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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.

Bacterial cell wall proteins (S-layer) are - due to both the capability to self-assemble into two-dimensional crystals and their distinct chemical and structural properties - suitable for the deposition of metallic particles at their surface . The cluster growth is subject of this thesis. The binding of metal complexes to S-layers of Bacillus sphaericus and Sporosarcina ureae and their subsequent reduction leads to the formation of regularly arranged platinum or palladium cluster arrays on the biomolecular template. A heterogeneous nucleation mechanism is proposed for this process consisting of the binding of metal complexes and their subsequent reduction. The kinetics of the process and the binding of the complexes to the protein are characterized by UV/VIS spectroscopy. This thesis focuses on structural investigations by means of transmission electron microscopy, electron holography, scanning force microscopy, image analysis, and image processing. Preferred cluster-deposition sites are determined by correlation averaging. A more precise determination and quantification is obtained by Multivariate Statistical Analysis. Furthermore a method for the electron beam induced formation of highly-ordered metallic cluster arrays in the transmission electron microscope and a fast screening method for surface layers of Gram-positive bacteria are presented. / Bakterielle Zellhüllenproteine (S-Layer) eignen sich durch ihre Fähigkeit zur Selbstassemblierung zu zweidimensionalen Kristallen und durch ihre besonderen chemischen und strukturellen Eigenschaften zur Abscheidung regelmäßiger metallischer Partikel auf ihrer Oberfläche. In dieser Arbeit wird das Clusterwachstum auf S-Layern untersucht. Die Anbindung von Metallkomplexen an S-Layer von Bacillus sphaericus und Sporosarcina ureae und deren Reduktion führt zur Abscheidung periodisch angeordneter metallischer Platin- bzw. Palladiumcluster auf dem Biotemplat. Für diese Clusterbildung wird ein heterogener Keimbildungsmechanismus vorgeschlagen, bestehend aus Komplexanbindung und Reduktion. Die Bestimmung der Prozeßkinetik und die Charakterisierung der Anbindung der Komplexe an das Protein erfolgt mittels UV/VIS-Spektroskopie. Den Schwerpunkt dieser Arbeit bilden strukturelle Untersuchungen mit Hilfe der Transmissionselektronenmikroskopie, der Elektronenholographie, der Rasterkraftmikroskopie und der Bildanalyse und Bildverarbeitung. Durch Korrelationsmittelung werden Strukturinformationen gewonnen, die eine Bestimmung der lateral bevorzugten Clusterpositionen ermöglichen. Für die auf S-Layern erzeugten Clusterarrays wird die Belegung der einzelnen Positionen mittels Multivariater Statistischer Analyse genauer quantifiziert. Außerdem werden eine Methode zur Erzeugung hochgeordneter metallischer Partikelarrays unter dem Einfluß des Elektronenstrahles im Transmissionselektronenmikroskop und eine Methode zum schnellen Test Gram-positiver Bakterienstämme auf die Existenz von S-Layern vorgestellt.

The predominant tool for adaptation in Gram-negative bacteria is a genetic system called integron. It rearranges gene cassettes, promoting multiple antibiotic resistances, a recognized major global health threat. It is based on a unique recombination process involving a Tyrosine recombinase – called integrase IntI – and folded single-stranded DNA hairpins – called attC sites. Four recombinases and two attC sites form a macromolecular synaptic complex, which is key to the entire recombination process and the focus of our study. The bottom strand of all attC sites shows highest recombination in vivo, however, it still varies greatly and the underlying reason is unknown. We hypothesize that the difference in recombination efficiency arises from the variable mechanical stability of the synaptic complex, which in turn is affected by the attC site. Here, we established an optical tweezers force-spectroscopy assay that allows us to probe the synaptic complex stability for different DNA substrates and protein variants. We discovered a strong correlation between recombination efficiency and the mechanical stability of the synapse, indicating a regulatory mechanism from the DNA sequence to the quaternary complex structure stability. We have discovered protein residues interacting with the DNA in trans, within the synaptic complex, which reduces its stability. Furthermore, we discovered that the C-terminal helix, a conserved structural feature of tyrosine recombinases plays a key role in the stabilization of the tetramer assembly on the DNA, which upon mutation significantly destabilized the synaptic complex. Expanding upon this new understanding of synapse stability regulation we developed a novel approach for destabilizing the synaptic complex, potentially reducing the recombination efficiency. We designed α-helix mimicking peptides that would compete with the C-terminal tail of the integrase, block the interlocking interaction, and lead to synaptic complex destabilization. We have observed a prominent destabilizing effect on the synaptic complex already at 10 µM peptide concentration. Overall, our findings reveal new regulatory mechanisms in the recombination efficiency of the bacterial integron and provide first data for the active synapse destabilization mechanism. This novel understanding of the regulatory role the synaptic complex plays in the recombination efficiency of the integron system introduces a new approach to reduce the spread of antibiotic resistance among bacteria. / Das vorherrschende Anpassungsmittel bei gramnegativen Bakterien ist ein genetisches System, das Integron genannt wird. Es ordnet Genkassetten neu an und fördert so multiple Antibiotikaresistenzen, die eine globale Gesundheitsbedrohung darstellen. Es basiert auf einem einzigartigen Rekombinationsprozess, an dem eine Tyrosin-Rekombinase - Integrase IntI genannt - und gefaltete einzelsträngige DNA-Hairpins - attC-Stellen genannt - beteiligt sind. Vier Rekombinasen und zwei attC-Stellen bilden einen makromolekularen synaptischen Komplex, der für den gesamten Rekombinationsprozess entscheidend ist und im Mittelpunkt unserer Forschung steht. Der untere Strang aller attC-Stellen weist in vivo die höchste Rekombinationsrate auf, die jedoch aus unbekannten Grund stark variier. Wir vermuten, dass der Unterschied in der Rekombinationsrate auf die unterschiedliche mechanische Stabilität des synaptischen Komplexes zurückzuführen ist, die wiederum von der attC-Stelle beeinflusst wird. Hier haben wir einen Test mittels Kraft-spektroskopie mit einer optischen Pinzette entwickelt, mit dem wir die Stabilität des synaptischen Komplexes für verschiedene DNA-Substrate und Proteinvarianten untersuchen können. Wir stellten eine starke Korrelation zwischen der Rekombinationsrate und der mechanischen Stabilität der Synapse fest, was auf einen Regulationsmechanismus zwischen der DNA-Sequenz und der Stabilität der quaternären Komplexstruktur hinweist. Wir haben Proteinreste entdeckt, die innerhalb des synaptischen Komplexes mit der DNA in trans interagieren, was zu einer Verringerung dessen Stabilität führt. Darüber hinaus stellten wir fest, dass die C-terminale Helix, ein konserviertes Strukturmerkmal von Tyrosin-Rekombinasen, eine Schlüsselrolle bei der Stabilisierung des Tetramer-Aufbaus an der DNA spielt, die bei Mutation den synaptischen Komplex erheblich destabilisiert. Auf der Grundlage dieses neuen Verständnisses der Regulierung der Synapsenstabilität haben wir einen neuen Ansatz zur Destabilisierung des synaptischen Komplexes entwickelt, der die Effizienz der Rekombination verringern könnte. Wir entwarfen α-Helix-nachahmende Peptide, die mit dem C-terminalen Ende der Integrase konkurrieren, die Interlocking-Interaktion blockieren und zur Destabilisierung des synaptischen Komplexes führen. Wir haben eine deutliche destabilisierende Wirkung auf den synaptischen Komplex bereits bei einer Peptidkonzentration von 10 µM beobachtet. Insgesamt zeigen unsere Ergebnisse neue Regulationsmechanismen für die Rekombinationsleistung des bakteriellen Integrons auf und liefern erste Daten für den Mechanismus der aktiven Destabilisierung der Synapse. Dieses neue Verständnis der regulatorischen Rolle, die der synaptische Komplex bei der Rekombinationseffizienz des Integronsystems spielt, eröffnet einen neuen Ansatz zur Verringerung der Verbreitung von Antibiotikaresistenzen unter Bakterien.