylinders, or spheres on solid substrates, at air-water intefaces and on lipid films, making them appealing for nanobiotechnological applications [3, 18]. The aim of this study was to investigate the structure, thermal stability, in vivo self-assembly process, recrystallization and metallization of three different recombinant SL proteins (SslA-eGFP, mSbsC-eGFP and S13240-eGFP) expressed in yeast S. cerevisiae BY4741 which could be further used in nanobiotechnological applications. In order to fulfill this aim, I investigated the in vivo expression of SL proteins (SslA, SbsC, S13240) tagged with eGFP (SL-eGFP) in the yeast S. cerevisiae BY4141. First, I characterized the heterologous expression of SL fusion constructs with growth and fluorescence measurements combined with Western blot analyses. Fluorescence microscopy investigations of overnight grown cultures showed that SslA-eGFP fusion protein was expressed as fluorescent patches, mSbsC-eGFP as tubular networks, and S13240-eGFP as hollow-like fibrillar network structures, while eGFP did not show any distinct structure Thermal stability of in vivo expressed SL-eGFP fusion proteins were investigated by fluorescence microscopy and immunodetection. In vivo self-assembly kinetics during mitosis and meiosis was the second main issue. In parallel, association of in vivo mSbsC-eGFP structures with the cellular components was of interest. A network of tubular structures in the cytosol of the transformed yeast cells that did not colocalize with microtubules or the actin cytoskeleton was observed. Time-resolved analysis of the formation of these structures during vegetative growth and sporulation was investigated by live fluorescence microscopy. While in meiosis ascospores seemed to receive assembled structures from the diploid cells, during mitosis surface layer structures were formed de novo in the buds. Surface layer assembly always started with the appearance of a dot-like structure in the cytoplasm, suggesting a single nucleation point. In order to get these in vivo SL assemblies stably outside the cells (in situ), cell distruption experiments were conducted. The tubular structures formed by the protein in vivo were retained upon bursting the cells by osmotic shock; however their average length was decreased. During dialysis, monomers obtained by treatment with chaotropic agents recrystallized again to form tube-like structures. This process was strictly dependent on calcium ions, with an optimal concentration of 10 mM. Further increase of the Ca2+ concentration resulted in multiple non-productive nucleation points. It was further shown that the lengths of the S-layer assemblies increased with time and could be controlled by pH. After 48 hours the average length at pH 9.0 was 4.13 µm compared to 2.69 µm at pH 5.5. Successful chemical deposition of platinum indicates the potential of recrystallized mSbsC-eGFP structures for nanobiotechnological applications. For example, such metalized protein nanotubes could be used in conductive nanocircuit technologies as nanowires.

Increasing the integration density of electron device components will necessitate the use of new nanofabrication paradigms that complement and extend existing technologies. One potential approach to overcome the current limitations of electron-beam lithography may involve the use of hybrid systems, in which existing lithographic techniques are coupled with “bottom up” approaches such as supramolecular self-assembly. In this respect, biological systems offer some unique possibilities as they combine both self-organization and spatial patterning at the nanometer length scale. In particular, Surface Layer Proteins (S-layers) can facilitate high order organization and specific orientation of inorganic structures as they are two-dimensional porous crystalline membranes with regular structure at the nanometer scale. In this framework, the aim of the present work was the characterization of the S-layer of Sporosarcina ureae ATCC 13881 (SslA) with respect to its self-assembling properties and modification that would allow it to be employed as a patterning element and a new building block for nanobiotechnology. In vitro recrystallization experiments have shown that wild type SslA self-assembles into monolayers, multilayers or tubes. Factors such as initial monomer concentration, Ca2+ ions, pH of the recrystallization buffer and the presence of a silicon substrate have a strong influence on the recrystallization process. SslA monolayers proved to be an excellent biotemplate for ordered assembly of gold nanoparticle arrays. The recombinant SslA after expression and purification formed micrometer sized, crystalline monolayers exhibiting the same lattice structure as the wild type protein (p4 symmetry). This remarkable property of self-assembling has been preserved even when SslA was truncated. The deletion of both, N- and C-terminal SslA domains does not hinder self-assembly; the resulting protein is able to form extended monolayers that exhibit the p4 lattice symmetry. The central SslA-domain is self sufficient for the self-assembly. The possibility to change the natural properties of S-layers by genetic engineering techniques opens a new horizon for the tuning of their structural and functional features. The SslA-streptavidin fusion protein combines the remarkable property of self-assembling with the ligand i.e. biotin binding function. On silicon wafers, this chimeric protein recrystallized into coherent protein layers and exposes streptavidin, fact demonstrated by binding studies using biotinylated quantum dots. In this way, it can serve as a functional surface for controlled immobilization of biologically active molecules but also as a platform for the synthesis of planar arrays of quantum dots. Furthermore, the results open up exciting possibilities for construction of hybrid S-layers, structures that may ultimately promote the fabrication of miniaturized, nanosized electronic devices.

Self-assembling protein surface layers (S-layers) are ubiquitous prokaryotic cell-surface structures involved in structural maintenance, nutrient diffusion, host adhesion, virulence, and many additional processes, which makes them appealing targets for therapeutics and biotechnological applications, including live vaccines, liposome drug delivery and biosensors. Unlocking this potential requires expanding our understanding of S-layer properties, especially the details of surface-attachment. S-layers of Gram-positive bacteria often are attached through the interaction of specialized S-layer homology (SLH) domain trimers with peptidoglycan-linked secondary cell wall polymers (SCWPs). Characterization of this interaction in the Gram-positive model organism Paenibacillus alvei CCM 2051T reveals that, remarkably, binding-site switches can occur between two distinct SLH-domain SCWP receptor-site grooves in the S-layer protein SpaA, possibly as part of a mechanism to alleviate strain in the S-layer. To date, however, analysis of this novel mechanism has been limited to the terminal SCWP monosaccharide and the internal SCWP repeat disaccharide ligand analogues, leaving open the role of subsequent SCWP sugar residues in binding, as well as whether the two receptor sites are also suited to accommodate longer SCWP ligands that better approximate the biological target at the surface of P. alvei. To address this, the objective of this work aims to uncover and characterize the details of the SpaA SLH-domain (SpaASLH¬) SCWP-interaction by determining the co-crystal structures of SpaASLH¬, and single (SpaASLH/G109A) and the corresponding double (SpaASLH/G46A/G109A) mutants in complex with synthetic terminal disaccharide and trisaccharide analogues of the P. alvei CCM 2051T SCWP target. These structural characterizations have been supplemented with disaccharide and trisaccharide binding data, which was obtained through thermodynamic ITC analyses carried out by collaborators. The co-crystal structures of P. alvei SpaASLH with synthetic, terminal SCWP disaccharide and trisaccharide analogues, together with previously published monosaccharide-bound SpaASLH structures, reveal that while the SLH trimer accommodates longer biologically relevant SCWP ligands within both its primary (G2) and secondary (G1) binding sites, the terminal pyruvylated ManNAc moiety serves as the nearly-exclusive SCWP anchoring point. Binding is accompanied by displacement of a flexible loop adjacent to the receptor site that enhances the complementarity between protein and ligand, including electrostatic complementarity with the terminal pyruvate moiety. Remarkably, binding of the pyruvylated monosaccharide SCWP fragment alone is sufficient to cause rearrangement of the receptor binding sites in a manner necessary to accommodate longer SCWP fragments. The observation of multiple conformations for longer oligosaccharides bound to the protein, together with the demonstrated functionality of two of the three SCWP receptor binding sites, reveals how the SpaASLH-SCWP interaction has evolved to accommodate longer SCWP ligands and alleviate the strain inherent to bacterial S-layer adhesion during growth and division. In addition, to further clarify the steps involved in SCWP biosynthesis, we present a crystal structure of the unliganded UDP-GlcNAc 2-epimerase enzyme MnaA, which catalyzes the interconversion of UDP-GlcNAc into UDP-ManNAc—an essential building block of the P. alvei SCWP target. The P. alvei MnaA epimerase adopts a GT-B fold that is consistent with the architecture of previously published structures of other bacterial non-hydrolyzing UDP-GlcNAc 2-epimerase enzymes for which substrate binding is observed in the cleft located between the two domains. Characterization of this structure, coupled with an analysis of the sequence of the MnaA protein, reveals the presence of conserved residues that define the catalytic and allosteric sites in homologous enzymes from different organisms. These residues are positioned to accommodate substrate within the MnaA binding cleft in much the same manner as the published enzyme homologues, suggesting that allosteric regulation as a mechanism for enzyme regulation is conserved in P. alvei MnaA. These investigations are part of a greater effort toward understanding SLH domain-mediated SCWP-interactions in Gram-positive organisms, and provide insight into the structure and putative function of this SCWP biosynthetic enzyme. By understanding these processes, this knowledge may contribute to providing a platform for the rational design of Gram-positive inhibitors. Such inhibitors could selectively target, for example, the bacterial S-layer SCWP-binding interaction, or perhaps the essential biosynthetic enzymes involved in producing the exclusive targets that these S-layer proteins recognize and bind, and would thus represent a new class of antimicrobial therapeutics. / Graduate

Als "surface-layer" (S-Layer, SL) bezeichnet man die regelmäßig strukturierten Hüllproteinlagen auf der Oberfläche von etwa 80 % aller bisher bekannten Bakterienspezies. Sie entstehen durch Selbstassemblierung von identischen Proteinuntereinheiten, die wiederum zumeist durch nichtkovalente Wechselwirkungen mit der darunterliegenden Zellwandkomponente verknüpft sind. Trotz ihrer Diversität auf der Ebene der Primärstruktur weisen S-Layer verschiedener Bakterienarten einheitliche physikochemische Merkmale auf. Dazu zählt u.a. die Wiedereinnahme einer hochgradig strukturierten, porösen Proteinschicht nach reversibler Denaturierung. Infolge der Reassemblierung entstehen sowohl in Lösung als auch an Phasengrenzen Proteinassemblate, deren Porenanordnungen die gleiche regelmäßige Symmetrie aufweisen, wie die nativen Hüllproteine auf der Bakterienzelle. Das in seiner Domänenstruktur aufgeklärte Hüllprotein SbsC des mesophilen Bakterienstammes Geobacillus (G.) stearothermophilus ATCC 12980 zeichnet sich durch eine ausgezeichnete Synthetisierbarkeit in E. coli aus. C-terminale Fusionen, die im Falle des verstärkt grün fluoreszierenden Proteins (EGFP) bis zu 240 Aminosäuren umfassen, führten nicht zu einem Verlust der Selbstassemblierung. Darüber hinaus zeigen in vitro gebildete SbsC-Assemblate eine außergewöhnliche Stabilität gegenüber hohen Ethanolkonzentrationen. Die durch gerichtete Mutagenese erzeugten SbsC-Fusionsproteine SbsC(aa 31-1099)-HspA und SbsC(aa 31-1099)-12His besitzen in assemblierter Form im Vergleich mit dem unmodifizierten Protein eine bis zu zweimal höhere Bindungsaffinität gegenüber Platinionen. In denaturierter Form waren beide Fusionsproteine in der Lage, Nickelionen zu komplexieren. In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals ein SL-Protein in einem eukaryontischen Mikroorganismus produziert. Das in der Hefe S. cerevisiae gebildete Fusionsprotein SbsC(aa 31-1099)-EGFP assembliert dabei im Cytosol der Wirtszellen zu röhrenförmigen Assemblaten mit regelmäßiger Symmetrie. Das bisher unbekannte SL-Protein des Stammes G. stearothermophilus DSM 13240 wurde erfolgreich heterolog in E. coli exprimiert. Die Vorläuferform besitzt im Vergleich zum maturen Protein ein 31 aa umfassendes Sekretionssignal am extremen N-Terminus. Sowohl das authentische Protein als auch das heterolog in E. coli exprimierte Vorläuferprotein zeigen eine dem SbsC-Protein vergleichbare Reassemblierungscharakteristik. Im Gegensatz dazu führte die Verkürzung der N-terminalen 30 Aminosäuren des als S13240 bezeichneten Hüllproteins im heterologen System zu einem irreversiblen Verlust der Fähigkeit zur Selbstassemblierung.

Bakterielle Zellhüllenproteine (S-Schichten) können als molekulare Bausteine zur Funktionalisierung technischer Oberflächen verwendet werden. Die Proteine fungieren dabei als formgebende Muster (Template) oder vermitteln Bindungsstellen für eine nanostrukturierte Materialsynthese. In der vorliegenden Arbeit werden drei S-Schicht-Varianten elektronenmikroskopisch und kraftmikroskopisch charakterisiert und deren Templateigenschaften für die nasschemische Platin- und Goldclusterabscheidung vorgestellt. Für die Metallisierbarkeit der S-Schichten werden unterschiedliche Wege beschrieben. So wird unter anderem eine neue Methode zur Negativkontrastierung der kristallinen S Schichten für die Transmissionselektronenmikroskopie vorgestellt. Dabei werden adsorbierte und mit Metallkomplexen aktivierte S-Schichten kurzzeitig einer UV-Strahlung ausgesetzt. Verschiedene Methoden für die Beschichtung von technischen Oberflächen mit S Schichtproteinen werden aufgezeigt, insbesondere die Entwicklung einer neuen Technik für die Beschichtung von vorstrukturierten Sensoroberflächen, für die mikrofluidische Reaktionsräume geschaffen werden. Durch optimierte Reaktionsbedingungen wird unter Nutzung des Selbstorganisationsvermögens der Proteinmonomere eine großflächige Beschichtung von Substratoberflächen erreicht. Dies führt bei Anwendung der direkten Rekristallisation des Proteins an der Substratoberfläche zur Ausbildung von Monolagen. Untersuchungen zur Stabilisierung der S-Schichten am Substrat zeigen, dass diese durch den Einsatz von proteinvernetzenden Substanzen, wie Glutaraldehyd, erhöht werden kann. Weiterhin wird eine bionanotechnologische Funktionalisierung von mikroelektronischen Sensorstrukturen durch Integration metallisierter S-Schichtproteine ausführlich beschrieben. Erste Messergebnisse mit einem funktionalisierten Pyrosensor zeigen eine bessere Sensitivität durch die Erhöhung der katalytischen Aktivität an der Oberfläche der Nanocluster. Die Beschichtung und Vermessung neu entwickelter Piezosensoren der Siemens AG zeigt die hohe Sensitivität dieser Sensoren. Die dynamischen Messungen der Massenänderung während des Rekristallisationsprozesses werden durch ein theoretisches Modell zur Proteindeposition aus einer Monomerlösung interpretiert. Abstract* Bacterial surface layer proteins (S-layer proteins) can be used as molecular building blocks for the functionalisation of technically-used surfaces. For example, the proteins serve as templates for the production of well-defined patterns or provide binding sites for material synthesis at nanoscale. In this thesis, three different S-layer proteins are characterised by electron and atomic force microscopy. The properties of these proteins for being templates for the deposition of platinum and gold clusters are introduced. Different ways for the metallisation of S-layers are described. One example for this is a new method of negative staining of crystallised S-layers for the transmission electron microscopy, where the S-layers, adsorbed and activated with metal complexes, are exposed to UV for a short time. Different methods for coating technically-used surfaces are presented, especially a new technique for coating structured sensors' surfaces, which uses microfluidic reaction areas. The coating of large substrate surfaces with protein monomers is achieved by controlling the reaction conditions of the self-assembly process. If discrete recrystallisation takes place on the surface, the process leads to the formation of protein monolayers. Investigations showed that the stabilisation of the S-layers on a substrate can be increased by adding protein-linking reagents (e.g. glutaraldehyde). Furthermore, a bionanotechnological functionalisation of microelectronic sensors' surfaces by integrating metalised S-layer proteins is described in detail. First results show an increased catalytic activity on the surfaces of the nanoclusters. The coating of sensor surfaces with S-layers has recently been used to develop a piezoelectric sensor by the Siemens AG. This novel sensor has shown high sensitivity. Dynamic measurements of mass change during the recrystallisation process are described by a theoretical model for protein deposition out of a monomer solution.

Adaptation to environmental changes is important for the survival of living organisms. Under extreme abiotic conditions, organic molecules (such as lipids, proteins and nucleic acids) are prone to damage. Under these conditions stress response mechanisms are activated, either to prevent the source of damage or to promote the rapid turnover of damaged molecules. Like all photoautotrophic organisms, cyanobacteria are sensitive to high light intensity and oxidative stress, which induces damage to the photosynthetic apparatus. My thesis is divided in two subjects related to particular stress responses in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803: 1) the role of Deg/HtrA proteases and 2) investigations on the small CAB-like proteins. Deg/HtrA proteases are ATP-independent serine endopeptidases with a characteristic C-terminal PDZ domain. These proteases are largely dispersed among living organisms, with many different functions, mostly involved in protein quality control. The genome of Synechocystis sp. PCC 6803 contains three genes coding for Deg/HtrA proteases: HtrA, HhoA and HhoB. These proteases are essential for survival under high light and heat stress, and may overlap in their functions. During my Ph.D. studies I focused on the identification of the precise localization of the Deg/HtrA proteases in the cyanobacterial cell, analyzed the biochemical properties of recombinant Synechocystis Deg/HtrA proteases in vitro and adopted proteomic and metabolomic approaches to study the physiological importance of these proteases. My data show that Deg/HtrA proteases are not only important in stress response mechanisms under adverse conditions, but are also involved in the stabilization of important physiological processes, such as polysaccharides biosynthesis and peptidoglycan turnover. The small CAB-like proteins (SCPs) belong to the light harvesting-like family of stress induced proteins and are thought to be involved in the photoprotection of the photosynthetic apparatus. Five small CAB-like proteins where identified in Synechocystis sp. PCC 6803 (ScpA-E). In my studies I identified another relative to the SCPs, LilA, which I found to be co-transcribed with ScpD. I also focused on the subcellular localization and identification of potential interaction partners of the SCPs.

Bakterielle Zellhüllenproteine (S-Schichten) können als molekulare Bausteine zur Funktionalisierung technischer Oberflächen verwendet werden. Die Proteine fungieren dabei als formgebende Muster (Template) oder vermitteln Bindungsstellen für eine nanostrukturierte Materialsynthese. In der vorliegenden Arbeit werden drei S-Schicht-Varianten elektronenmikroskopisch und kraftmikroskopisch charakterisiert und deren Templateigenschaften für die nasschemische Platin- und Goldclusterabscheidung vorgestellt. Für die Metallisierbarkeit der S-Schichten werden unterschiedliche Wege beschrieben. So wird unter anderem eine neue Methode zur Negativkontrastierung der kristallinen S Schichten für die Transmissionselektronenmikroskopie vorgestellt. Dabei werden adsorbierte und mit Metallkomplexen aktivierte S-Schichten kurzzeitig einer UV-Strahlung ausgesetzt. Verschiedene Methoden für die Beschichtung von technischen Oberflächen mit S Schichtproteinen werden aufgezeigt, insbesondere die Entwicklung einer neuen Technik für die Beschichtung von vorstrukturierten Sensoroberflächen, für die mikrofluidische Reaktionsräume geschaffen werden. Durch optimierte Reaktionsbedingungen wird unter Nutzung des Selbstorganisationsvermögens der Proteinmonomere eine großflächige Beschichtung von Substratoberflächen erreicht. Dies führt bei Anwendung der direkten Rekristallisation des Proteins an der Substratoberfläche zur Ausbildung von Monolagen. Untersuchungen zur Stabilisierung der S-Schichten am Substrat zeigen, dass diese durch den Einsatz von proteinvernetzenden Substanzen, wie Glutaraldehyd, erhöht werden kann. Weiterhin wird eine bionanotechnologische Funktionalisierung von mikroelektronischen Sensorstrukturen durch Integration metallisierter S-Schichtproteine ausführlich beschrieben. Erste Messergebnisse mit einem funktionalisierten Pyrosensor zeigen eine bessere Sensitivität durch die Erhöhung der katalytischen Aktivität an der Oberfläche der Nanocluster. Die Beschichtung und Vermessung neu entwickelter Piezosensoren der Siemens AG zeigt die hohe Sensitivität dieser Sensoren. Die dynamischen Messungen der Massenänderung während des Rekristallisationsprozesses werden durch ein theoretisches Modell zur Proteindeposition aus einer Monomerlösung interpretiert. Abstract* Bacterial surface layer proteins (S-layer proteins) can be used as molecular building blocks for the functionalisation of technically-used surfaces. For example, the proteins serve as templates for the production of well-defined patterns or provide binding sites for material synthesis at nanoscale. In this thesis, three different S-layer proteins are characterised by electron and atomic force microscopy. The properties of these proteins for being templates for the deposition of platinum and gold clusters are introduced. Different ways for the metallisation of S-layers are described. One example for this is a new method of negative staining of crystallised S-layers for the transmission electron microscopy, where the S-layers, adsorbed and activated with metal complexes, are exposed to UV for a short time. Different methods for coating technically-used surfaces are presented, especially a new technique for coating structured sensors' surfaces, which uses microfluidic reaction areas. The coating of large substrate surfaces with protein monomers is achieved by controlling the reaction conditions of the self-assembly process. If discrete recrystallisation takes place on the surface, the process leads to the formation of protein monolayers. Investigations showed that the stabilisation of the S-layers on a substrate can be increased by adding protein-linking reagents (e.g. glutaraldehyde). Furthermore, a bionanotechnological functionalisation of microelectronic sensors' surfaces by integrating metalised S-layer proteins is described in detail. First results show an increased catalytic activity on the surfaces of the nanoclusters. The coating of sensor surfaces with S-layers has recently been used to develop a piezoelectric sensor by the Siemens AG. This novel sensor has shown high sensitivity. Dynamic measurements of mass change during the recrystallisation process are described by a theoretical model for protein deposition out of a monomer solution.

Bakterielle Zellhüllenproteine (S-Layer) können als formgebende Muster für die bottom-up Materialsynthese Verwendung finden. Auf S-Layern von Bacillus sphaericus und Sporosarcina ureae lassen sich nasschemisch Platin- bzw. Palladiumcluster abscheiden, die sich durch ihren gleichmäßig geringen Durchmesser und ihre hohe laterale Dichte auszeichnen. Am Beginn der vorliegenden Arbeit steht die Charakterisierung des Proteintemplates, welches grundlegenden Einfluss auf die sich bildenden Edelmetallcluster hat. Die Topographie der S-Layeroberfläche wird atomkraftmikroskopisch untersucht. Durch Photoemissions- und NEXAFS-Spektroskopie werden Aussagen zur elektronischen Struktur des Proteins gewonnen, die nach entsprechender Interpretation Erklärungen für das Verhalten des Proteintemplates liefern. Daneben sind Syntheseparameter ausschlaggebend für das Erscheinungsbild des dispersen Metalls. Insbesondere der Einfluss des Reduktionsmittels auf die Clustergröße wird elektronenmikroskopisch und durch Kleinwinkelstreuung untersucht. Die katalytische Aktivität von auf gamma-Al2O3 und SiC immobilisierten metallisierten S-Layern für die Oxidation ausgewählter Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid wird bestimmt. Außerdem werden Verfahren zur Erzeugung von Gold- und Silberclustern auf S-Layern vorgestellt.

Bakterielle Zellhüllenproteine (S-Layer) können als formgebende Muster für die bottom-up Materialsynthese Verwendung finden. Auf S-Layern von Bacillus sphaericus und Sporosarcina ureae lassen sich nasschemisch Platin- bzw. Palladiumcluster abscheiden, die sich durch ihren gleichmäßig geringen Durchmesser und ihre hohe laterale Dichte auszeichnen. Am Beginn der vorliegenden Arbeit steht die Charakterisierung des Proteintemplates, welches grundlegenden Einfluss auf die sich bildenden Edelmetallcluster hat. Die Topographie der S-Layeroberfläche wird atomkraftmikroskopisch untersucht. Durch Photoemissions- und NEXAFS-Spektroskopie werden Aussagen zur elektronischen Struktur des Proteins gewonnen, die nach entsprechender Interpretation Erklärungen für das Verhalten des Proteintemplates liefern. Daneben sind Syntheseparameter ausschlaggebend für das Erscheinungsbild des dispersen Metalls. Insbesondere der Einfluss des Reduktionsmittels auf die Clustergröße wird elektronenmikroskopisch und durch Kleinwinkelstreuung untersucht. Die katalytische Aktivität von auf gamma-Al2O3 und SiC immobilisierten metallisierten S-Layern für die Oxidation ausgewählter Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid wird bestimmt. Außerdem werden Verfahren zur Erzeugung von Gold- und Silberclustern auf S-Layern vorgestellt.