This thesis contains several contributions to the theoretical description and interpretation of biophysical single-molecule measurements: (i) For semiflexible polymers, we derive an efficient formulation of their local transverse dynamics in terms of a Generalized Langevin Equation. The elastic and frictional properties of the polymer are condensed into a memory kernel that is a function of the polymer\'s length and stiffness, the level of backbone tension, the position of the force probe along the polymer backbone and the boundary conditions at the polymer ends. At short times, the memory kernel attains a universal limiting form that depends neither on the polymer length nor on the boundary conditions; we obtain analytical results that accurately describe this regime. We discuss how to quickly and reliably evaluate the memory kernel for arbitrary times using a spectral decomposition method, and use an extensive body of numerical data to obtain analytical approximations to the memory kernel that cover the complementary long-time limit wherein polymer friction can be subsumed under a renormalized drag coefficient. (ii) Based on a systematic nonequilibrium treatment of an overdamped, one-dimensional stochastic escape process driven by external force, we develop a theory of Dynamic Force Spectroscopy (DFS) that generalizes previously available DFS theories to the high loading rates realized in novel experimental assays and in computer simulations. (iii) Extrapolating to future DFS experiments that may operate at far higher time resolution than presently achievable, we discuss the fast nonequilibrium relaxation of a semiflexible linker after bond rupture. Based on a rigorous theory of tension propagation in semiflexible polymers, we predict the relaxation of force within the force actuator, show that this relaxation is dominated by linker contraction, and demonstrate quantitative agreement of our predictions with experimental data obtained by a collaborating experimentalist group.

La spectroscopie de champ proche couplée à la possibilité de manipuler des nano-objets uniques permet de sonder des interactions dans des conditions de dilution élevées et de manière contrôlée. Dans ce sujet, deux techniques de spectroscopie à sonde locale ont été mises à profit. D'une part, couplée à la microscopie à effet tunnel (STM), la spectroscopie Raman exaltée par effet de pointe (TERS) a été mise à profit pour l'observation de la signature vibrationnelle de rotaxanes adsorbés sur une surface d'or. Les topographies STM (microscopie à effet tunnel) ont permis de caractériser en conditions ambiantes des rotaxanes individuels. D'autre part, la spectroscopie dynamique de force (AFM-DFS) appliquée à l'étude des interactions entre un oligopeptide CK(AAAAK)2C et une surface d'or a révélé plusieurs signatures s'échelonnant de 100 pN à plus de 300 pN, et plus rarement, quelques signatures supérieures à 1 nN. Les expériences de contrôle garantissent la spécificité de l'interaction. Nous avons également testé une correspondance entre les modèles cinétiques appliqués dans les systèmes ligand-récepteur à notre système par variation du taux de charge : Bell-Evans et Friddle-DeYoreo. Plusieurs méthodes d'exploitation, en fonction de l'expression prise pour le taux de charge tenant compte où non de la dynamique de dépliement de l'agent de couplage ont été testées. Un outil numérique a également été développé pour le traitement automatique des courbes de force. Les biais liés au sous-échantillonnage de données, à une sélection manuelle, ou au choix des critères de classement des variables sont limités par la mise en place d'outils automatisant ce processus. / Beyond simply imaging, near-field techniques allow to probe and control molecular interactions onto a reduced number of molecules, if not a single one. In this subject, we took advantage of two local-probe spectroscopies. On the one hand, dynamic force spectroscopy (AFM-DFS) was applied to measure interactions between the oligopeptide CK(AAAAK)2C and a gold surface. It revealed several signatures ranging from 100 to 300 pN and more rarely some signatures above 1 nN. In order to interpret this complex response, we tested the kinetic models of Bell-Evans and Friddle-De Yoreo generally applied in ligand-receptor systems onto our system when the loading rate, i.e. the variation of the applied force per unit of time, is varied. Several interpretation methods including or not the effect of the unfolding of the coupling agent into the loading rate expression were tested. A numeric tool was also developed for the automatic processing of the force curves. Biases related to under-sampling of data, due to manual selection, or due to variables classification and mis-representation were limited by the implementation of tools automating the whole process. On the other hand, coupled to Scanning Tunneling Microscopy (STM), tip enhanced Raman spectroscopy (TERS) allowed us to observe the vibrational signature of a giant rotaxane on a gold substrate. STM images performed in ambient conditions could moreover highlight domains with individual molecules.

In dieser Dissertation werden die Bindungseigenschaften von Rezeptor-Ligand-Komplexen mit Hilfe von Optischen Pinzetten untersucht. Aufgrund ihrer außerordentlichen Orts- (2nm) und Kraftauflösung (0,2pN) ist es möglich, diese spezifischen Interaktionen anhand einzelner Bindungsereignisse zu charakterisieren. Als Modellsysteme dienen die Wechselwirkungen zwischen den phosphorylierungsspezifischen, monoklonalen Antikörpern HPT-101 und HPT-104 und dem Morbus Alzheimer relevanten Tau-Peptid. Dieses pathogen veränderte Peptid wird krankheitsspezifisch an den Aminosäuren Threonin231 und Serin235 phosphoryliert, sodass die Detektion dieses Phosphorylierungsmusters mit Hilfe von monoklonalen Antikörpern eine mögliche Früherkennung der Alzheimer-Krankheit darstellt. Eine notwendige Voraussetzung dafür ist jedoch die exakte Kenntnis der Bindungsstellen des Liganden am Rezeptor. Ziel des ersten Teils dieser Arbeit ist es, das Epitop des monoklonalen Antikörpers HPT-101 zu bestimmen. Dazu werden mögliche bindungsrelevante Aminosäuren durch ein Alanin ausgetauscht (Alanin-Scan) und so insgesamt sieben neue Tau-Isoformen aus dem ursprünglichen doppelt-phosphorylierten Peptid Tau[pThr231/pSer235] hergestellt. Die jeweiligen Interaktionen zwischen den modifizierten Peptiden und dem Antikörper werden mit der dynamischen Kraftspektroskopie untersucht und mit Hilfe eines literaturbekannten Modells analysiert. Die sich daraus ergebenden Bindungsparameter (Lebensdauer der Bindung, charakteristische Bindungslänge, freie Aktivierungsenergie und Affinitätskonstante) werden zusammen mit den relativen Bindungshäufigkeiten erstmals genutzt, um Kriterien für essentielle, sekundäre und nicht-essentielle Aminosäuren im Tau-Peptid zu definieren. Bemerkenswerterweise existieren für insgesamt drei dieser Parameter (Bindungslebensdauer, Bindungslänge und Affinitätskonstante) scharfe Klassengrenzen, mit denen eine objektive Einteilung des Epitops von Antikörper HPT-101 möglich ist. Die erhaltenen Ergebnisse sind in überzeugender Weise im Einklang mit ELISA-Messungen zu diesem Antikörper-Peptid-Komplexen, sie liefern jedoch einen tieferen Einblick in die Natur einer spezifischen Bindung, da den kraftspektroskopischen Messungen auch die Bindungskinetik zugänglich ist. Das zweite Projekt der vorliegenden Dissertation etabliert eine Methodik, um die Datenvarianz in der Bestimmung der relativen Bindungshäufigkeit zu reduzieren. Anhand einer Kombination aus Fluoreszenz- und kraftspektroskopischen Messungen werden die Wechselwirkungen zwischen dem monoklonalen Antikörper HPT-104 und dem fluoreszenzmarkierten Peptid Tau[Fl-pThr231] untersucht. Es wird gezeigt, dass durch Vorsortieren der Peptid-beschichteten Kolloide, entsprechend ihrer Oberflächenbeladung, die Datenvarianz in den Bindungshäufigkeitsmessungen signifikant reduziert wird.

I develop an analytically tractable model of dynamic force spectroscopy by considering the forced escape of a Brownian particle out of a potential well, along a one-dimensional reaction pathway. I compute explicit expressions for pertinent experimental observables, such as average bond lifetimes and rupture force distributions. The results generalize conventional quasistatic theories to arbitrary forces and loading rates, thus covering the whole range of conditions found in experiments and all-atom simulations. The theory is extended to so-called catch-slip bonds that play an important role in biology, and to “hidden” degrees of freedom, which may bear significantly on the observed bond kinetics at high loading rates.

Abstract This thesis describes the design, fabrication and operation of a microfluidic device for the screening of biomolecule mixture surface mediated effects. The characterisation of a surface immobilisation strategy that will allow the robust attachment of candidate biomolecules on a substrate for use in cell culture applications. This is carried out in the form of a modified and optimised layer-by-layer surface immobilisation strategy and its subsequent thorough and robust characterisation. This was achieved by compiling and critically analysing large amounts of quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D) data and the model utilised to provide meaningful, physical data as an output. QCM-D data was combined with surface plasmon resonance (SPR) data to validate the assumptions used within the QCM-D model package. Further evidence demonstrating the presence of the multilayer, as described by QCM-D and SPR, is achieved using x-ray photoelectron spectroscopy (XPS). These results show that the multilayer surface is robustly attached to the substrate and consists of a large amount of water whilst being able to immobilise mixtures of four proteins. A custom protocol for fabricating these two layer devices was devised and is presented. Scale limitations have been overcome to provide mixing capabilities for large extracellular matrix molecules to be immobilised on the previously described, microfluidically generated surface immobilisation strategy. The optimisation and characterisation of the mixing within this microfluidic device, affected by the incorporated staggered herring bone mixer is also shown. Using dynamic force spectroscopy (DFS) along with a custom designed force curve data processing and analysis package, the spatial localisation of a mixture of four immobilised biomolecules was determined. The aim of this study was to compare the spatial localization of a mixture of four biomolecules created by; standard cell culture protocols (adsorbed from bulk onto tissue culture polystyrene) and a surface created via microfluidic deposition on top of a previously described surface immobilisation strategy. The design and robust application of this custom analysis package allows the definition of a “Barricade of Specificity” such that interactions between an antibody functionalised AFM tip and a surface composed of a mixture of proteins, to be categorised as either a “true” specific interaction, or a non-specific interaction. The application of this Barricade of Specificity thus allows the spatial localisation of four immobilized biomolecules to be determined with a large degree of accuracy as a result of the large rage of non-specific interactions surveyed and the strict definition of a valid rupture force. The final chapter details the application of the microfluidic platform to enable high throughput screening of the effects of extracellular matrix (ECM) molecules, singly and in combination, with regards to the effect on the expression of cell surface markers on umbilical cord blood (UCB) derived CD34+ cells. Careful selection of candidate ECM molecules, cytokine and oxygen concentration has resulted in little difference in the effect on UCB derived CD34+ cells differentiation state after seven days in culture. The major effect has been the maturation towards lymphocyte and leukocyte precursors. However, of the four ECM molecules tested individually, in binary and in quaternary combinations, osteopontin (Opn) and laminin (Ln) demonstrated differences compared to other surfaces tested. In order to further assess the effect of these protein surfaces on the cell surface marker expression of UCB derived CD34+ cells, further tests are warranted for increased periods of time to enable greater discrimination in marker expression and thus increase our understanding of the fundamental biology of this rare and clinically useful cell source.

Optical tweezers are a technique in which microscopic-sized particles, including living cells and bacteria, can be non-intrusively trapped with high accuracy solely using focused light. The technique has therefore become a powerful tool in the field of biophysics. Optical tweezers thereby provide outstanding manipulation possibilities of cells as well as semi-transparent materials, both non-invasively and non-destructively, in biological systems. In addition, optical tweezers can measure minute forces (< 10-12 N), probe molecular interactions and their energy landscapes, and apply both static and dynamic forces in biological systems in a controlled manner. The assessment of intermolecular forces with force measuring optical tweezers, and thereby the biomechanical structure of biological objects, has therefore considerably facilitated our understanding of interactions and structures of biological systems. Adhesive bacterial organelles, so called pili, mediate adhesion to host cells and are therefore crucial for the initial bacterial-cell contact. Thus, they serve as an important virulence factor. The investigation of pili, both their biogenesis and their expected in vivo properties, brings information that can be of importance for the design of new drugs to prevent bacterial infections, which is crucial in the era of increased bacterial resistance towards antibiotics. In this thesis, an experimental setup of a force measuring optical tweezers system and the results of a number of biomechanical investigations of adhesive bacterial organelles are presented. Force measuring optical tweezers have been used to characterize three different types of adhesive organelles under various conditions, P, type 1, and S pili, which all are expressed by uropathogenic Escherichia coli. A quantitative biophysical force-extension model, built upon the structure and force response, has been developed. It is found, that this model describes the biomechanical properties for all three pili in an excellent way. Various parameters in their energy landscape, e.g., bond lengths and transition barrier heights, are assessed and the difference in behavior is compared. The work has resulted in a method that in a swift way allows us to probe different types of pili with high force and high spatial resolution, which has provided an enhanced understanding of the biomechanical function of these pili. / Optisk pincett är en teknik i vilken mikrometerstora objekt, inkluderande levande celler och bakterier, beröringsfritt kan fångas och förflyttas med hög noggrannhet enbart med hjälp av ljus. Den optiska pincetten har därmed blivit ett kraftfullt verktyg inom biofysiken, som möjliggör enastående precisions-manipulering av celler och semi-transparenta objekt. Dessutom kan denna manipulation göras intracellulärt, dvs. utan att fysiskt öppna eller penetrera cellernas membran. Den optiska pincetten kan även mäta mycket små krafter och interaktioner (< 10-12 N) samt applicera både statiska och dynamiska krafter i biologiska system med utmärkt precision. Optisk pincett är därför en utmärkt teknik för mätning av intermolekylära krafter och för bestämning av biomekaniska strukturer och dess funktioner. Vissa typer av bakterier har specifika vidhäftningsorganeller som kallas för pili. Dessa förmedlar vidhäftningen till värdceller och är därför viktiga vid bakteriens första kontakt. En djupare förståelse av pilis uppbyggnad och biomekanik kan därmed ge information, som kan vara vital i framtagandet av nya mediciner som förhindrar bakteriella infektioner. Detta är av stor vikt i skenet av den ökande antibiotikaresistensen i vårt samhälle. I denna avhandling presenteras konstruktionen av en experimentell uppställning av kraftmätande optiskt pincett tillsammans med resultat från biomekaniska undersökningar av vidhäftande bakteriella organeller. Kraftmätande optisk pincett har använts för att karakterisera tre olika typer av pili, P, typ 1, och S pili, vilka kan uttryckas av uropatogena Escherichia coli. En kvantitativ biofysikalisk modell som beskriver deras förlängningsegenskaper under pålagd kraft har konstruerats. Modellen bygger på pilis strukturella uppbyggnad samt på dess respons som uppmäts med den kraftmätande optiska pincetten. Modellen beskriver de biomekaniska egenskaperna väl för alla tre pili. Dessutom kan ett antal specifika bindnings- och subenhetsparametrar bestämmas, t.ex. interaktionsenergier och bindningslängder. Skillnaden mellan dessa parametrar hos de tre pilis samt deras olika kraftrespons har jämförts. Detta arbete har dels resulterat i en förbättrad förståelse av pilis biomekaniska funktion och dels i en metod som, med hög noggrannhet, tillåter oss att bestämma ett antal biomekaniska egenskaper hos olika organeller på ett effektivt sätt.

Adhesion of biological cells to their environment is mediated by two-dimensional clusters of specific adhesion molecules which are assembled in the plasma membrane of the cells. Due to the activity of the cells or external influences, these adhesion sites are usually subject to physical forces. In recent years, the influence of such forces on the stability of cellular adhesion clusters was increasingly investigated. In particular, experimental methods that were originally designed for the investigation of single bond rupture under force have been applied to investigate the rupture of adhesion clusters. The transition from single to multiple bonds, however, is not trivial and requires theoretical modelling. <br><br> Rupture of biological adhesion molecules is a thermally activated, stochastic process. In this work, a stochastic model for the rupture and rebinding dynamics of clusters of parallel adhesion molecules under force is presented. In particular, the influence of (i) a constant force as it may be assumed for cellular adhesion clusters is investigated and (ii) the influence of a linearly increasing force as commonly used in experiments is considered. Special attention is paid to the force-mediated cooperativity of parallel adhesion bonds. Finally, the influence of a finite distance between receptors and ligands on the binding dynamics is investigated. Thereby, the distance can be bridged by polymeric linker molecules which tether the ligands to a substrate. / Adhäsionskontakte biologischer Zellen zu ihrer Umgebung werden durch zweidimensionale Cluster von spezifischen Adhäsionsmolekülen in der Plasmamembran der Zellen vermittelt. Aufgrund der Zellaktivität oder äußerer Einflüsse sind diese Kontakte normalerweise Kräften ausgesetzt. Der Einfluss mechanischer Kräfte auf die Stabilität zellulärer Adhäsionscluster wurde in den vergangenen Jahren verstärkt experimentell untersucht. Insbesondere wurden experimentelle Methoden, die zunächst vor allem zur Untersuchung des Reißssverhaltens einzelner Moleküle unter Kraft entwickelt wurden, zur Untersuchung von Adhäsionsclustern verwendet. Die Erweiterung von einzelnen auf viele Moleküle ist jedoch keineswegs trivial und erfordert theoretische Modellierung. <br><br> Das Reißen biologischer Adhäsionsmoleküle ist ein thermisch aktivierter, stochastischer Prozess. In der vorliegenden Arbeit wird ein stochastisches Modell zur Beschreibung der Reiß- und Rückbindedynamik von Clustern paralleler Adhäsionsmoleküle unter dem Einfluss einer mechanischen Kraft vorgestellt mit dem die Stabilität der Cluster untersucht wird. Im besonderen wird (i) der Einfluss einer konstante Kraft untersucht wie sie in zellulären Adhäsionsclustern angenommen werden kann und (ii) der Einfluss einer linear ansteigenden Kraft betrachtet wie sie gemeinhin in Experimenten angewendet wird. Besonderes Augenmerk liegt hier auf der durch die Kraft vermittelte Kooperativität paralleler Bindungen. Zuletzt wird der Einfluss eines endlichen Abstandes zwischen Rezeptoren und Liganden auf die Dynamik untersucht. Der Abstand kann hierbei durch Polymere, durch die die Liganden an das Substrat gebunden sind, überbrückt werden.

The Atomic Force Microscope (AFM) is an instrument that is capable of measuring intermolecular forces between single molecules. Multi-Parameter Force Spectroscopy (MPFS) is a technique that uses the AFM. MPFS enables the acquisition of force curves and thermal resonance of the system under investigation. This technique can shed light on the mechanical behavior at the molecular level. Improvements described herein have enhanced the sensitivity of MPFS over background noise. This investigation focuses on the mechanical and interfacial properties of three carbon nanostructures: long nanotubes, nanocoils, and nanoloops. Different types of adhesion are encountered, measured and discussed: friction, rupture, and peeling. The elastic modulus of long carbon nanotubes is calculated from frequency shifts when the system is put into tension. An elastica model is applied to the post-buckled carbon nanotubes, which enables the estimation of the static coefficient of friction on chemically modified surfaces. The compression of a nanocoil at large contact angles reveals that changes in oscillation amplitude do not occur from damping, but from adding stiffness into the systems measured herein. This result is counter to the assumptions of dynamic force spectroscopy. Finally, carbon nanoloops are brought into and out of contact with several different surfaces. The force curve and frequency response of the system shows the difference between rupture and peeling. The results presented herein lead to a better understanding of the mechanical and tribological properties of the carbon nanostructures.

In dieser Dissertation werden die Bindungseigenschaften von Rezeptor-Ligand-Komplexen mit Hilfe von Optischen Pinzetten untersucht. Aufgrund ihrer außerordentlichen Orts- (2nm) und Kraftauflösung (0,2pN) ist es möglich, diese spezifischen Interaktionen anhand einzelner Bindungsereignisse zu charakterisieren. Als Modellsysteme dienen die Wechselwirkungen zwischen den phosphorylierungsspezifischen, monoklonalen Antikörpern HPT-101 und HPT-104 und dem Morbus Alzheimer relevanten Tau-Peptid. Dieses pathogen veränderte Peptid wird krankheitsspezifisch an den Aminosäuren Threonin231 und Serin235 phosphoryliert, sodass die Detektion dieses Phosphorylierungsmusters mit Hilfe von monoklonalen Antikörpern eine mögliche Früherkennung der Alzheimer-Krankheit darstellt. Eine notwendige Voraussetzung dafür ist jedoch die exakte Kenntnis der Bindungsstellen des Liganden am Rezeptor. Ziel des ersten Teils dieser Arbeit ist es, das Epitop des monoklonalen Antikörpers HPT-101 zu bestimmen. Dazu werden mögliche bindungsrelevante Aminosäuren durch ein Alanin ausgetauscht (Alanin-Scan) und so insgesamt sieben neue Tau-Isoformen aus dem ursprünglichen doppelt-phosphorylierten Peptid Tau[pThr231/pSer235] hergestellt. Die jeweiligen Interaktionen zwischen den modifizierten Peptiden und dem Antikörper werden mit der dynamischen Kraftspektroskopie untersucht und mit Hilfe eines literaturbekannten Modells analysiert. Die sich daraus ergebenden Bindungsparameter (Lebensdauer der Bindung, charakteristische Bindungslänge, freie Aktivierungsenergie und Affinitätskonstante) werden zusammen mit den relativen Bindungshäufigkeiten erstmals genutzt, um Kriterien für essentielle, sekundäre und nicht-essentielle Aminosäuren im Tau-Peptid zu definieren. Bemerkenswerterweise existieren für insgesamt drei dieser Parameter (Bindungslebensdauer, Bindungslänge und Affinitätskonstante) scharfe Klassengrenzen, mit denen eine objektive Einteilung des Epitops von Antikörper HPT-101 möglich ist. Die erhaltenen Ergebnisse sind in überzeugender Weise im Einklang mit ELISA-Messungen zu diesem Antikörper-Peptid-Komplexen, sie liefern jedoch einen tieferen Einblick in die Natur einer spezifischen Bindung, da den kraftspektroskopischen Messungen auch die Bindungskinetik zugänglich ist. Das zweite Projekt der vorliegenden Dissertation etabliert eine Methodik, um die Datenvarianz in der Bestimmung der relativen Bindungshäufigkeit zu reduzieren. Anhand einer Kombination aus Fluoreszenz- und kraftspektroskopischen Messungen werden die Wechselwirkungen zwischen dem monoklonalen Antikörper HPT-104 und dem fluoreszenzmarkierten Peptid Tau[Fl-pThr231] untersucht. Es wird gezeigt, dass durch Vorsortieren der Peptid-beschichteten Kolloide, entsprechend ihrer Oberflächenbeladung, die Datenvarianz in den Bindungshäufigkeitsmessungen signifikant reduziert wird.

This thesis contains several contributions to the theoretical description and interpretation of biophysical single-molecule measurements: (i) For semiflexible polymers, we derive an efficient formulation of their local transverse dynamics in terms of a Generalized Langevin Equation. The elastic and frictional properties of the polymer are condensed into a memory kernel that is a function of the polymer\''s length and stiffness, the level of backbone tension, the position of the force probe along the polymer backbone and the boundary conditions at the polymer ends. At short times, the memory kernel attains a universal limiting form that depends neither on the polymer length nor on the boundary conditions; we obtain analytical results that accurately describe this regime. We discuss how to quickly and reliably evaluate the memory kernel for arbitrary times using a spectral decomposition method, and use an extensive body of numerical data to obtain analytical approximations to the memory kernel that cover the complementary long-time limit wherein polymer friction can be subsumed under a renormalized drag coefficient. (ii) Based on a systematic nonequilibrium treatment of an overdamped, one-dimensional stochastic escape process driven by external force, we develop a theory of Dynamic Force Spectroscopy (DFS) that generalizes previously available DFS theories to the high loading rates realized in novel experimental assays and in computer simulations. (iii) Extrapolating to future DFS experiments that may operate at far higher time resolution than presently achievable, we discuss the fast nonequilibrium relaxation of a semiflexible linker after bond rupture. Based on a rigorous theory of tension propagation in semiflexible polymers, we predict the relaxation of force within the force actuator, show that this relaxation is dominated by linker contraction, and demonstrate quantitative agreement of our predictions with experimental data obtained by a collaborating experimentalist group.