Funktionalisierte OSK-Stäbe für optische Sensorik

• Antragsteller: Professor Dr. Michael U. Kumke; Professor Dr. Pablo Wessig
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 255921230

Im vorliegenden interdisziplinären Forschungsvorhabens wird die Synthese einer neuen Klasse von fluoreszierenden Sensor-Stäben sowie die detaillierte (photo)physikalische Untersuchung dieser für abstands-, umgebungs- bzw. kraftsensitive Messungen basierend auf Oligospiroketal-(OSK)-Motiven und DBD-Fluorophoren (Werkzeugkasten-Prinzip) durchgeführt werden. Es werden mit den neuen OSK-Stäben die Strukturmotive Fluorophor, Verbinder und Abstandshalter im Vergleich zu bisherigen gängigen Systemen basierend auf DNA oder Polypeptiden grundlegend verbessert. Dadurch werden einerseits die molekularen Dimensionen des Abstandshalters nachhaltig reduziert, wodurch der Einbau biologische Systeme wie Membranen nahezu ungestört lässt. Die vergleichsweise hydrophobe Oberfläche der OSK-Stäbe wird einen effektiven Einbau fördern und somit dient der Abstandhalter im Zusammenhang mit Membranen (oder Membran-Modellen wie Liposomen) als molekularer Anker. Möglichkeiten von spezifischen chemischen Wechselwirkungen sind minimiert bzw. können gezielt chemisch vorgeben werden. Es werden einfach- und doppelt-markierte Sensor-OSK-Stäbe synthetisiert und untersucht. Durch die anpassbare Länge der Stäbe können gezielt Transmembran-Sonden entworfen werden, wodurch die Untersuchung von Signaltransduktion an Membranen verbessert wird. Durch das Einfügen von Gelenken kann eine Flexibilität an definierter Stelle im Stab integriert werden. Die DBD-Fluorophore haben ein großes Sensorpotential dank der umgebungssensitiven Photophysik. Als ein fundamentales Prinzip zur Bestimmung von Abständen (bzw. deren Variation) auf molekularer Skala wird der Förster-Resonanz-Energietransfer (FRET) genutzt. Neben der Skalierbarkeit des Abstandes zwischen Donor und Akzeptor werden auch fundamentalere Aspekte zum FRET untersucht, wie z.B. der Einfluss des Orientierungsfaktors oder die Punktdipol-Annahme für die Farbstoffe. Durch die verbesserte Anbindung von Farbstoff an Abstandshalter sowie die insgesamt erhöhte Rigidität der Sonden-OSK-Stäbe wird der verfügbare Aufenthaltsraum der Farbstoffe verkleinert, so dass im Vergleich zu bisher etablierten Systemen (z.B. Polyprolinen) deutlich verbesserte, weil schmaler, Abstandverteilungen verfügbar sind und damit ein Set von Sonden mit wohl-definierten Donor-Akzeptor-Abständen geschaffen wird. Auch bei der Immobilisierung auf Oberflächen wird der Abstandshalter als Anker genutzt werden, wobei in diesem Fall ein Ende des Stabes chemisch modifiziert wird. Durch die Variation der OSK-Stablänge bzw. der Flexibilität über Gelenke kann der Abstand zwischen Fluorophor und Oberfläche bestimmt werden und so Fluoreszenzverstärkung bzw. -löschung erhalten werden (je nach Abstand sollten Feldstärke-Effekte oder Schweratomlöschung dominieren). AFM als Kraftgeber wird dazu gezielt zur Manipulation der Stäbe (Verbiegen) eingesetzt und neue molekularen Werkzeuge für optische Kraftmessungen an Grenzflächen entwickelt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen