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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.

In numerous Gram-negative and Gram-positive bacteria as well as in Archaea SL proteins form the outermost layer of the cell envelope. SL (glyco)monomers self-assemble with oblique (p2), tetragonal (p4), or hexagonal (p3, p6) symmetries [12]. SL subunits interact with each other and with the underlying cell surface by relatively weak non-covalent forces such as hydrogen-bonds, ionic bonds, salt-bridges or hydrophobic interactions. This makes them easy to isolate by applying chaotropic agents like urea and guanidine hydrochloride (GuHCl), chelating chemicals, or by changing the pH of the environment [10]. Upon dialysis in an ambient buffer monomers recrystallize into regular arrays that possess the forms of flat sheets, open ended cylinders, or spheres on solid substrates, at air-water intefaces and on lipid films, making them appealing for nanobiotechnological applications [3, 18]. The aim of this study was to investigate the structure, thermal stability, in vivo self-assembly process, recrystallization and metallization of three different recombinant SL proteins (SslA-eGFP, mSbsC-eGFP and S13240-eGFP) expressed in yeast S. cerevisiae BY4741 which could be further used in nanobiotechnological applications. In order to fulfill this aim, I investigated the in vivo expression of SL proteins (SslA, SbsC, S13240) tagged with eGFP (SL-eGFP) in the yeast S. cerevisiae BY4141. First, I characterized the heterologous expression of SL fusion constructs with growth and fluorescence measurements combined with Western blot analyses. Fluorescence microscopy investigations of overnight grown cultures showed that SslA-eGFP fusion protein was expressed as fluorescent patches, mSbsC-eGFP as tubular networks, and S13240-eGFP as hollow-like fibrillar network structures, while eGFP did not show any distinct structure Thermal stability of in vivo expressed SL-eGFP fusion proteins were investigated by fluorescence microscopy and immunodetection. In vivo self-assembly kinetics during mitosis and meiosis was the second main issue. In parallel, association of in vivo mSbsC-eGFP structures with the cellular components was of interest. A network of tubular structures in the cytosol of the transformed yeast cells that did not colocalize with microtubules or the actin cytoskeleton was observed. Time-resolved analysis of the formation of these structures during vegetative growth and sporulation was investigated by live fluorescence microscopy. While in meiosis ascospores seemed to receive assembled structures from the diploid cells, during mitosis surface layer structures were formed de novo in the buds. Surface layer assembly always started with the appearance of a dot-like structure in the cytoplasm, suggesting a single nucleation point. In order to get these in vivo SL assemblies stably outside the cells (in situ), cell distruption experiments were conducted. The tubular structures formed by the protein in vivo were retained upon bursting the cells by osmotic shock; however their average length was decreased. During dialysis, monomers obtained by treatment with chaotropic agents recrystallized again to form tube-like structures. This process was strictly dependent on calcium ions, with an optimal concentration of 10 mM. Further increase of the Ca2+ concentration resulted in multiple non-productive nucleation points. It was further shown that the lengths of the S-layer assemblies increased with time and could be controlled by pH. After 48 hours the average length at pH 9.0 was 4.13 µm compared to 2.69 µm at pH 5.5. Successful chemical deposition of platinum indicates the potential of recrystallized mSbsC-eGFP structures for nanobiotechnological applications. For example, such metalized protein nanotubes could be used in conductive nanocircuit technologies as nanowires.

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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.

In numerous Gram-negative and Gram-positive bacteria as well as in Archaea SL proteins form the outermost layer of the cell envelope. SL (glyco)monomers self-assemble with oblique (p2), tetragonal (p4), or hexagonal (p3, p6) symmetries [12]. SL subunits interact with each other and with the underlying cell surface by relatively weak non-covalent forces such as hydrogen-bonds, ionic bonds, salt-bridges or hydrophobic interactions. This makes them easy to isolate by applying chaotropic agents like urea and guanidine hydrochloride (GuHCl), chelating chemicals, or by changing the pH of the environment [10]. Upon dialysis in an ambient buffer monomers recrystallize into regular arrays that possess the forms of flat sheets, open ended cylinders, or spheres on solid substrates, at air-water intefaces and on lipid films, making them appealing for nanobiotechnological applications [3, 18]. The aim of this study was to investigate the structure, thermal stability, in vivo self-assembly process, recrystallization and metallization of three different recombinant SL proteins (SslA-eGFP, mSbsC-eGFP and S13240-eGFP) expressed in yeast S. cerevisiae BY4741 which could be further used in nanobiotechnological applications. In order to fulfill this aim, I investigated the in vivo expression of SL proteins (SslA, SbsC, S13240) tagged with eGFP (SL-eGFP) in the yeast S. cerevisiae BY4141. First, I characterized the heterologous expression of SL fusion constructs with growth and fluorescence measurements combined with Western blot analyses. Fluorescence microscopy investigations of overnight grown cultures showed that SslA-eGFP fusion protein was expressed as fluorescent patches, mSbsC-eGFP as tubular networks, and S13240-eGFP as hollow-like fibrillar network structures, while eGFP did not show any distinct structure Thermal stability of in vivo expressed SL-eGFP fusion proteins were investigated by fluorescence microscopy and immunodetection. In vivo self-assembly kinetics during mitosis and meiosis was the second main issue. In parallel, association of in vivo mSbsC-eGFP structures with the cellular components was of interest. A network of tubular structures in the cytosol of the transformed yeast cells that did not colocalize with microtubules or the actin cytoskeleton was observed. Time-resolved analysis of the formation of these structures during vegetative growth and sporulation was investigated by live fluorescence microscopy. While in meiosis ascospores seemed to receive assembled structures from the diploid cells, during mitosis surface layer structures were formed de novo in the buds. Surface layer assembly always started with the appearance of a dot-like structure in the cytoplasm, suggesting a single nucleation point. In order to get these in vivo SL assemblies stably outside the cells (in situ), cell distruption experiments were conducted. The tubular structures formed by the protein in vivo were retained upon bursting the cells by osmotic shock; however their average length was decreased. During dialysis, monomers obtained by treatment with chaotropic agents recrystallized again to form tube-like structures. This process was strictly dependent on calcium ions, with an optimal concentration of 10 mM. Further increase of the Ca2+ concentration resulted in multiple non-productive nucleation points. It was further shown that the lengths of the S-layer assemblies increased with time and could be controlled by pH. After 48 hours the average length at pH 9.0 was 4.13 µm compared to 2.69 µm at pH 5.5. Successful chemical deposition of platinum indicates the potential of recrystallized mSbsC-eGFP structures for nanobiotechnological applications. For example, such metalized protein nanotubes could be used in conductive nanocircuit technologies as nanowires.

We present a HiLo microscope with an electrically tunable lens for high-contrast three-dimensional image acquisition. HiLo microscopy combines widefield and speckled illumination images to create optically sectioned images. Additionally, the depth-of-field is not fixed, but can be adjusted between widefield and confocal-like axial resolution. We incorporate an electrically tunable lens in the HiLo microscope for axial scanning, to obtain three-dimensional data without the need of moving neither the sample nor the objective. The used adaptive lens consists of a transparent polydimethylsiloxane (PDMS) membrane into which an annular piezo bending actuator is embedded. A transparent fluid is filled between the membrane and the glass substrate. When actuated, the piezo generates a pressure in the lens which deflects the membrane and thus changes the refractive power. This technique enables a large tuning range of the refractive power between 1/f = (-24 . . . 25) 1/m. As the NA of the adaptive lens is only about 0.05, a fixed high-NA lens is included in the setup to provide high resolution. In this contribution, the scan properties and capabilities of the tunable lens in the HiLo microscope are analyzed. Eventually, exemplary measurements are presented and discussed.