Ortho-Fluorazobenzole stellen eine der interessantesten Familien von Azobenzolen dar, die mit sichtbarem Licht geschaltet werden können. Seit ihrer ersten Erwähnung durch unsere Gruppe im Jahr 2012 wurden sie aufgrund ihrer hervorragenden photo/elektrochemischen Eigenschaften intensiv auf molekularer Ebene, für biologische Anwendungen und in Volumenmaterialien untersucht. Typischerweise können ortho-fluorierte Azobenzole in beide Richtungen mit sichtbarem Licht und hohem Photoumsatz geschaltet werden. Außerdem weisen die Z-Isomere überlegene thermische Halbwertszeiten (bis zu 2 Jahre) auf. In dieser Arbeit werden zwei Projekte vorgestellt, die auf unseren kürzlich erworbenen Kenntnissen über fluorierte Azobenzole basieren. Zunächst wurde ein gemischtes Azobenzoldimer dargestellt, welches komplementäre Absorptionsprofile sowie die leichte elektrochemische Isomerisierung ausnutzt und dadurch dessen vier Schaltzustände orthogonal adressiert werden können. Dieses wurde bezüglich seiner Photoisomerisierung, thermischen Relaxation und seines elektrochemischen Schaltverhaltens untersucht. Anschließend haben wir ein 3D-Polymernetzwerk durch kovalente Vernetzung einer polyethylenglykol(PEG)-basierten Vorstufe mit einem fluorierten Azobenzol hergestellt, was zur Bildung eines photoempfindlichen Hydrogels führte. Als Folge davon konnten die mechanischen Eigenschaften des Gels durch Bestrahlung mit sichtbarem Licht und der dadurch ausgelösten Azobenzol-Isomerisierung reversibel beeinflusst werden. / Ortho-fluoroazobenzenes represent one of the most interesting family of visible-light-responsive azobenzenes. Since the first report by our group in 2012, they have been intensively studied at the molecular level, for biological applications, and in bulk materials, due to their outstanding photo/electrochemical properties. Typically, ortho-fluorinated azobenzenes can isomerize in both directions using visible light with high photo-conversions, and the Z-isomers exhibit superior thermal half-lives (up to 2 years). In this work, two projects based on our recently acquired knowledge of fluorinated azobenzenes are presented. First, exploiting complementary absorption profiles and ease of electrochemical isomerization, a mixed azobenzene dimer, whose four isomers can be orthogonally addressed was prepared. It was investigated from its photo-isomerization, thermal relaxation, and electrochemical isomerization aspects. Second, we prepared a photo-responsive hydrogel via covalently cross-linking a poly(ethylene glycol) (PEG)-based precursor with a fluorinated azobenzene forming a 3D polymer network. As a result, the gel’s mechanical properties could be tuned reversibly due to the azobenzenes’ isomerization triggered by visible light irradiation.

Der erste Teil der Arbeit beschreibt die Etablierung einer modifizierten Form des klassichen SILAC-Verfahrens, das in der quantitativen Massenspektrometrie zur Bestimmung von relativen Änderungen in Proteinmengen benutzt wird. Im sog. „pulsed SILAC (pSILAC)“ Verfahren werden Zellen im Zuge einer differentiellen Behandlung in Kulturmedien transferiert, die unterschiedlich Isotop-markierte Aminosäuren enthalten. Da hier die Quantifizierung auf dem Verhältnis der neusynthetisierten Proteinmengen beruht, können gezielt Unterschiede in der Proteinproduktion bestimmt werden. Mit Hilfe von pSILAC konnte im zweiten Teil der Arbeit erstmals quantitativ erfasst werden, welchen Einfluss microRNAs auf die Proteinsynthese ausüben. So konnte gezeigt werden, dass sowohl die Überexpression als auch die Repression einzelner microRNAs die Produktion hunderter Proteine beeinflussen kann. Außerdem konnten Genprodukte identifiziert werden, die ausschließlich translational reguliert werden. Die Messung von Proteinneusynthese ermöglichte auch die Bestimmung von Proteinumsatzraten, dargestellt im dritten Teil der Arbeit. Zusammen mit mRNA-Umsatzraten sowie Protein- und mRNA-Mengen bilden sie die Grundlage für eine dynamische Beschreibung zelluärer Genexpression. Durch den gleichzeitigen Einsatz des Nukleosidanalogons 4-Thiouridin (4sU) und von schweren Aminosäuren (SILAC) konnte eine metabolische Markierung neusynthetiserter mRNAs und Proteine in murinen Fibroblasten erreicht und damit eine Berechnung von Protein- und mRNA-Halbwertszeiten und absoluten Mengen für ca. 5,000 Gene ermöglicht werden. Während mRNA- und Proteinenmengen deutlich korrelierten, war zwischen mRNA- und Proteinhalbwertszeiten nur eine äußerste schwache Korrelation zu erkennen. Dennoch stehen mRNA- und Proteinumsatzraten nicht einem willkürlichen Zusammhang zu einander, da bestimmte Kombinationen von mRNA- und Proteinhalbwertszeiten eine Optimierung von Genen hinsichtlich ihrer biologischen Funktionen erkennen ließen. / The first part of the thesis describes the establishment of a modified version of the classic SILAC approach routinely used in quantitative mass spectrometry (MS) to assay relative changes in protein levels. In the newly-devised approach termed pulsed SILAC (pSILAC) differentially treated cells are transferred to culture medium supplemented with different versions of stable-isotope labeled heavy amino acids. As MS-based relative quantification is exclusively based on the newly-synthesized heavy protein amounts the method enables the detection of differences in protein production resulting from the treatment. The second part of the thesis shows the use of pSILAC to globally quantify the impact of microRNAs onto the proteome. Ectopic over-expression or knock-down of a single microRNA both affected protein production of hundreds of proteins. pSILAC identified several target genes as exclusively translationally regulated as changes in corresponding transcript levels were virtually absent. Measuring newly-synthesized protein amounts with heavy amino acids in a pulsed-labeling fashion has also been used to determine turnover rates of individual proteins, described in the third part of the present work. Along with transcript turnover as well as mRNA and protein levels they are essential for a dynamic description of gene expression. Simultaneous application of the nucleoside analogue 4-thiouridine (4sU) and heavy amino acids (SILAC) to metabolically label newly-produced mRNAs and proteins in mouse fibroblasts resulted in the calculation of mRNA and protein lifetimes and absolute levels for approximately 5,000 genes. While mRNA and protein levels were overall well correlated, a correlation between mRNA and protein half-lives was virtually absent. Yet this seemingly chaotic distribution of mRNA and protein half-lives was highly instructive since specific gene subsets have obviously evolved distinct combinations of half-lives that relate to their biological functions.