Die absoluten Konfigurationen von mehr als 20 neuartigen Naturstoffen und Syntheseprodukten mit unterschiedlichen Chiralitätselementen (stereogene Zentren, chirale Achsen und chirale Ebenen) wurden durch Vergleich ihrer experimentellen CD-Spektren mit den quantenchemisch berechneten der jeweils möglichen Stereoisomere aufgeklärt. Zur Simulation des molekularen CD kamen dabei semiempirische Verfahren (CNDO/S und OM2) und die zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie (TDDFT) zum Einsatz. / The absolute configurations of more than 20 novel natural and synthetic products, possessing different elements of chirality (stereogenic centers, chiral axes, and chiral planes), were elucidated by comparison of their experimental CD spectra with the quantum chemically calculated ones of the respective possible stereoisomers. To simulate the molecular CD, semiempirical methods (CNDO/S and OM2) and time-dependent density functional theory (TDDFT) were used.

Für die Aufklärung der absoluten Stereostruktur von chiralen Molekülen, die ein Chromophorsystem besitzen, hat sich die Kombination der experimentellen und theoretischen Spektroskopie des elektronischen Circulardichroismus (ECD) als Methode bewährt. In der vorliegenden Arbeit wurden die chiroptischen Eigenschaften von Bisbibenzyl-Makrocyclen, Mono- und Bis(cycloketo)porphyrinen, der Mohnblütenpigmente Nudicaulin I und II sowie von Bordipyrrol-Dimeren mit quantenchemischen Methoden untersucht. Zu diesem Zweck wurden verschiedene dichtefunktionaltheoretische (DFT) Ansätze und post-HF-Methoden, wie z. B. der Coupled-Cluster-Ansatz RI-CC2, bezüglich ihrer Eignung, die Grund- und angeregten Zustände (UV/vis- und ECD-Eigenschaften) der einzelnen Verbindungen korrekt wiederzugeben, evaluiert. Da bei quantenchemischen UV- und ECD-Rechnungen an ausgedehnten π-Systemen aufgrund energetisch nah beieinander liegender Anregungen die Wahrscheinlichkeit für ghost states und charge-transfer-Übergänge sowie Multireferenz-Problematiken steigt, wurden diese Aspekte genauer betrachtet. Die ersten zwei Phänomene lassen sich bereits auf TD-DFT-Niveau durch genaue Analyse der theoretischen spektroskopischen Daten ermitteln und unter Umständen durch entsprechend korrigierte Funktionale sogar sehr gut beschreiben. Im Gegensatz dazu können Doppelanregungsanteile überhaupt erst durch Rechnungen mit geeigneten Methoden, wie z. B. das hier verwendete SORCI-Verfahren, erfasst werden. Zusätzlich wurde das zur Auswertung von UV und ECD-Daten entwickelte Programm SpecDis um Funktionalitäten erweitert, welche die Berechnung des Übereinstimmungsgrades zweier UV- bzw. ECD-Kurven ermöglichen, und dadurch ein zusätzliches quantitatives Kriterium für die Verlässlichkeit des Spektrenvergleichs und folglich für die Zuordnung der absoluten Konfiguration bieten. / For the elucidation of the absolute stereostructure of chiral molecules possessing a chromophore, the combination of experimental and theoretical spectroscopy of the electronic circular dichroism (ECD) has proven a valuable tool. In the present work, the chiroptical properties of bisbibenzyl macrocycles, mono- and bis(cycloketo)porphyrins, the poppy-petal pigments nudicaulins I and II, and boron-dipyrrole dimers were investigated with quantum-chemical methods. For this purpose, different density-functional and post-HF methods, for example the coupled-cluster approach RI-CC2, were evaluated regarding their suitability to correctly describe the ground and exited states (UV/vis and ECD properties) of each compound. Since the probability of ghost states, charge-transfer transitions, and multi-reference problems increases for quantum-chemical UV and CD calculations of extended π systems due to energetically close-lying excitations, these aspects were closely examined. The first two phenomena can be detected on TD-DFT level of theory by a thorough analysis of the theoretical spectroscopic data, and can in some cases even be described quite well by specially corrected functionals. By contrast, double excitations can only be included in the calculations by using suitable methods, e.g. the herein used SORCI approach. Additionally, functionalities were added to the program SpecDis which allow for the calculation of the degree of similarity of either two UV or ECD curves, and thus, offer an additional quantitative measure for the comparison of spectra and, in consequence, for the reliability of the assignment of an absolute configuration.

In dieser Arbeit wurden die Möglichkeiten und Grenzen für Zirkulardichroismus-Messungen mit Synchrotronstrahlung untersucht. Dazu wurde ein Messaufbau für Zirkulardichroismus-Messungen an zwei Strahlrohren am Berliner Elektronenspeicherring für Synchrotronstrahlung eingesetzt, die für Messungen im Bereich des ultravioletten Lichts geeignet sind. Eigenschaften der Strahlrohre und des Messaufbau wurden in einigen wichtigen Punkten mit kommerziellen Zirkulardichroismus-Spektrometern verglichen. Der Schwerpunkt lag auf der Ausdehnung des zugänglichen Wellenlängenbereichs unterhalb von 180 nm zur Untersuchung des Zirkulardichroismus von Proteinen in diesem Bereich. In diesem Bereich ist es nicht nur die Lichtquelle sondern vor allem die Absorption des Lichts durch Wasser, die den Messbereich bei der Messung biologischer Proben in wässriger Lösung einschränkt. Es wurden Bedingungen gefunden, unter denen der Messbereich auf etwa 160 nm, in einigen Fällen bis auf 130 nm ausgedehnt werden konnte. Dazu musste die Pfadlänge deutlich reduziert werden und verschieden Probenküvetten wurden getestet. Der Einfluss der dabei auftretenden Spannungsdoppelbrechung in den Probenküvetten auf das Messsignal konnte mit einem alternativen Messaufbau deutlich reduziert werden. Systematische Fehler im Messsignal und auftretende Strahlenschäden begrenzen jedoch die Zuverlässigkeit der gemessenen Spektren. Bei Proteinfilmen schränkt die Absorption von Wasser den Messbereich kaum ein. Es wurden jedoch meist deutliche Unterschiede zwischen den Spektren von Proteinfilmen und den Spektren von Proteinen in wässriger Lösung festgestellt. Solange diese Unterschiede nicht minimiert werden können, stellen Proteinfilme keine praktikable Alternative zu Messungen in wässriger Lösung dar. / The possibilities and limitations for synchrotron radiation circular dichroism measurements were investigated in this thesis. Therefore an experimental setup to measure circular dichroism was used at two beamlines at the “Berliner Elektronenspeicherring für Synchrotronstrahlung”(BESSY), which were suitable in the ultraviolet range of light. Properties of the beamlines and the experimental setup were compared to those of commercial circular dichroism spectrometer in some important points. The focus was on the extension of the accessible wavelength range below 180 nm, with the aim to investigate the circular dichroism of proteins in that range. It is not only the light source that limits measurements with aqueous solutions in that range, but mainly the absorption of the light by water. Conditions were found under which the wavelength range was extended to about 160 nm, in some cases even to 130 nm. To achieve this, a significant reduction of the pathlength was necessary. Several sample cells were tested for their usability. The effect of birefringence within the sample cells on the circular dichroism signal could be reduced strongly with an alternative experimental setup. However systematic errors in the circular dichroism signal and appearing radiation damage of the proteins limits the reliability of the measured spectra. By using protein films, the light absorption by water is not a problem anymore. However, significant differences between the circular dichroism spectra of protein films and proteins in aqueous solution occurred in most of the cases. Unless these differences can be eliminated, measuring protein films is not an alternative to measurements in aqueous solution.

Techn. Hochsch., Diss., 2001--Aachen.

Atoms change their optical properties drastically when combined into molecules or crystals. This becomes evident when comparing isolated carbon atoms with their solid-state polymorphs graphite and diamond. Plasmonic meta-surfaces adopt this concept to design the optical properties of thin films at will. In analogy to natural materials, the optical response of a meta-surface is dictated by the arrangement and plasmonic coupling (hybridization) of sub-wavelength metallic objects, so-called meta-atoms, rather than by the individual components. Although traditional direct writing approaches offer a high degree of freedom in design of nanostructures, reconfiguration of meta-atoms is usually limited. Especially their spatial rearrangement remains a huge challenge. Postfabrication tunability, however, would be crucial to advance device miniaturization and optical computing, by introducing dynamically tunable optics and optical switches. This thesis investigates colloidal assembly as a cost-efficient approach to fabricate meta-surfaces on cm²-areas whose optical properties can be tuned by geometrical reconfiguration. Hydrodynamic fields and topographical templates guide the deposition of colloidal nanoparticles with precise orientational and/or positional control. In the course of this work, the level of particle assembly complexity is successively increased to realize 1-, 2-, and 3-dimensional (1D, 2D, 3D) plasmonic assemblies. Strongly correlated with assembly geometry, different aspects of light are controllable. (I) 1D alignment of silver nanowires (AgNWs) produces differential transmission for linear polarization states (linear dichroism). (II) Single particles in a 2D square array interact coherently to produce a sharp, so-called surface lattice resonance (SLR). This effect confines strong electromagnetic fields in the lattice plane, which is promising for plasmonic lasing. (III) 3D chiral, cross-stacked particle chains control the transmission of circular polarization states (circular dichroism, CD). The unique advantages of colloidal assembly are demonstrated. (I) Spray coating allows rapid deposition of oriented AgNWs over large areas and is compatible with roll-to-roll processing. Employing wrinkle-structured receiver substrates, gradients of continuously varying linear dichroism are feasible in a single step. (II) Capillary assembly is able to realize ~1 nm inter-particle spacing, which is not achievable by conventional top-down lithographical methods. The small spacing enhances inter-particle plasmon coupling and boosts CD in cross-stacked, chiral particle chains, as presented in this thesis. (III) Such hierarchical and restackable, chiral structures make large volumes of superchiral fields accessible for ultrasensitive, enantioselective detection of analytes. This is in vast contrast to stacked nanobars produced via lithography where the most pronounced fields in the inter-layer gap are blocked by the presence of spacing layers. A central focus of this thesis is the postfabrication reconfiguration of the systems presented. This in-situ tunability is realized by elastic and reversibly stackable templates. (I) Uniaxial, mechanical strain converts the 2D square lattice into a rectangular one. This splits the SLR into two polarization-dependent modes whose resonance position is shifted reversibly when load is applied. (II) The cross-stacked, chiral particle chains are restackable. This allows adjustment of the stacking angle to tune CD magnitude and sign. (III) Reversible compression of this chiral stack induces a bending of the chains to shift the spectral position of CD modes. In a proof of concept, locally varying compression is shown to create a gradient of CD response as important step towards on-chip CD spectroscopy. Overall, this thesis (I) tests the limits of colloidal assembly by going from single-particle arrays to complex 3D arrangements; (II) explores geometrical reconfiguration of these plasmonic nanostructures to tune pronounced optical effects. The strategies presented herein can be extended to other colloidal particle shapes and materials. Moreover, the concepts of restackable meta-surfaces and local compression for tuning optical response open an intriguing playground and might inspire top-down approaches as well. / Atome ändern ihre optischen Eigenschaften drastisch, wenn sie sich zu Molekülen oder Kristallen vereinigen. Dies wird deutlich, wenn man isolierte Kohlenstoffatome mit ihren Festkörperpolymorphen Graphit und Diamant vergleicht. Plasmonische Meta-Oberflächen übernehmen dieses Konzept, um die optischen Eigenschaften dünner Schichten nach Belieben einzustellen. In Analogie zu natürlichen Materialien wird die optische Antwort einer Meta-Oberfläche durch die Anordnung und plasmonische Kopplung (Hybridisierung) metallischer Mikro- und Nano-Objekte, den sogenannten Meta-Atomen, bestimmt und kann sich stark von den Eigenschaften der Einzelkomponenten unterscheiden. Obwohl traditionelle Direktschreibverfahren ein hohes Maß an Gestaltungsfreiheit in der Nanostrukturierung bieten, ist die Rekonfiguration von Meta-Atomen in der Regel begrenzt. Vor allem ihre räumliche Neuordnung bleibt eine große Herausforderung. Eine Durchstimmbarkeit auch nach der Herstellung zu gewährleisten wäre jedoch entscheidend, um die Miniaturisierung von Geräten und die Realisierung optischer Computer—durch die Einführung dynamisch durchstimmbarer optischer Bauteile und optischer Schalter—voranzutreiben. Diese Dissertation untersucht kolloidale Assemblierung als kostengünstigen Ansatz zur Herstellung von Meta-Oberflächen im cm²-Maßstab, deren optische Eigenschaften durch geometrische Rekonfiguration durchgestimmt werden können. Hydrodynamische Felder und topographische Template steuern die Ablagerung kolloidaler Nanopartikel mit präziser Orientierungs- und/oder Positionskontrolle. Im Verlauf dieser Arbeit wird die Komplexität der Partikelanordnung sukzessive erhöht, um 1-, 2- und 3-dimensionale (1D, 2D, 3D), plasmonische Anordnungen zu realisieren. Eng verbunden mit der Anordnungsgeometrie können verschiedene Aspekte des Lichts gesteuert werden. (I) Die 1D-Ausrichtung von Silbernanodrähten ruft unterschiedliche Transmission für lineare Polarisationszustände hervor (linearer Dichroismus). (II) Einzelpartikel in einem quadratischen 2D-Kristall wechselwirken kohärent, was eine scharfe, sogenannte Oberflächengitterresonanz (surface lattice resonance) erzeugt. Dieser Effekt konzentriert starke elektromagnetische Felder in der Gitterebene, was ihn für plasmonische Laser interessant macht. (III) 3D-chirale, über Kreuz geschichtete Partikelketten beeinflussen die Transmission zirkularer Polarisationszustände (zirkularer Dichroismus). Die einzigartigen Vorzüge der kolloidalen Assemblierung werden aufgezeigt. (I) Die Sprühbeschichtung ermöglicht eine rasche Abscheidung orientierter Silbernanodrähte auf großen Flächen und lässt sich mit kontinuierlicher Fertigung (Rolle-zu-Rolle) verbinden. Mit Hilfe faltenstrukturierter Substrate können Gradienten mit kontinuierlich variierendem Lineardichroismus in einem einzigen Schritt erzeugt werden. (II) Partikelanordnung mittels Kapillarkräften ermöglicht Partikelabstände von ~1 nm, was mit herkömmlichen, lithographischen Methoden nicht erreichbar ist. Dieser geringe Abstand verbessert die Plasmonenkopplung zwischen den Partikeln und verstärkt den Zirkulardichroismus in gekreuzten, chiralen Partikelketten, wie in dieser Arbeit vorgestellt wird. (III) Solche hierarchischen und wiederholt stapelbaren, chiralen Strukturen machen große Volumina an superchiralen Feldern für Analytmoleküle zugänglich, was deren ultrasensitive, enantioselektive Detektion ermöglicht. Dies steht in starkem Gegensatz zu gestapelten, lithographisch hergestellten Nanostäbchen, bei denen die stärksten Felder im Zwischenschichtspalt durch die Anwesenheit von Abstandsschichten versperrt bleiben. Ein zentrales Thema dieser Arbeit ist die Rekonfiguration der vorgestellten Systeme im Anschluss an deren Fertigung. Diese in-situ-Durchstimmbarkeit wird durch elastische und reversibel stapelbare Template realisiert. (I) Mechanische Deformation entlang einer Achse überführt den quadratischen 2D-Kristall in einen rechteckigen. Dadurch wird die Oberflächengitterresonanz in zwei polarisationsabhängige Moden aufgespalten, deren Resonanzposition unter Krafteinwirkung reversibel verschoben wird. (II) Die über Kreuz gestapelten, chiralen Partikelketten sind wiederholt stapelbar. Dies ermöglicht die Anpassung des Stapelwinkels, um die Stärke und das Vorzeichen des Zirkulardichroismus einzustellen. (III) Reversible Kompression dieses chiralen Stapels verursacht ein Verbiegen der Ketten und verschiebt so die spektrale Position der zirkulardichroitischen Moden. In einer Machbarkeitsstudie konnte gezeigt werden, dass lokal variierende Kompression einen Gradienten des Zirkulardichroismus hervorruft. Dies stellt einen wichtigen Schritt in Richtung Ein-Chip-Spektroskopie dar. Diese Arbeit (I) lotet die Grenzen der kolloidalen Assemblierung aus, indem sie von Einzelpartikel-Anordnungen zu komplexen 3D-Arrangements übergeht; (II) untersucht die geometrische Rekonfiguration dieser plasmonischen Nanostrukturen, um ausgeprägte optische Effekte zu modulieren. Die hier vorgestellten Strategien können auf andere kolloidale Partikelformen und materialien übertragen werden. Darüber hinaus bereiten die Konzepte wiederholt stapelbarer Meta-Oberflächen und der lokalen Kompression zum Einstellen der optischen Eigenschaften eine faszinierende Spielwiese. Auch der Top-Down-Fertigung könnten diese Ansätze als Blaupause dienen.

In dieser Arbeit werden systematisch die bisher unerforschten grundlegenden physikalischen und chemischen Eigenschaften von DNA-Origami untersucht, die die Stabilität dieser aus doppelsträngiger DNA aufgebauten nanoskopischen Suprastrukturen bestimmen. In Analogie zu den zahlreichen Studien, die sich mit der Stabilität von Proteinen durch kontrollierte Denaturierung beschäftigen, spielen auch in dieser Arbeit die Denaturierungsbedingungen eine zentrale Rolle. Unter Verwendung von Guanidinium (Gdm+) als teilweise DNA-stabilisierendes, aber auch potentiell denaturierendes Kation steht dessen Wirkung auf DNA-Origami-Dreiecke im Mittelpunkt der Untersuchungen, wobei insbesondere die unerwartete Modulation der nanoskopischen Schädigung von DNA-Origami durch die begleitenden Gegenanionen zu Gdm+ im Vordergrund steht. Die Experimente zielen darauf ab, atomistische, molekulare, nanoskopische und thermodynamische Eigenschaften von DNA-Origami zu korrelieren und zu klären, wie diese vom Design des DNA-Origami selbst abhängen können. Die Ergebnisse zeigen einen unerwarteten Zusammenhang zwischen den spezifischen Gegenanionen des Denaturierungsmittels und der Stabilität der DNA-Origami-Dreiecke: Sulfat wirkt stabilisierend, während Chlorid die Superstruktur bereits unterhalb der globalen Schmelztemperatur destabilisiert. Statistische Analysen von Rasterkraftmikroskop (AFM)-Bildern und Zirkulardichroismus (CD)-Spektren zeigen Strukturübergänge auf nano-skopischer bzw. molekularer Ebene. Werden diese Techniken mit thermischer Denaturierung in Gegenwart von schwacher bis starker chemischer Denaturierung kombiniert, so zeigt sich, dass Änderungen der Wärmekapazität (ΔCp) während der strukturellen Veränderungen der DNA-Originale eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung ihrer Empfindlichkeit gegenüber Temperatur und Denaturierungsmitteln spielen. Die Daten deuten darauf hin, dass Wasser auf apolaren DNA-Origami-Oberflächen der molekulare Ursprung der abgeleiteten Wärme-kapazitätsänderungen ist. Diese Hypothese wird durch Molekulardynamik-Simulationen (MD) unterstützt, die die Modulation von ΔCp durch die Hydratationshüllen der Anionen zeigen. Ihr unterschiedliches Potential, stabile Ionenpaare mit Gdm+ in konzentrierten Salzlösungen zu bilden, kann die experimentell beobachteten Variationen der strukturellen Stabilität erklären. Die Kopplung von strukturellen Übergängen an ΔCp wird somit als Schlüsselfaktor für die Destabilisierung von DNA-Origami sowohl bei höheren als auch bei niedrigeren Temperaturen identifiziert. Darüber hinaus weisen DNA-Origami nicht nur diese Eigenschaft auf, sondern ermöglichen auch die Beobachtung von kalten Denaturierungsprozessen auf nanoskopischer Ebene, bei denen kälteinduzierte Spannungen innerhalb der Superstruktur bei einem Bruch an vorherbestimmten lokalen Stellen freigesetzt werden, die in AFM-Bildern sichtbar sind. Dies ist die erste Beobachtung der kälteinduzierten Denaturierung von Nukleinsäuren bei Temperaturen über 0 °C sowie von DNA-basierten Superstrukturen. In dieser Arbeit wird die strukturelle Stabilität von sechs verschiedenen 2D- und 3D-DNA-Origami-Nanostrukturen in unterschiedlichen chemischen Umgebungen untersucht. Drei chaotrope Salze - Guanidiniumsulfat (Gdm2SO4), Guanidiniumchlorid (GdmCl) und Tetrapropylammoniumchlorid (TPACl) - werden als Denaturierungsmittel verwendet. Mittels Rasterkraftmikroskopie wird die Integrität der Nanostrukturen quantifiziert, wobei sich Gdm2SO4 als das schwächste und TPACl als das stärkste Denaturierungsmittel für DNA-Origami erweist, was sich auch in den Schmelztemperaturen widerspiegelt. Die Abhängigkeit der DNA-Origami-Stabilität von der Superstruktur wird besonders bei 3D-Nanostrukturen deutlich. Hier zeigen mechanisch flexible Designs sowohl in GdmCl als auch in TPACl eine höhere Stabilität als ihre starren Gegenstücke. Die Abhängigkeit der DNA-Origami-Stabilität von der Superstruktur wird besonders in 3D-Nanostrukturen deutlich, in denen mechanisch flexible Strukturen sowohl in GdmCl als auch in TPACl eine höhere Stabilität aufweisen als ihre steifen Gegenstücke. Dies begünstigt die Bildung von intramolekularen Verformungen, die sich entweder in 'weichen' Architekturen über die gesamte Superstruktur verteilen oder in ansonsten 'steifen' Strukturen in den weniger stabilen Regionen konzentrieren.:Table of contents Questions addressed in this thesis .................................................................................... I Abstract ................................................................................................................................ I Englisch .................................................................................................................................................. I Deutsch .................................................................................................................................................. II Acronyms ........................................................................................................................... III Substances .......................................................................................................................................... IV Physical and Chemical abbreviations ............................................................................................... IV Mathematical abbreviations ................................................................................................................ V 1 Introduction ................................................................................................................. 1 1.1 Deoxyribonucleic acid ................................................................................................................. 1 1.1.1 The structure of DNA ............................................................................................................ 1 1.1.2 Hydrogen bonds .................................................................................................................... 1 1.1.3 Base stacking ........................................................................................................................ 2 1.1.4 Water DNA interactions: A complex dance of stability and dynamics .................................. 5 1.1.5 The effect of ionic strength on DNA conformation ................................................................ 9 1.1.6 Conformational changes ....................................................................................................... 9 1.1.7 Forms of DNA ..................................................................................................................... 10 1.1.8 The role of apolar groups in DNA unfolding ........................................................................ 13 1.1.9 Energetics of DNA structural transitions ............................................................................. 14 1.1.10 Melting temperature ............................................................................................................ 15 1.2 Hofmeister series ....................................................................................................................... 17 1.2.1 Probing the Hofmeister series: Salt effects biomolecules ................................................... 17 1.2.2 Specific ion effects in electrolyte solutions .......................................................................... 19 1.3 DNA nanostructures................................................................................................................... 20 1.3.1 DNA origami ........................................................................................................................ 22 1.3.2 Challenges in DNA origami stability .................................................................................... 26 1.3.3 DNA origami in single molecule studies .............................................................................. 27 1.4 Circular dichroism ...................................................................................................................... 28 1.4.1 Circular dichroism spectroscopy for analyzing DNA conformations ................................... 30 1.4.2 Wavelength-dependent spectroscopic signatures of DNA conformation ........................... 32 1.5 Atomic force microscopy .......................................................................................................... 34 1.6 2D correlation spectroscopy ..................................................................................................... 36 1.6.1 2D correlation spectroscopy: Synchronous and asynchronous spectra analysis ............... 39 1.6.2 Perturbation-correlation moving-window 2D correlation spectroscopy ............................... 40 1.7 Multivariate analysis of spectral data using PCA and ITTFA ................................................ 41 1.8 Cold denaturation ....................................................................................................................... 42 2 Results and Discussion ............................................................................................ 44 2.1 Cold denaturation of the Rothemund DNA origami triangle .................................................. 45 2.2 Heat denaturation of the Rothemund DNA origami triangle .................................................. 50 2.2.1 Investigations by atomic force microscopy ......................................................................... 51 2.2.2 Circular dichroism spectroscopy and thermodynamic modelling ........................................ 56 2.2.3 Divergent effects of Cl- and SO42- on DNA origami stability ................................................ 62 2.3 Magnesium concentration modulation of DNA Origami heat denaturation ......................... 65 2.4 Assessing DNA origami stability in different chaotropic environments .............................. 66 2.4.1 DNA origami integrity influenced by Gdm2SO4 ................................................................... 67 2.4.2 DNA origami integrity influenced by GdmCl ........................................................................ 73 2.4.3 DNA origami integrity influenced by TPACl ........................................................................ 75 2.4.4 Quantitative comparison ..................................................................................................... 77 3 Critics ......................................................................................................................... 78 4 Conclusion ................................................................................................................. 79 5 Outlook ...................................................................................................................... 81 6 Material and Methods ................................................................................................ 82 6.1 DNA origami synthesis .............................................................................................................. 82 6.2 Sample preparation and AFM imaging ..................................................................................... 82 6.2.1 Anion-specific structure and stability of guanidinium-bound DNA origami & Cold denaturation of DNA origami nanostructures ...................................................................... 82 6.2.2 Superstructure-dependent stability of DNA origami nanostructures in the presence of chaotropic denaturants ........................................................................................................ 83 6.2.3 Cold denaturation of DNA origami nanostructures ............................................................. 83 6.3 CD spectroscopy and analysis ................................................................................................. 84 6.3.1 Anion-specific structure and stability of guanidinium-bound DNA origami ......................... 84 6.3.2 Pre-treatment of the CD data and calculation of melting temperatures .............................. 84 6.3.3 Cold denaturation of DNA origami nanostructures ............................................................. 84 6.3.4 Superstructure-dependent stability of DNA origami nanostructures in the presence of chaotropic denaturants ........................................................................................................ 84 6.4 Principal component analysis and iterative target test factor analysis ............................... 85 6.5 Thermodynamic modelling ........................................................................................................ 85 6.6 Molecular dynamics modelling ................................................................................................. 85 Appendix ........................................................................................................................... 88 Acknowledgment ............................................................................................................ 100 Bibliography .................................................................................................................... 101 List of Figures ................................................................................................................. 116 List of Tables ................................................................................................................... 118 Declaration of independence – Selbstständigkeitserklärung ...................................... 119 / This thesis undertakes the systematic study of hitherto unexplored fundamental physical and chemical properties of DNA origami that determine the stability of these designed nanoscopic superstructural assemblies of double-stranded DNA. In analogy to the vast number of studies addressing protein stability by controlled denaturation, denaturing conditions play a central role in this thesis as well. Using guanidinium (Gdm+) as a partly DNA-stabilizing but also potentially denaturing cation, its effect on DNA origami triangles is central to the study which particularly addressed the unexpected modulation of nanoscopic damage of DNA origami by the accompanying counter-anions to Gdm+. The experiments aim at correlating atomistic, molecular, nanoscopic and thermodynamic properties of DNA origami and at elucidating how these may depend on the DNA origami design itself. The results demonstrate an unexpected relationship between the specific counter-anions of the denaturant and the stability of DNA origami triangles: sulphate exhibits stabilizing effects and chloride induces destabilization of the superstructure already below the global melting temperature. Statistical analyses of both atomic force microscopy (AFM) images and circular dichroism (CD) spectra reveal structural transitions at the nanoscopic and molecular level, respectively. Combining these techniques with thermal denaturation in the presence of mild to strong chemical denaturation, changes in heat capacity (ΔCp) during DNA origami structural changes are shown to play the key role in determining their sensitivity to temperature and denaturants. The data suggest that water at apolar DNA origami surfaces is the molecular origin of the derived heat capacity changes. This hypothesis is substantiated by Molecular Dynamics (MD) simulations which shed light on the modulation of ΔCp by the hydration shells of anions. Their different potential to form stable ion pairs with Gdm+ in concentrated salt solutions can explain the experimentally observed variations of structural stability. The coupling of structural transitions to ΔCp is thus identified as a key factor in the destabilization of DNA origami at both elevated and lowered temperatures. Furthermore, DNA origami not only exhibit this property, but also enable the observation of cold denaturation processes at the nanoscopic level, where cold-induced strain within the superstructure is released upon breakage at predisposed local sites, visible in AFM images. This is the first observation of cold-induced denaturation of nucleic acids at temperatures above 0 °C, as well of DNA-based superstructures. Extending the scope, the work evaluates the structural stability of six different 2D and 3D DNA origami nanostructures in different chemical environments. Three chaotropic salts - guanidinium sulfate (Gdm2SO4), guanidinium chloride (GdmCl), and tetrapropylammonium chloride (TPACl) - are used as denaturants. Atomic force microscopy quantifies the nanostructural integrity, revealing Gdm2SO4 as the weakest and TPACl as the strongest DNA origami denaturant, which is also reflected in the melting temperatures. The dependence of DNA origami stability on its superstructure is particularly evident in 3D nanostructures, where mechanically flexible designs exhibit higher stability in both GdmCl and TPACl than rigid counterparts. This supports the buildup of intramolecular strain, which becomes either partitioned among the entire superstructure in “soft” architectures or accumulates at the least stable regions in otherwise “rigid” designs.:Table of contents Questions addressed in this thesis .................................................................................... I Abstract ................................................................................................................................ I Englisch .................................................................................................................................................. I Deutsch .................................................................................................................................................. II Acronyms ........................................................................................................................... III Substances .......................................................................................................................................... IV Physical and Chemical abbreviations ............................................................................................... IV Mathematical abbreviations ................................................................................................................ V 1 Introduction ................................................................................................................. 1 1.1 Deoxyribonucleic acid ................................................................................................................. 1 1.1.1 The structure of DNA ............................................................................................................ 1 1.1.2 Hydrogen bonds .................................................................................................................... 1 1.1.3 Base stacking ........................................................................................................................ 2 1.1.4 Water DNA interactions: A complex dance of stability and dynamics .................................. 5 1.1.5 The effect of ionic strength on DNA conformation ................................................................ 9 1.1.6 Conformational changes ....................................................................................................... 9 1.1.7 Forms of DNA ..................................................................................................................... 10 1.1.8 The role of apolar groups in DNA unfolding ........................................................................ 13 1.1.9 Energetics of DNA structural transitions ............................................................................. 14 1.1.10 Melting temperature ............................................................................................................ 15 1.2 Hofmeister series ....................................................................................................................... 17 1.2.1 Probing the Hofmeister series: Salt effects biomolecules ................................................... 17 1.2.2 Specific ion effects in electrolyte solutions .......................................................................... 19 1.3 DNA nanostructures................................................................................................................... 20 1.3.1 DNA origami ........................................................................................................................ 22 1.3.2 Challenges in DNA origami stability .................................................................................... 26 1.3.3 DNA origami in single molecule studies .............................................................................. 27 1.4 Circular dichroism ...................................................................................................................... 28 1.4.1 Circular dichroism spectroscopy for analyzing DNA conformations ................................... 30 1.4.2 Wavelength-dependent spectroscopic signatures of DNA conformation ........................... 32 1.5 Atomic force microscopy .......................................................................................................... 34 1.6 2D correlation spectroscopy ..................................................................................................... 36 1.6.1 2D correlation spectroscopy: Synchronous and asynchronous spectra analysis ............... 39 1.6.2 Perturbation-correlation moving-window 2D correlation spectroscopy ............................... 40 1.7 Multivariate analysis of spectral data using PCA and ITTFA ................................................ 41 1.8 Cold denaturation ....................................................................................................................... 42 2 Results and Discussion ............................................................................................ 44 2.1 Cold denaturation of the Rothemund DNA origami triangle .................................................. 45 2.2 Heat denaturation of the Rothemund DNA origami triangle .................................................. 50 2.2.1 Investigations by atomic force microscopy ......................................................................... 51 2.2.2 Circular dichroism spectroscopy and thermodynamic modelling ........................................ 56 2.2.3 Divergent effects of Cl- and SO42- on DNA origami stability ................................................ 62 2.3 Magnesium concentration modulation of DNA Origami heat denaturation ......................... 65 2.4 Assessing DNA origami stability in different chaotropic environments .............................. 66 2.4.1 DNA origami integrity influenced by Gdm2SO4 ................................................................... 67 2.4.2 DNA origami integrity influenced by GdmCl ........................................................................ 73 2.4.3 DNA origami integrity influenced by TPACl ........................................................................ 75 2.4.4 Quantitative comparison ..................................................................................................... 77 3 Critics ......................................................................................................................... 78 4 Conclusion ................................................................................................................. 79 5 Outlook ...................................................................................................................... 81 6 Material and Methods ................................................................................................ 82 6.1 DNA origami synthesis .............................................................................................................. 82 6.2 Sample preparation and AFM imaging ..................................................................................... 82 6.2.1 Anion-specific structure and stability of guanidinium-bound DNA origami & Cold denaturation of DNA origami nanostructures ...................................................................... 82 6.2.2 Superstructure-dependent stability of DNA origami nanostructures in the presence of chaotropic denaturants ........................................................................................................ 83 6.2.3 Cold denaturation of DNA origami nanostructures ............................................................. 83 6.3 CD spectroscopy and analysis ................................................................................................. 84 6.3.1 Anion-specific structure and stability of guanidinium-bound DNA origami ......................... 84 6.3.2 Pre-treatment of the CD data and calculation of melting temperatures .............................. 84 6.3.3 Cold denaturation of DNA origami nanostructures ............................................................. 84 6.3.4 Superstructure-dependent stability of DNA origami nanostructures in the presence of chaotropic denaturants ........................................................................................................ 84 6.4 Principal component analysis and iterative target test factor analysis ............................... 85 6.5 Thermodynamic modelling ........................................................................................................ 85 6.6 Molecular dynamics modelling ................................................................................................. 85 Appendix ........................................................................................................................... 88 Acknowledgment ............................................................................................................ 100 Bibliography .................................................................................................................... 101 List of Figures ................................................................................................................. 116 List of Tables ................................................................................................................... 118 Declaration of independence – Selbstständigkeitserklärung ...................................... 119

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Herstellung und Charakterisierung neuer sternförmiger Mesogene. Bei den aufgeführten Sternverbindungen, handelt es sich um Oligobenzoate, bestehend aus aromatischen Hydroxy- oder Aminocarbonsäuren, die durch Kupplungsreaktionen mit Dicylohexycarbodiimid, in einer konvergenten Synthesestrategie verknüpft wurden. Das besondere Augenmerk der Arbeit richtete sich auf die Charakterisierung der von den neuen Substanzen gebildeten Mesophasen, die mit Hilfe von Polarisationsmikrokopie, dynamischer Differenzialkalorimetrie und Röntgenstreuung erfolgte. Zur Aufklärung spezieller dreidimensionaler Strukturen wurden als zusätzliche Methoden die Rasterkraftmikroskopie angewandt und der Zirkulardichroismus untersucht.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Herstellung und Charakterisierung neuer sternförmiger Mesogene. Bei den aufgeführten Sternverbindungen, handelt es sich um Oligobenzoate, bestehend aus aromatischen Hydroxy- oder Aminocarbonsäuren, die durch Kupplungsreaktionen mit Dicylohexycarbodiimid, in einer konvergenten Synthesestrategie verknüpft wurden. Das besondere Augenmerk der Arbeit richtete sich auf die Charakterisierung der von den neuen Substanzen gebildeten Mesophasen, die mit Hilfe von Polarisationsmikrokopie, dynamischer Differenzialkalorimetrie und Röntgenstreuung erfolgte. Zur Aufklärung spezieller dreidimensionaler Strukturen wurden als zusätzliche Methoden die Rasterkraftmikroskopie angewandt und der Zirkulardichroismus untersucht.

Aus den frühen Bindungsstudien des globalen Regulators AbrB mit der ausgedehnten phyC-Promotorregion von Bacillus amyloliquefaciens FZB45 konnte ein mehrstufiger kooperativer Bindungsprozess abgeleitet werden. Dabei verlangt die AbrB-vermittelte Repression von phyC nach Integrität zweier großer Bindungsstellen, ABS1 und ABS2, die 162 bp voneinander entfernt liegen. In der vorliegenden Arbeit wurden die ersten Echtzeitkinetiken zur DNA-AbrB-Interaktion mittels der Oberflächenplasmonresonanz (SPR) gemessen und analysiert. AbrB zeigte hohe Affinitäten zu den 40 bp langen Oligonukleotiden, die den beiden Bindungsstellen entstammen. Dabei verursachten alle Oligonukleotide der ABS2 und nur eine kurze Region innerhalb der ABS1 bei der Bindung von AbrB Konformationsänderungen im Protein und in der DNA (CD - Zirkulardichroismusspektroskopie) und wiesen eine Kooperativität von 2 / In previous binding studies it could be demonstrated that a global regulator AbrB and the extensive phyC promoter region of Bacillus amyloliquefaciens FZB45 interact in a complex manner. AbrB binding is a multistep cooperative process. The integrity of both binding sites, ABS1 and ABS2, which are separated by 162 bp, is crucial for the AbrB-mediated repression of phyC. This work presents the first real-time binding kinetics of the AbrB-DNA interaction using surface plasmon resonance (SPR). AbrB exhibited high affinities to all analyzed 40-bp oligonucleotides that were derived from the ABSs of phyC. All parts of the ABS2, but only a small region within ABS1, were bound cooperatively to AbrB with a stoichiometry of 2 DNA to 1 AbrB tetramer and with 2