Komplexe aus entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten haben sowohl in der Biologie als auch in den Materialwissenschaften eine große Bedeutung. Im Mittelpunkt des Interesses stehen besonders die Kondensation der DNA in vitro, die Struktur des Nukleosoms im Zellkern, nicht-virale Systeme zur Transfektion von DNA in Zellen oder der Vorgang der layer-by-layer Adsorption. Verschiedene Theorien befassen sich mit den treibenden Kräften solcher Komplexbildungen. Allerdings standen experimentelle Untersuchungen auf diesem Gebiet bisher noch aus. Dieser Arbeit liegt die Fragestellung zu Grunde, ob es mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie möglich ist, die Struktur einzelner Polyelektrolytkomplexe, bestehend aus den beiden Polyelektrolyten DNA und dendronisierten Polymer, aufzuklären und ihre Komplexbildung zu untersuchen. Die Komplexe bildeten sich in Lösung und wurden anschließend auf einer unbeschichteten oder mit positiven Polymeren beschichteten Glimmeroberfläche adsorbiert. Auf der positiv beschichteten Glimmeroberfläche hafteten DNA-dendronisierte Polymer Komplexe mit einem Ladungsverhältnis von 1:1 bis 1:0.7 (DNA:dendronisiertes Polymer). Anhand der hochaufgelösten rasterkraftmikroskopischen Aufnahmen wurde ein Modell entwickelt, das die Umwicklung der DNA um das dendronisierte Polymer beschreibt. Der DNA-DNA Abstand ergab sich zu (2.30 ± 0.27) nm für den Komplex mit DNA und zweiter Generation dendronisierter Polymere und zu (2.16 ± 0.27) nm mit vierter Generation. Die theoretische Vorhersage der Überladung der Komplexe konnte experimentell bestätigt werden. Mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie konnte überdies der Einfluss des Salzgehaltes der Lösung auf die Bildung der Komplexe mit DNA und zweiter Generation dendronisierter Polymere untersucht werden. Wie man anhand des Zusammenwirkens von elektrostatischen Kräften und entropischen Wechselwirkungen bei der Adsorption von Polyelektrolyten vorhersagen kann, durchlief der DNA-DNA Abstand ein Minimum bei ansteigendem Salzgehalt. Bei sehr hohem Salzgehalt (2.4 M NaCl) konnte das Ablösen der DNA von dem Komplex beobachtet werden. Die untersuchten DNA/dendroniserten Polymer Komplexe bilden ein neues Modellsystem, mit dem einzelne Polyelektrolyt-Wechselwirkungen direkt untersucht werden können. Ein Vergleich der experimentellen Daten mit den vorhandenen Theorien zeigte, dass der Prozess des Überladens weitgehend durch elektrostatische Wechselwirkung zwischen den beiden Polyelektrolyten beschrieben werden kann. Sowohl entropische Beiträge als auch die Biegeenergie der umwickelnden DNA sind vernachlässigbar. Basierend auf diesen Ergebnissen können neue Trägerstrukturen für effizientere nicht-virale DNA-Transfektionssysteme entwickelt werden. / Complexes of oppositely charged polyelectrolytes play an important role in both biology and material science, for instance DNA condensation in vitro, nucleosomal structure, non-viral gene transfection systems as well as layer-by-layer adsorption. Although there are theories predicting overcharging of polyelectrolyte complexes, the driving forces are still under debate and systematic experimental studies on single polyelectrolytes remain challenging. Therefore the question arose if it is possible to analyze single polyelectrolyte complexes, using DNA and dendronized polymers, with the scanning force microscope in order to investigate the complexation in detail. For the complex analysis, the polyelectrolytes were allowed to interact in solution and then to adsorb on negatively charged mica or on mica coated with a positively charged polymer. Scanning force microscopy was used to investigate the adsorbed species. DNA/dendronized polymer complexes of charge ratio of 1/1 through 1/0.7 adsorbed on mica coated with a positively charged polymer. The analysis of high resolution molecular images indicated that DNA wraps around the dendronized polymer with an estimated pitch of (2.30 ± 0.27) nm and (2.16 ± 0.27) nm for dendronized polymers of generation two and four, respectively. In the proposed model the polyelectrolyte with the smaller linear charge density is wrapped around the more highly charged dendronized polymer, resulting in a negatively overcharged complex. This overcharging is consistent within recent theories of spontaneous overcharging of complexes of one polyelectrolyte wrapping around the other. Using the complex of DNA and dendronized polymers of second generation, the influence of monovalent salt concentration on the molecular structure was studied. By increasing the salt concentration the pitch showed a minimum as predicted by the interplay of electrostatic forces and entropic interactions of polyelectrolyte adsorption. At high salt concentration (2.4 M NaCl) the release of DNA from the complex can be observed. The results showed that the DNA/dendronized polymer system can be used as a new, high potential model system to investigate single polyelectrolyte interactions. With regard to recent theories, the experimental results indicate that the overcharging of the complex is mainly driven by electrostatic forces whereas contributions of counterion entropy and bending energy seem to be negligible. This understanding may be useful for the design of single polyelectrolyte complexes for non-viral gene delivery systems and might help to optimize the transfection efficiency based on the structure of the vector system.

Proteinadsorption ist in vielen biotechnologischen Anwendungen ubiquitär und ein zentrales Forschungsfeld in der Physik der weichen Materie. Das Verstehen der treibenden Kräfte hinter der Proteinadsorption würde zu einer besseren Kontrolle des Adsorptionsprozesses führen und die Entwicklung von Biosystemen mit beispielloser Funktionalität ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wird die Proteinadsorption an weichen polymerartigen Biomaterialien sowie deren physikalische Wechselwirkungen unter Verwendung von zwei unterschiedlichen neu entwickelten Ansätzen theoretisch untersucht. Im ersten Teil wird ein neues mehrkomponentiges kooperatives Bindungsmodell entwickelt, um die Gleichgewichts-Adsorption von Proteinen auf Mikrogelen zu beschreiben. Es war somit möglich, die wahre treibende Kraft der Proteinadsorption zu identifizieren, die hauptsächlich elektrostatischen Ursprungs ist. Eine Errungenschaft des kooperativen Bindungsmodells ist die Vorhersage der kompetitiven Proteinadsorption und -desorption auf das Mikrogel, die auf thermodynamischen Parametern der Adsorption von Proteinen einzelner Sorten basiert. Vergleiche zwischen Experimenten mit binären Proteinmischungen und theoretischen Berechnungen zeigten sehr gute Übereinstimmungen. Der zweite Teil fokussiert auf Protein-Wechselwirkungen mit Polyelektrolyten, um Adsorptionsprozesse auf mikroskopischer Ebene zu erklären. Dafür wurden geladene fleckige Partikel konstruiert und als Proteinmodelle verwendet, während ein einfaches Kugel-Feder-Modell für das Polyelektrolyt und Polyelektrolytbürste benutzt wurde. Ein zentraler Aspekt war die Bestimmung der freien Energie, das Potential der mittleren Kraft (PMF), für die Komplexbildung der beiden Bestandteile mit Vergleichen zur Modellentwicklungen. Die Simulationsergebnisse legen ein komplexes Wechselspiel von elektrostatischen Kräften und Ionenfreisetzungsmechanismen dar, die für die starken attraktiven Wechselwirkungen in den PMFs verantwortlich sind. / Protein adsorption is ubiquitous in many biotechnological applications and has become a central research field in soft matter. Understanding the driving forces behind protein adsorption would allow a better control of the adsorption process and the development of biosystems with unprecedented functionality. In this thesis, protein adsorption onto soft polymeric biomaterials and their physical interactions is studied theoretically by using two different and newly developed approaches. In the first part, a novel multi-component cooperative binding model is developed to describe the equilibrium adsorption of proteins onto microgels. It was thus possible to correctly identify the true driving force behind the protein adsorption which was found to be mainly of electrostatic origin. A key achievement by the cooperative binding model is the prediction of competitive protein adsorption and desorption onto the microgel that is based on thermodynamic parameters related to single-type protein adsorption without any variable parameters. Comparisons between experimental data of binary protein mixtures and theoretical calculations have shown excellent agreements. The second part is focused on protein interactions with polyelectrolyte materials to elucidate adsorption processes on a microscopic level. For this purpose, charged patchy particles are constructed and used as protein models while a simple bead-spring model is employed for the polyelectrolyte and polyelectrolyte brush. A central aspect was the determination of the associated free energy, the potential of mean force (PMF), on the complex formation between the two constituents with comparisons to theoretical model developments. The simulation results evidenced a complex interplay of electrostatic forces and ion release mechanisms to be responsible for the strong attractive interactions observed in the PMFs.