Die vorliegende Arbeit befasst sich mit zwei neuen methodischen Ansätzen auf dem Gebiet der Fluoreszenzmikroskopie. Im ersten Teil der Arbeit wir eine Methode vorgestellt, mit der die Winkelselektivität der Fluoreszenzanregung verbessert werden kann. Die ExPAN (excitation polarization angle narrowing) genannte Technik nutzt stimulierte Emission, um den Effekt der Photoselektion zu vergrößern. ExPAN lässt sich potentiell für verschiedene Methoden einsetzen, in denen fluoreszenzmarkierte Proben untersucht werden und ist insbesondere im Kontext von Fluoreszenzanisotropie-Messungen oder der Bestimmung von molekularen Orientierungen von Interesse. Solche Methoden finden in den Biowissenschaften breite Anwendung und werden z.B. zum Studium von Rezeptor-Liganden-Interaktionen oder der Proteindynamik eingesetzt. Im Rahmen der Arbeit wird ExPAN in Kombination mit einem neuen Ansatz in der Weitfeldmikroskopie untersucht, bei der die Orientierung von Farbstoffmolekülen als Kontrastmechanismus genutzt wird. Dabei wird die Polarisationsrichtung des Anregungslichts rotiert, um Informationen über die molekulare Orientierung zu gewinnen. Aufgrund der Photoselektion weist das Fluoreszenzsignal von Molekülen mit bevorzugter Ausrichtung dadurch eine periodische Modulation auf. Es wird gezeigt, dass diese Information zur Unterscheidung von Molekülen mit abweichender Orientierung genutzt werden kann, selbst wenn sich deren Signale räumlich überlagern. Für die Versuche wurde ein modifiziertes Weitfeld-Mikroskop konstruiert und die Methode zum einen experimentell an Einzelmolekülen und zum anderen mittels Simulationen erprobt. Dabei konnten Signale von Farbstoffmolekülen mit einem Abstand von bis zu 80 nm separiert werden. Darüber hinaus wurde ein moduliertes Fluoreszenzsignal bei oberflächenmarkierten Mikropartikeln in wässriger Lösung sowie bei fixierten biologischen Proben beobachtet. Eine Verbesserung der Photoselektion durch ExPAN wird experimentell nachgewiesen und gezeigt, dass mit ExPAN auch ähnlich orientierte Moleküle unterschieden werden können. Im zweiten Teil der Arbeit wird eine Methode zur Verbesserung der Auflösung von konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopen vorgestellt, die als Multidetektor-Scanning (MDS) bezeichnet wird und auf dem Prinzip der Image-Scanning-Mikroskopie (ISM) beruht. Mit ISM lässt sich die Auflösung von Fluoreszenzmikroskopen theoretisch verdoppeln. Da ISM einen Flächendetektor voraussetzt, wurden in der Vergangenheit hauptsächlich CCD oder CMOS Kameras als Detektoren eingesetzt. In dieser Arbeit werden anstelle einer Kamera mehrere Einzelphotonendetektoren verwendet und über ein Glasfaserbündel zu einem Flächendetektor kombiniert. Dadurch ist es erstmals möglich, die Methode in Verbindung mit Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie (FLIM) einzusetzen. FLIM hat sich in den Biowissenschaften als wichtige Mikroskopie-Technik etabliert und wird unter anderem bei Protein-Protein-Interaktionsstudien oder zur Untersuchung des NADH-Metabolismus eingesetzt. Die Verbesserung der räumlichen Auflösung von FLIM mit MDS ist somit für eine Reihe von biologischen Fragestellungen von potentiellem Interesse. Im Rahmen der Arbeit wurde ein Multidetektor-Scanning-Mikroskop konstruiert und durch die Vermessung von fluoreszierenden Mikropartikeln charakterisiert. Eine Verbesserung der Auflösung durch MDS wird an fixierten biologischen Proben demonstriert. Dabei wurde eine Auflösung von 168 nm mit MDS sowie 146 nm mit MDS und Dekonvolution erreicht. Schließlich wird die Kombination der Methode mit Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie demonstriert.

Chez les eucaryotes, la réplication de l'ADN démarre au niveau de multiples origines activées suivant un programme précis, qui peut être analysé à l'échelle du génome sur des populations cellulaires. Cependant, l'étude de la variabilité intercellulaire, la détection d'évènements rares et la mesure de la vitesse des fourches de réplication nécessitent des analyses en molécule unique. Avec les techniques actuelles, l'ADN néosynthétisé est marqué avec des analogues de la thymidine et révélé par des anticorps fluorescents. Les molécules d'intérêt sont identifiées par hybridation fluorescente in situ. Ces étapes sont complexes et le débit est faible. Cette thèse développe de nouvelles méthodes de détection et d'identification des molécules d'ADN réplicatives sans anticorps et à haut débit. L'ADN est répliqué en présence d'un dUTP fluorescent, purifié puis marqué en code-barre spécifique permettant l'alignement sur le génome de référence par coupure avec une endonucléase simple brin et incorporation d'un autre dUTP fluorescent. L'ADN est ensuite coloré avec un intercalant fluorescent, le YOYO-1. Les molécules d'ADN, leurs segments néorépliqués et leurs code-barres sont observés en trois couleurs différentes par épifluorescence directe. Les segments répliqués ont une fluorescence YOYO-1 plus intense, ce qui permet de détecter les bulles de réplication sans marquage métabolique. Ces outils ont été couplés à un dispositif nanofluidique dans lequel l'ADN est conduit dans des milliers de nanocanaux et imagé automatiquement, ce qui augmente massivement le débit. L'ensemble de ces résultats ouvre la voie à la cartographie pangénomique de la réplication de l'ADN en molécule unique. / In eukaryotes, DNA replication starts at multiple origins that are activated following a specific program. Population methods allow genome-wide analysis of DNA replication. However, single-molecule methods are required to monitor cell-to-cell variability, detect rare events and measure individual replication fork speeds. With the existing techniques, newly-synthesized DNA is labelled with thymidine analogs and revealed with fluorescent antibodies. Fibres containing a locus of interest can be identified by fluorescent in situ hybridization. These steps are complex and the throughput is low. This work proposes novel, antibody-free tools to detect replication tracts and identify the locus of origin of all DNA molecules at much higher throughput. DNA replicated in the presence of a fluorescent dUTP was purified and specifically barcoded by using a nicking endonuclease, followed by limited nick-translation with another fluorescent dUTP. This allowed alignment to a reference genome map. DNA was then stained with the fluorescent DNA intercalator YOYO-1. Direct epifluorescence revealed the DNA molecules, their replication tracts and their barcodes in three distinct colours. Replicated segments showed a stronger YOYO-1 fluorescence, demonstrating that replication bubbles can be directly detected without metabolic labelling. Finally, these tools were coupled to a nanofluidic device: DNA was driven into 13,000 parallel nanochannels and automatically imaged, massively increasing the throughput. Altogether, these results provide a starting point for genome-wide, single-molecule mapping of DNA replication in eukaryotic organisms.

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Diplomová práce se zabývá návrhem a sestavením nového spektrometru opticky detekované magnetické rezonance (ODMR) modifikací stávajícího spektrometru magnetického kruhového dichroismu (MCD) přivedením mikrovlnného ozařování. Je navrhnut nový držák vzorku umožnující osvětlení jak viditelným světlem, tak mikrovlnným zářením. Pro přivedení vlnění o nižších frekvencích je navržena anténa, určená k umístění pod vzorkem. Schopnosti celého systému jsou demonstrovány na sloučenínách kovových komplexů.

We use time-lapse AFM to visualize collagen fibrils self-assembly. A solution of acid-solubilized collagen was injected into the AFM fluid cell and fibril formation was observed in vitro. Single fibrils continuously grew and fused with each other until the supporting surface was completely covered by a nanoscopically well-defined collagen matrix. Laterally, the fibrils grew in steps of ~4 nm suggesting a two-step mechanism. In a first step, collagen molecules associated together. In the second step, these molecules rearranged into a structure called a microfibril. High-resolution AFM topographs revealed substructural details of the D-band architecture. These substructures correlated well with those revealed from positively stained collagen fibers imaged by transmission electron microscopy. Secondly, a covalent assembly approach to prepare membrane protein for AFM imaging that avoids crystallization was proposed. High-resolution AFM topographs can reveal structural details of single membrane proteins but, as a prerequisite, the proteins must be adsorbed to atomically flat mica and densely packed in a membrane to restrict their lateral mobility. Atomically flat gold, engineered proteins, and chemically modified lipids were combined to rapidly assemble immobile and fully oriented samples. The resulting AFM topographs of single membrane proteins were used to create averaged structures with a resolution approaching that of 2D crystals. Finally, the contribution of specific amino acid residues to the stability of membrane proteins was studied. Two structurally similar proteins sharing only 30% sequence identity were compared. Single-molecule atomic force microscopy and spectroscopy was used to detect molecular interactions stabilizing halorhodopsin (HR) and bacteriorhodopsin (BR). Their unfolding pathways and polypeptide regions that established stable segments were compared. Both proteins unfolded exactly via the same intermediates. This 3 Molecular Assemblies observed by AFM observation implies that these stabilizing regions result from comprehensive contacts of all amino acids within them and that different amino acid compositions can establish structurally indistinguishable energetic barriers. However, one additional unfolding barrier located in a short segment of helix E was detected for HR. This barrier correlated with a Pi-bulk interaction, which locally disrupts helix E and divides into two stable segments.

Conventional kinesin (kinesin-1) transports membrane-bounded cargos such as mitochondria and vesicles along microtubules. In vivo it is likely that several kinesins move a single organelle and it is important that they operate in a coordinated fashion so that they do not interfere with each other. Evidence for coordination comes from in vitro assays, which show that the gliding speed of a microtubule driven by many kinesins is as high as one driven by just a single kinesin molecule. Coordination is thought to be facilitated by flexible domains so that when one motor is bound another can work irrespectively of their orientations. The tail of kinesin-1 is predicted to be composed of a coiled-coil with two main breaks, the “swivel” (380-442 Dm numbering) and the hinge (560-624). The rotational Brownian motion of microtubules attached to a glass surface by single kinesin molecules was analyzed and measured the torsion elasticity constant. The deletion of the hinge and subsequent tail domains increase the stiffness of the motor (8±1 kBT/rad) compared to the full length (0.06±0.01 kBT/rad measured previously), but does not impair motor cooperation (700±16nm/s vs. full length 756±55nm/s - speed in high motor density motility assays). Removal of the swivel domain generates a stiff construct (7±1 kBT/rad), which is fully functional at single molecule (657±63nm/s), but it cannot work in large numbers (151±46nm/s). Due to the similar value of flexibility for both short construct (8±11 kBT/rad vs 7±1 1 kBT/rad) and their different behavior at high density (700±16 nm/s vs. 151±46 nm/s) a new hypothesis is presented, the swivel might have a strain dependent conformation. Using Circular Dichroism and Fluorescence the secondary structure of this tail region was studied. The central part of the swivel is dimeric α-helical and it is surrounded by random coils, thereby named helix-coil (HC) region. Furthermore, an experimental set-up is developed to exert a torque on individual kinesin molecules using hydrodynamic flow. The results obtained suggest for the first time the possibility that a structural element within the kinesin tail (HC region) has a force-dependent conformation and that this allows motor cooperation.

Optische Pinzetten stellen neuartige Werkzeuge in der Biophysik dar, die sich durch eine außerordentliche Präzision auszeichnen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden verfeinerte Bildanalysetechniken vorgestellt und neu entwickelt, die es erlauben, die Position eines Mikropartikels mit einer zeitlichen Auflösung von 0,017 s und einer Genauigkeit von ±2nm in lateraler und in axialer Richtung zu bestimmen. Dies ermöglicht eine Kraftauflösung von bis zu ±50 fN. Damit sind die Voraussetzungen für die Untersuchung von Rezeptor/Ligand-Wechselwirkungen auf der Ebene einzelner Bindungsereignisse gegeben. In der vorliegenden Arbeit werden die Wechselwirkungen zwischen den phosphorylierungsspezifischen Antikörpern HPT-101, HPT-104 und HPT-110 und Tau-Peptiden mit verschiedenen Phosphorylierungsmustern sowie zwischen DNA und den Proteinen TmHU und oPrPC untersucht. Die Wechselwirkungen zwischen Tau-Peptiden und Antikörpern werden jeweils anhand ihrer Bindungshäufigkeit sowie der Verteilung der Abrisskräfte charakterisiert. Mit einem aus der Literatur bekannten, theoretischen Modell werden folgende Bindungsparameter bestimmt: Lebenszeit der unbelasteten Bindung, charakteristische Länge und freie Aktivierungsenergie der Dissoziation. Im Einklang mit Ergebnissen einer immunochemischen Messung werden spezifische Wechselwirkungen zwischen HPT-101 und dem biphosphorylierten Tau-Peptid sowie zwischen HPT-104 bzw. HPT-110 und den Peptiden, die eine Phosphorylierung an Thr231 bzw. Ser235 enthalten, beobachtet. Zusätzlich ermöglicht die Einzelmolekülmethode auch eine detaillierte Charakterisierung der unspezifischen Wechselwirkungen mit den Tau-Peptiden, welche das jeweilige spezifisch erkannte Phosphorylierungsmuster nicht beinhalten. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit dem Einfluss der Proteine TmHU und oPrPC auf einen einzelnen, mit konstanter Kraft gehaltenen DNA-Strang. Der zeitliche Verlauf der TmHU-induzierten Kondensationsreaktion wird bei Kräften zwischen 2 pN und 40 pN sowie in Abhängigkeit von der Proteinkonzentration untersucht. Bei kleinen Kräften ist eine Verkürzung in zwei Phasen auf bis zu 30% der Konturlänge zu beobachten. Unter zusätzlicher Einbeziehung der Ergebnisse einer SMD-Simulation sowie einer rasterkraftmikroskopischen Untersuchung kann die erste Phase der Verkürzung einer primären Anbindung von TmHU zugeordnet werden. Die zweite Reaktionsphase entspricht hingegen vermutlich der Ausbildung einer Überstruktur. Die Wechselwirkung von oPrPC mit DNA wird zusätzlich mit einer kombinierten Anordnung aus Nanokapillare und optischer Pinzette untersucht. Dabei zeigt sich, dass ein Protein/DNA-Komplex ausgebildet wird, der eine negative Oberflächenladung aufweist und sich in seinem Volumen und seiner Ladung von reiner DNA unterscheidet. Allerdings hat oPrPC keinen Einfluss auf den Ende-zu-Ende-Abstand bzw. die Elastizität der DNA.

The work presented here has a multidisciplinary character, having as a common factor the characterization of self-assembled nanostructures through force spectroscopy. Exploring AFM as a tool for characterizing self-assembly and interaction forces in soft matter nanostructures, three different Bio and nonbiological systems where investigated, all of them share the common characteristic of being soft matter molecular structures at the nanoscale. The studied systems in question are: a) Polyelectrolyte – lipid nanocomposites. Single polyelectrolyte adsorption-desorption from supported lipid bilayers, b) Polyelectrolyte brushes and c) Virus-Like particles (VLPs). The scientific interest and industrial applications for each of these different nanostructures is broad, and their potential uses in the near future ranges from smart nanocontainers for drug and gene delivery, surface platforms for molecular recognition to the development of new nanodevices with ultrasensitive external stimuli responsiveness. These nano-structures are constructed following assembly of smaller subunits and belong to representative examples of soft matter in modern nanotechnology. The stability, behavior, properties and long term durability of these self-organized structures depends strongly on the environmental conditions to which they are exposed since their building mechanism is a balance between attractive noncovalent interactions and momentum transmitted collisions due Brownian motion of the solvent molecules. For example a set of long chain molecules firmly attached to one end to a surface will alter their conformation as the space between them is reduced or the environmental conditions are modified (i.e. ionic strength, pH or temperature). For a highly packed condition, this fuzzy surface known as a polyelectrolyte brush will then behave as a responsive material with tunable responsiveness. Thus the objective in the present case was to investigate the change in morphology and the mechanical response of a polyelectrolyte brush to external forces by application of AFM nanoindentations under different ionic strength conditions. The degree of penetration of the AFM tip through the brush will provide insights into the forces exerted by the brush against the tip. Compressions on the brush should aid to characterize its changes in compressibility for different salt concentrations. For the second chosen system, the interaction between two assembled interfaces was investigated at the single molecular level. A multilayered film formed by the consecutive assembly of oppositely charged polyelectrolytes and subsequently coated with a lipid membrane represents a fascinating soft composite material resembling more than a few structural components emerging in living organisms. The fluid bilayer, thus provide a biocompatible interface where additional functionalities can further be integrated (fusion peptides for instance). The smooth polymer cushion confers not only structural flexibility but also adaptability of the chosen substrate properties to be coated. This type of interface could be useful in the development of novel molecular biosensors with single molecule recognition capacities or in the fabrication of assays against pathogenic agents. The aim of this project was to study the molecular binding mechanism between the last polyelectrolyte layer and the lipid head group of the lower lipid leaflet. Understanding this adsorption mechanism between both interfaces, should likewise contribute to improve the fabrication of lipid coated polymeric nano/micro capsules with targeting properties. For example this could be critical in the field of nonviral gene therapy, where the improvement in the design of condensates of nucleic acids and other polymers with lipids (lipoplexes) are of main interest for its posterior use as delivery vectors. Finally, viral capsids were investigated. These naturally occurring assembled nanocontainers within living organisms stand for a remarkable example of nature’s morphological designs. These structures self-assemble from a small number of different proteins occurring in identical copies. The capsid as a self-assembled structure carries multiple functions: compaction of the genome, protection against external chemical threats, target recognition, structural support and finally facilitating the release of the genome into the host cell. It is highly interesting how these different functions are organized within the capsid which consists, for example, in the case of the norovirus of 180 identical copies of one single protein. Therefore, the mechanical stability and elastic properties of virus-like particles of Rubella and Norovirus were investigated by external application of loading forces with an AFM tip. The measurements were performed under conditions relevant for the virus infection mechanism. The applied compressions on these protein shells at pH values mimicking the virus life cycle will aid to learn about possible internal transitions among proteins which may be important for switching between the various functions of the capsid. The choice of two unrelated viral systems with different entry pathways into the cell and with different morphological architectures is expected to reveal crucial information about the stability and mechanical resistance to deformation of these empty membrane-coated and bare viral capsids. This last might provide clues on the stage of particle disassembly and cargo release during the final step of the infection process.

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