Im Rahmen der Diplomarbeit wurde das Bleichverhalten der organischen Fluoreszenzfarbstoffe Rhodamin 6G und DCM untersucht. Dazu wurden Absorptionsmessungen sowie spektroskopische und mirkoskopische Verfahren angewandt. Es konnte auf Ensembleebene sowie durch Statistiken für einzelne Moleküle gezeigt werden, dass ein reversibler und eine irreversibler Anteil des Bleichens existieren und sich diese Experimentell voneinander trennen lassen.

Quantentechnologien sind im Begriff sich von Laborversuchen zu effizienten Anwendungen zu entwickeln. Die Quantenzustände einzelner Photonen spielen dabei die Rolle als Bindeglied zwischen stationären Quantensystemen. Ein hybrider Ansatz wird verfolgt, um die Wechselwirkung gezielt zwischen im Wellenleiter geleiteten Photonen und gekoppelten Quantenemittern zu erreichen. Die Dissertation untersucht zwei zentrale Aspekte solcher hybriden photonischen Quantentechnologien: die effiziente Erzeugung von Photonen und die Optimierung von photonischen Strukturen. Der erste Teil dieser Arbeit behandelt die Entwicklung einer optischen Mikrotechnology. Integrierte nano-photonische Wellenleiter aus Siliziumnitrid wurden für die Kopplung zu Quantenemittern entworfen, optimiert und optisch untersucht. Das finale Design wurde erfolgreich in Kopplungsexperimenten verwendet, bei denen 42 % der Fluoreszenz eines einzelnen Moleküls an einen Wellenleiter gekoppelt wurde. Der zweite Teil der Arbeit untersucht zwei Einzelphotonenquellen. Zunächst wurde ein neuartiger Einzelphotonenemitter basierend auf Defektzentren in Zinkoxid optisch bei tiefen Temperaturen untersucht. Es konnte im Zuge dieser Arbeit erstmals gezeigt werden, dass die Photonen von nano-strukturiertem Zinkoxid sehr schmalbandige Emission aufweisen. Im letzten Teil, wird eine Einzelphotonenquelle bestehend aus einem organischen Molekül untersucht. Bei kryogenen Temperaturen wurden Lebenszeit-limitierte Linienbreiten auf den Molekülproben detektiert. Die Rabi-Oszillationen zwischen den Molekülzuständen konnten akkurat durch eine quantenmechanische Theorie beschrieben werden, wodurch die Vermessung der Dephasierung des Quantensystems durch die nanoskopische Umgebung präzise studiert werden konnte. Die Ergebnisse dieser Arbeit zur Kopplung von Einzelphotonenquellen stellen die Grundlage für weitere Anwendungen durch eine photonische Quantentechnologie dar. / Quantum technologies are on the verge to transition from laboratory experiments to efficient integrated applications. The quantum states of photons are the connecting link between individual stationary quantum systems. A hybrid approach is employed to tailor the interaction of routed photons with optically coupled quantum systems. The thesis investigates two core aspects of a hybrid photonic quantum technology: efficient single photon generation and optimized photonic micro-structures, suitable to form a hybrid system. In the first part of this work, nano-photonic integrated structures were optimized for efficient coupling to quantum emitters. Optical waveguides based on silicon nitride (SiN) were designed, fabricated, and optically characterized. The final design was successfully employed in coupling experiments, where up to 42% of the fluorescence from a single molecule was coupled to a waveguide. In the second part of this thesis two single photon sources are investigated towards their implementation into a hybrid photonic system. First, a novel single photon source based on a defect center in zinc oxide was optically investigated at room-temperature and cryogenic temperature. Spectrally narrow zero-phonon lines of the fluorescence from nano-structured zinc oxide were measured for the first time during this work. A second emitter system, based on an organic dye molecule was investigated in the final part of this research. At cryogenic temperatures, single molecules showed lifetime-limited linewidths of <50MHz. A resonant laser source drives Rabi oscillations, which are accurately described by the quantum mechanical theory of a two-level system. The system's decoherence was mapped, illustrating the quantum sensing capabilities of the system. The results presented in this thesis on coupling efficiencies and single emitter performance provide the necessary background of the elements composing a future hybrid technology.

In der vorliegenden Arbeit wurden Messungen zur Multiphotonenanregung von HCl durchgeführt. Die untersuchten Moleküle wurden dabei in einem Molekularstrahl innerhalb eines Vierpols durch Laserlicht variabler Wellenlänge angeregt. Bei verlustfreier Führung im Vierpol konnten die dabei entstandenen Ionen anhand ihrer Flugzeit bestimmt werden. Die Aufnahme von Wellenlängenspektren für einzelne Massen ermöglichte die Bestimmung der am Zerfall des Moleküls beteiligten resonanten Zwischenzustände. Eine Analyse der Flugzeitspektren der Protonen führte zu genaueren Aussagen über die vorliegenden Zerfallskanäle. Der Schwerpunkt dieser Arbeit wurde dabei auf die Ionenpaarbildung, H+ + Cl-, gelegt.

Diese Arbeit beschreibt die Untersuchung der Diffusion in dünnen Flüssigkeitsfilmen auf festen Oberflächen mit Methoden der Einzelmoleküldetektion. Anhand von Computersimulationen wird die Spotgrößenanalyse als neue Methode zur Analyse von Diffusionsprozessen vorgestellt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Diffusion von Farbstoffen in ultradünnen Flüssigkeitsfilmen stark verlangsamt ist. In einem ca. 3 nm dicken Film aus Tetrakis(2-ethyl-hexoxy)-silan werden Diffusionsprozesse beobachtet, die durch Sprünge zwischen Bereichen mit diskreten Werten der Diffusionskonstante gekennzeichnet sind. Die Existenz diskreter Werte der Diffusionskonstante kann durch die Ausbildung von Flüssigkeitsschichten molekularer Dicke (Liquid Layering) erklärt werden. Die Spotgrößenanalyse erweist sich als unabhängige Methode zur Bestimmung der Diffusionskonstante diffundierender Moleküle. Gegenüber der etablierten Bestimmung der Diffusionskonstante aus Trajektorien diffundierender Moleküle durch Berechnung der mittleren quadratischen Verschiebung bietet die Spotgrößenanalyse eine höhere statistische Genauigkeit und die Möglichkeit, Änderungen der Diffusionskonstante instantan zu detektieren.

Membrane proteins are of undeniable importance for cell physiology across all domains of life and a loss of their function, e.g., due to mutations in their coding sequence, is almost always linked to disease. In humans, mutations in the gene coding for the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR), an ATP-gated anion channel in epithelia, give rise to cystic fibrosis (CF). Over 2100 mutations of the CFTR gene are known, however, their disease liability remains mostly undetermined. Causal therapies, i.e., small-molecule drugs that target CFTR itself, have improved the lives of people with the most common mutations (e.g. ΔF508, G551D) over the last decade. In contrast, many rare CF-phenotypic mutations are not eligible for these novel treatments and would benefit from in vitro evaluation of their molecular consequences. In vitro studies of membrane proteins are often complicated by the intrinsic hydrophobicity and aggregation susceptibility of this protein group. However, this can be avoided by using short membrane protein fragments corresponding to the smallest in vivo folding unit of the respective protein at the ER membrane. These model proteins can be easily genetically modified, expressed and purified, making them a suitable tool to pinpoint the effects of mutations. This thesis demonstrates the utility of such a reductionist model system: TM3/4, the second helical hairpin of CFTR’s transmembrane domain 1, was used to study protein folding with a focus on disease-causing missense mutations of CFTR, which may cause CFTR misfolding in vivo. TM3/4 purification was first optimized by using a thioredoxin tag, which allowed heat purification of the fusion protein even after initial purification steps. Optimal heat treatment for maximal protein purity and recovery were determined for TM3/4 and another helical hairpin, ATP synthase subunit c. Moreover, tertiary folding of a CF-phenotypic loop mutation, E217G, introducing a non-native GXXXG interaction motif was analyzed by single-molecule Förster resonance energy transfer (smFRET) in different lipid bilayer conditions, showing unusually increased stability in comparison to wild type (WT) TM3/4. Furthermore, smFRET was used in tandem with circular dichroism and fluorescence spectroscopy to assess the effect of a specific membrane lipid, cholesterol, on TM3/4 variants showing significant changes on secondary but not tertiary structure. Lastly, a mutant library of 13 TM3/4 mutants was established to perform drug screenings with CFTR correctors – a class of small molecules rescuing or preventing misfolding of CFTR. This screening study demonstrated that (i) not all CF-phenotypic missense mutations are locally misfolded at a lipid bilayer comparable to the ER membrane; and (ii) in vitro restoration of a native WT-like conformation of locally misfolded TM3/4 mutants is not only possible but different drug-mutant pairings can be identified related to folding rescue efficiency of a given corrector on a respective mutant. The latter identified drug-mutant pairings may lead to drug repurposing if the effect can be confirmed in cell culture experiments. In conclusion, the TM3/4 minimal model of CFTR and biophysical methods, such as smFRET, proved as versatile tools not only for investigation of mutation and lipid effects on membrane protein folding but also for drug screenings in a disease context.:1 INTRODUCTION 2 THEORETICAL BACKGROUND 2.1 MEMBRANE PROTEINS AND THEIR NATIVE ENVIRONMENTS 2.1.1 Membrane protein families and their role in human health 2.1.2 Fundamental folding models of α-helical membrane proteins 2.1.3 Co-translational folding at the ER supported by the translocon 2.1.4 Folding-relevant interactions within membrane proteins 2.1.5 Biological membranes and lipid classes 2.1.6 Physical properties of lipid bilayers impacting membrane proteins 2.1.7 Membrane models for in vitro studies 2.2 CYSTIC FIBROSIS AND CFTR 2.2.1 Pathology of cystic fibrosis 2.2.2 Structure and function of the CFTR channel 2.2.3 A minimal model of CFTR to study rare CF mutations 2.2.4 Missense mutations within the CFTR segmental model TM3/4 2.2.5 Novel modulator therapies for the treatment of cystic fibrosis 2.3 IN VITRO ASSESSMENT OF MEMBRANE PROTEIN FOLDING 2.3.1 Expression and purification of membrane proteins 2.3.2 Single-molecule FRET in single- and multi-well mode for protein folding 3 HEAT PURIFICATION OF TRX MEMBRANE PROTEIN FUSIONS 3.1 PREAMBLE AND SUMMARY 3.2 RESULTS AND DISCUSSION 4 IMPACT OF A CFTR LOOP MUTATION WITH ATYPICAL STABILITY 4.1 PREAMBLE AND SUMMARY 4.2 RESULTS AND DISCUSSION 5 EFFECTS OF CHOLESTEROL ON LOCAL CFTR FOLDING 5.1 PREAMBLE AND SUMMARY 5.2 RESULTS 5.2.1 Folding of TM3/4 hairpins in the presence of cholesterol 5.2.2 Folding of TM3/4 hairpins in the presence of Lumacaftor 5.2.3 Impact of Lumacaftor on membrane fluidity 5.3 DISCUSSION 6 CFTR CORRECTOR SCREENINGS WITH SINGLE-MOLECULE FRET 6.1 PRESCREENING TO IDENTIFY MISFOLDED TM3/4 VARIANTS 6.2 SCREENING OF MISFOLDED TM3/4 VARIANTS WITH CFTR CORRECTORS 7 CONCLUSIONS 8 OUTLOOK 9 MATERIALS AND METHODS 9.1 CONSTRUCT DESIGN OF HELICAL TRANSMEMBRANE HAIRPINS 9.2 PROTEIN EXPRESSION AND PURIFICATION 9.3 HEAT TREATMENT OF HELICAL TRANSMEMBRANE CONSTRUCTS 9.4 SINGLE-MOLECULE FRET EXPERIMENTS 9.4.1 Labeling of TM3/4 constructs 9.4.2 Liposome preparation and reconstitution of labeled protein constructs 9.4.3 Single-molecule FRET measurements in manual mode 9.4.4 Single-molecule FRET measurements in multi-well screening mode 9.5 CIRCULAR DICHROISM SPECTROSCOPY 9.5.1 Circular dichroism to determine protein heat stability 9.5.2 Circular dichroism to study protein structure in different lipid bilayers 9.6 FLUORESCENCE SPECTROSCOPY 9.6.1 Vesicle leakage assay to test lipid bilayer stability 9.6.2 Examining lipid bilayer fluidity with fluorescent probes 10 APPENDIX 10.1 GENERATION OF A TM3/4 MUTANT LIBRARY 10.2 TM3/4 SCREENINGS WITH CFTR CORRECTORS 10.2.1 SmFRET control screenings and supporting data 10.2.2 Extracted closed state fractions from smFRET screenings 10.2.3 DLS to measure vesicle integrity after corrector addition 11 REFERENCES 12 ACKNOWLEDGEMENTS 13 ERKLÄRUNG GEMÄß §5 ABS. 1 S. 3 DER PROMOTIONSORDNUNG / Membranproteine sind für die Zellphysiologie aller biologischen Domänen von unbestreitbarer Bedeutung und ein Verlust ihrer Funktion, z.B. durch Mutationen in ihrer kodierenden Sequenz, ist fast immer Auslöser von Krankheiten. Beim Menschen führen Mutationen im Gen für den Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR), einen ATP-abhängigen Anionenkanal in Epithelien, zu Mukoviszidose (CF). Über 2100 Mutationen des CFTR-Gens sind bekannt – ob jedoch alle Mutationen tatsächlich CF auslösen, ist weitgehend ungeklärt. Kausale Therapien, d.h. niedermolekulare Medikamente, die auf CFTR selbst abzielen, haben in den letzten zehn Jahren die Lebensqualität von Menschen mit den häufigsten Mutationen (z.B. ΔF508, G551D) verbessert. Demgegenüber stehen jedoch viele seltene CF-phänotypische Mutationen, für welche diese neuartigen Behandlungen nicht zugelassen sind, wodurch diese Mutationen von einer In-vitro-Analyse ihrer molekularen Konsequenzen profitieren würden. In-vitro-Untersuchungen von Membranproteinen werden oft durch die intrinsische Hydrophobizität und Aggregationsanfälligkeit dieser Proteine erschwert. Dies kann jedoch vermieden werden, indem kurze Membranproteinfragmente verwendet werden, die der kleinsten in vivo Faltungseinheit des jeweiligen Proteins an der ER-Membran entsprechen. Diese Modellproteine können routiniert genetisch verändert, exprimiert und aufgereinigt werden, was sie zu einem geeigneten Werkzeug macht, um die Auswirkungen von Mutationen zu genau festzustellen. Diese Dissertation demonstriert die Nützlichkeit eines solchen reduktionistischen Modellsystems: TM3/4, das zweite helikale Haarnadel-Motiv der Transmembrandomäne 1 von CFTR, wurde verwendet, um Proteinfaltung mit Schwerpunkt auf krankheitsverursachende Missense-Mutationen von CFTR zu untersuchen, welche eine CFTR-Fehlfaltung in vivo verursachen können. Die TM3/4-Aufreinigung wurde zunächst durch die Verwendung eines Thioredoxin-Tags optimiert, der eine Hitzeaufreinigung des Fusionsproteins auch nach anfänglichen Reinigungsschritten ermöglichte. Die optimale Hitzebehandlung für maximale Proteinreinheit und -ausbeute wurde für TM3/4 und ein weiteres helikales Haarnadelprotein, die ATP-Synthase-Untereinheit c, bestimmt. Weiterhin wurde die tertiäre Faltung einer CF-phänotypischen Mutation, E217G, die ein nicht-natives GXXXG-Interaktionsmotiv einführt, mittels einzelmolekularem Förster-Resonanzenergietransfer (smFRET) in verschiedenen Lipiddoppelschichten analysiert, welche eine ungewöhnlich erhöhte Stabilität im Vergleich zum TM3/4-Wildtyp (WT) zeigte. Darüber hinaus wurde smFRET in Verbindung mit Circulardichroismus und Fluoreszenzspektroskopie verwendet, um die Wirkung eines spezifischen Membranlipids, Cholesterin, auf TM3/4-Varianten zu untersuchen, welches signifikante Auswirkungen auf die sekundäre, aber nicht auf die tertiäre Proteinstruktur hatte. Schließlich wurde eine Mutantenbibliothek von 13 TM3/4-Mutanten eingerichtet, um Wirkstoffscreenings mit CFTR-Korrektoren durchzuführen – einer Klasse kleiner Moleküle, die die Fehlfaltung von CFTR verhindern können. Diese Screening-Studie zeigte, dass (i) nicht alle CF-phänotypischen Missense-Mutationen lokal an einer Lipiddoppelschicht fehlgefaltet sind, die mit der ER-Membran vergleichbar ist; und (ii) die In-vitro-Wiederherstellung einer nativen WT-ähnlichen Konformation von lokal fehlgefalteten TM3/4-Mutanten ist nicht nur möglich, sondern es können auch verschiedene Wirkstoff-Mutanten-Paare identifiziert werden, die mit der Faltungsrettungseffizienz eines Korrektors auf eine bestimmte Mutante zusammenhängen. Die letztgenannten Wirkstoff-Mutanten-Paare können zu Drug-Repurposings führen, wenn die Wirkung in Zellkulturexperimenten bestätigt werden kann. Im Allgemeinen, haben sich das TM3/4-Minimalfaltungsmodell von CFTR sowie biophysikalische Methoden, wie z.B. smFRET, als vielseitige Werkzeuge nicht nur für die Untersuchung von Mutations- und Lipideffekten auf die Membranproteinfaltung, sondern auch für das Screening von Medikamenten im Krankheitskontext erwiesen.:1 INTRODUCTION 2 THEORETICAL BACKGROUND 2.1 MEMBRANE PROTEINS AND THEIR NATIVE ENVIRONMENTS 2.1.1 Membrane protein families and their role in human health 2.1.2 Fundamental folding models of α-helical membrane proteins 2.1.3 Co-translational folding at the ER supported by the translocon 2.1.4 Folding-relevant interactions within membrane proteins 2.1.5 Biological membranes and lipid classes 2.1.6 Physical properties of lipid bilayers impacting membrane proteins 2.1.7 Membrane models for in vitro studies 2.2 CYSTIC FIBROSIS AND CFTR 2.2.1 Pathology of cystic fibrosis 2.2.2 Structure and function of the CFTR channel 2.2.3 A minimal model of CFTR to study rare CF mutations 2.2.4 Missense mutations within the CFTR segmental model TM3/4 2.2.5 Novel modulator therapies for the treatment of cystic fibrosis 2.3 IN VITRO ASSESSMENT OF MEMBRANE PROTEIN FOLDING 2.3.1 Expression and purification of membrane proteins 2.3.2 Single-molecule FRET in single- and multi-well mode for protein folding 3 HEAT PURIFICATION OF TRX MEMBRANE PROTEIN FUSIONS 3.1 PREAMBLE AND SUMMARY 3.2 RESULTS AND DISCUSSION 4 IMPACT OF A CFTR LOOP MUTATION WITH ATYPICAL STABILITY 4.1 PREAMBLE AND SUMMARY 4.2 RESULTS AND DISCUSSION 5 EFFECTS OF CHOLESTEROL ON LOCAL CFTR FOLDING 5.1 PREAMBLE AND SUMMARY 5.2 RESULTS 5.2.1 Folding of TM3/4 hairpins in the presence of cholesterol 5.2.2 Folding of TM3/4 hairpins in the presence of Lumacaftor 5.2.3 Impact of Lumacaftor on membrane fluidity 5.3 DISCUSSION 6 CFTR CORRECTOR SCREENINGS WITH SINGLE-MOLECULE FRET 6.1 PRESCREENING TO IDENTIFY MISFOLDED TM3/4 VARIANTS 6.2 SCREENING OF MISFOLDED TM3/4 VARIANTS WITH CFTR CORRECTORS 7 CONCLUSIONS 8 OUTLOOK 9 MATERIALS AND METHODS 9.1 CONSTRUCT DESIGN OF HELICAL TRANSMEMBRANE HAIRPINS 9.2 PROTEIN EXPRESSION AND PURIFICATION 9.3 HEAT TREATMENT OF HELICAL TRANSMEMBRANE CONSTRUCTS 9.4 SINGLE-MOLECULE FRET EXPERIMENTS 9.4.1 Labeling of TM3/4 constructs 9.4.2 Liposome preparation and reconstitution of labeled protein constructs 9.4.3 Single-molecule FRET measurements in manual mode 9.4.4 Single-molecule FRET measurements in multi-well screening mode 9.5 CIRCULAR DICHROISM SPECTROSCOPY 9.5.1 Circular dichroism to determine protein heat stability 9.5.2 Circular dichroism to study protein structure in different lipid bilayers 9.6 FLUORESCENCE SPECTROSCOPY 9.6.1 Vesicle leakage assay to test lipid bilayer stability 9.6.2 Examining lipid bilayer fluidity with fluorescent probes 10 APPENDIX 10.1 GENERATION OF A TM3/4 MUTANT LIBRARY 10.2 TM3/4 SCREENINGS WITH CFTR CORRECTORS 10.2.1 SmFRET control screenings and supporting data 10.2.2 Extracted closed state fractions from smFRET screenings 10.2.3 DLS to measure vesicle integrity after corrector addition 11 REFERENCES 12 ACKNOWLEDGEMENTS 13 ERKLÄRUNG GEMÄß §5 ABS. 1 S. 3 DER PROMOTIONSORDNUNG

Funktionalisierte organische Perylenbisimidfarbstoffe (PBI) und aus Cadmiumselenid bestehende Halbleiternanokristalle werden hinsichtlich physikalischer sowie chemischer Wechselwirkungsprozesse miteinander und mit ihrer Umgebung mittels zeitaufgelöster optischer Spektroskopie untersucht. Im Mittelpunkt der Studien an diesem organisch/anorganischen Modellsystem nanoskopischer Größe steht die Aggregatbildungskinetik und die Identifikation und Quantifizierung von Transferpozessen. Die Anbindung der gut löslichen PBI-Farbstoffe an die Oberfläche solcher Halbleiternanokristalle mittels spezieller Ankergruppen wird durch Selbstorganisation in Lösung realisiert. Die Kombination von Absorptions- und zeitaufgelöster Fluoreszenzspektroskopie zeigt einen unterschiedlich starken Einfluss von Liganden und Farbstoffen auf die Fluoreszenzlöschung der Nanokristalle und belegt, dass Resonanzenergietransfer zum Farbstoff nur in sehr geringem Maße die physikalische Ursache der Fluoreszenzlöschung ist. Die Anzahl adsorbierter Farbstoffe und die Stärke der Fluoreszenzlöschung eines einzelnen Farbstoffmoleküls werden aus zeitaufgelösten Einzelmolekülexperimenten an immobilisierten Emittern gewonnen, welche den direkten spektroskopischen Zugang zur Verteilung gebundener und freier Farbstoffe/Nanokristalle erlaubt. Darüber hinaus werden ankergruppen- und umgebungsspezifische Einflüsse auf die Konformations- und Orientierungsdynamik von Perylenbisimidmolekülen dargestellt. Abschließend werden photo-physikalische Gemeinsamkeiten chemisch unterschiedlich hervorgerufener Fluoreszenzlöschungsprozesse herausgearbeitet und im Kontext von Einzelkristall-Blinkprozessen diskutiert.

Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Verwendung verschiedener Fluoreszenzfarbstoffe in Form photostabiler Perylenbisimide sowie etallischer Nanopartikel zur Untersuchung von Polymeren und nanoskopischen Flüssigkeitsfilmen. Einzelmoleküluntersuchungen zeigen, dass eine chemische Modifizierung der Farbstoffe durch löslichkeitserhöhende Seitengruppen, Molekülkonformationen mit stark variierenden Emissionswellenlängen je nach Seitengruppen-orientierung zur Folge hat. Zeitabhängige Fluoreszenzmessungen an einzelnen Molekülen ermöglichen eine direkte Beobachtung von Übergängen zwischen diesen molekularen Konformationen deren Dynamik vorwiegend durch die Eigenschaften der umgebenden Polymermatrix bestimmt wird. Die gewonnenen Ergebnisse lassen somit Rückschlüsse auf die nanoskopische Umgebung des Moleküls zu. Es werden diskrete Zustände innerhalb der Molekülumgebung sowie eine erhöhte Konformationsdynamik im Falle von alkylsubstituierten Perylenbisimiden beobachtet. Darüber hinaus werden die nanoskopischen Auswirkungen von makroskopischen, mechanischen Deformationen auf amorphe Polymerfilme mikrorheologisch mit Hilfe von stäbchenförmigen Perylenbisimiden studiert. Die gewonnenen Einzelmoleküldaten ermöglichen die Berechnung der lokalen, mikroskopischen Deformation sowie der Orientierung der Sondenmoleküle, welche gut mit einem Model für stäbchenförmige Objekte in einem uniaxial deformierten Kontinuum übereinstimmt. In weiteren Experimenten gelingt der Nachweis ultradünner Wasserfilme auf SiO2-Oberflächen durch Messung der Diffusion von Silbernanopartikeln. Die verwendeten Nanopartikel weisen hierbei eine monodisperse Größenverteilung im Bereich von einem Nanometer als Resultat ihrer Synthese in Y-Zeolith-Kristallen auf. Die Untersuchungen ergeben eine Filmdickenabhängigkeit des Diffusionsverhaltens sowie einen starken Einfluss durch Oberflächensilanisierung bzw. Hydroxylierung.

Single-molecule force spectroscopy (SMFS) with atomic force microscope (AFM) has advanced our knowledge of the mechanical aspects of biological processes, and helped us take big strides in the hitherto unexplored areas of protein (un)folding. One such virgin land is that of membrane proteins, where the advent of AFM has not only helped to visualize the difficult to crystallize membrane proteins at the single-molecule level, but also given a new perspective in the understanding of the interplay of molecular interactions involved in the construction of these molecules. My PhD work was tightly focused on exploiting this sensitive technique to decipher the intra- and intermolecular interactions in membrane proteins, using bacteriorhodopsin and bovine rhodopsin as model systems. Using single-molecule unfolding measurements on different bacteriorhodopsin oligomeric assemblies - trimeric, dimeric and monomeric - it was possible to elucidate the contribution of intra- and interhelical interactions in single bacteriorhodopsin molecules. Besides, intriguing insights were obtained into the organization of bacteriorhodopsin as trimers, as deduced from the unfolding pathways of the proteins from different assemblies. Though the unfolding pathways of bacteriorhodopsin from all the assemblies remained the same, the different occurrence probability of these pathways suggested a kinetic stabilization of bacteriorhodopsin from a trimer compared to that existing as a monomer. Unraveling the knot of a complex G-protein coupled receptor, rhodopsin, showed the existence of two structural states, a native, functional state, and a non-native, non-functional state, corresponding to the presence or absence of a highly conserved disulfide bridge, respectively. The molecular interactions in absence of the native disulfide bridge mapped onto the three-dimensional structure of native rhodopsin gave insights into the molecular origin of the neurodegenerative disease retinitis pigmentosa. This presents a novel technique to decipher molecular interactions of a different conformational state of the same molecule in the absence of a high-resolution X-ray crystal structure. Interestingly, the presence of ZnCl2 maintained the integrity of the disulfide bridge and the nature of unfolding intermediates. Moreover, the increased mechanical and thermodynamic stability of rhodopsin with bound zinc ions suggested a plausible role for the bivalent ion in rhodopsin dimerization and consequently signal transduction. Last but not the least, I decided to dig into the mysteries of the real mechanisms of mechanical unfolding with the help of well-chosen single point mutations in bacteriorhodopsin. The monumental work has helped me to solve some key questions regarding the nature of mechanical barriers that constitute the intermediates in the unfolding process. Of particular interest is the determination of altered occurrence probabilities of unfolding pathways in an energy landscape and their correlation to the intramolecular interactions with the help of bioinformatics tools. The kind of work presented here, in my opinion, will not only help us to understand the basic principles of membrane protein (un)folding, but also to manipulate and tune energy landscapes with the help of small molecules, proteins, or mutations, thus opening up new vistas in medicine and pharmacology. It is just a matter of a lot of hard work, some time, and a little bit of luck till we understand the key elements of membrane protein (un)folding and use it to our advantage.

In der vorliegenden Arbeit wurden Messungen zur Multiphotonenanregung von HCl durchgeführt. Die untersuchten Moleküle wurden dabei in einem Molekularstrahl innerhalb eines Vierpols durch Laserlicht variabler Wellenlänge angeregt. Bei verlustfreier Führung im Vierpol konnten die dabei entstandenen Ionen anhand ihrer Flugzeit bestimmt werden. Die Aufnahme von Wellenlängenspektren für einzelne Massen ermöglichte die Bestimmung der am Zerfall des Moleküls beteiligten resonanten Zwischenzustände. Eine Analyse der Flugzeitspektren der Protonen führte zu genaueren Aussagen über die vorliegenden Zerfallskanäle. Der Schwerpunkt dieser Arbeit wurde dabei auf die Ionenpaarbildung, H+ + Cl-, gelegt.

Im Fokus dieser Dissertation stehen anorganisch-organische Hybridaggregate aus Kadmiumselenid-Nanokristallen und funktionalisierten Porphyrinmolekülen in Lösung. Mit Hilfe von statischen und zeitaufgelösten Methoden der optischen Spektroskopie wird nachgewiesen, daß die Bildung der Aggregate durch spontane Adsorption der funktionalisierten Moleküle an der Nanokristalloberfläche erfolgt. Dabei ist von einem dynamischen Gleichgewicht zwischen den Porphyrinmolekülen und den ursprünglichen Nanokristall-Liganden (TOPO) auszugehen. In der Photophysik der Hybridaggregate lassen sich ein resonanter Energietransfer nach Förster, der vom Nanokristall zum Porphyrinmolekül gerichtet ist, sowie eine Elektronen-Austauschwechselwirkung zwischen beiden Komponenten nach Dexter nachweisen. Mit Hilfe einer Erweiterung des Stern-Volmer-Ansatzes zur Beschreibung der Fluoreszenzlöschung für bimolekulare Reaktionen können die jeweiligen Anteile für eine Serie von Nanokristallen unterschiedlicher Größe und zweierlei Beschaffenheit grob quantifiziert werden. Ferner wird der Einfluß diffundierender Ladungen auf die Quantenausbeute von Halbleiternanokristallen anhand von zeitkorrelierter Einzelphotonenerfassung untersucht. Mit Hilfe einer Detektionsmethode, die die Zeitreihe der Ankunftszeiten einzelner Photonen erhält (tt-TCSPC), ist es möglich, den in eine Polymermatrix eingebetteten Halbleiternanokristallen charakteristische Fluktuationen der Fluoreszenzlebensdauer mit individueller Zeitkonstante zuzuordnen. / This Thesis is devoted to the formation and the photophysics of inorganic/organic hybride nanoaggregates designed from CdSe semiconductor nanocrystals and pyridyl-functionalized porphyrin molecules in solution at ambient conditions. The formation of the aggregates is revealed to be based on a spontaneous adsorption of the functionalized porphyrin molecules on the nanocrystal surfaces, with a dynamic equilibrium sustained due to the competition with TOPO, ie. the original surface ligand. The evidence for the existence of the self-assembled aggregates is furnished by the proof of a directed Förster resonant energy transfer from the nanocrystal to the porphyrin molecules at low compound concentrations. By means of steady-state and time-resolved optical spectroscopy, the resonant energy transfer (RET) is valued to be accompanied by at least one more secondary quenching mechanism. Motivated by the aptitude of the nanocrystals to host more than one molecule at once, the detection and quantification of this process is done by an extension of the conventional Stern-Volmer kinetics valid for bimolecular reactions. With that, the secondary interaction process aside from RET is explained in terms of a Dexter-type energy transfer that, on ist part, can be put down to a generation of charge-induced shallow trap states within the semiconductor nanocrystal. This model is in qualitative accordance with the known phenomena of fluorescence intermittency and spectral diffusion. The role of a fluctuating environment to affect the fluorescence quantum yield of the nanocrystals is confirmed by time-tagged time-correlated single-photon counting (tt-TCSPC) on single nanocrystals in a polymer matrix. The measurements show that the fluorescence lifetime of the nanocrystals is characterized by individual characteristic fluctuations possibly induced by temporal and spatial inhomogeneities in the distribution of the dielectric constants.