Von Solvatationsdynamik in DNA zur Infrarot-Spektroskopie der lokalen Struktur

• Antragsteller: Professor Dr. Nikolaus P. Ernsting
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 28526397

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Wir versuchten, eine molekulare Sonde als lokales Spektrometer in der Nähe von supramolekularen Strukturen einzusetzen. Zum Beispiel wurde die solvatochrome Sonde Oxyquinolinium Betain an das Disaccharid Trehalose geknüpft. In einer anderen Anwendung wurde die Sonde 4-Aminophthalimid anstelle einer natürlichen Nukleobase in eine DNA-Doppelhelix eingebaut. Durch ultraschnelle optische Anregung der Sonde wird ein elektrischer Dipol erzeugt, d.h. das Molekül funktioniert als THz- bzw. IR-Lichtquelle. Die Relaxation der Umgebung führt dann im Verlauf einiger Picosekunden zu einer Rotverschiebung der Fluoreszenz; das Molekül funktioniert dabei als Detektor. Falls das System Sonde + Umgebung nicht zu sehr gedämpft ist, können dabei leichte Oszillationen der Rotverschiebung und damit von Q(t) auftreten. Für eine relativ starre, passende Sonde sollte die Schwingung weitgehend durch die Umgebung bestimmt sein; letztere wird so für die Messung zugänglich, wobei Perioden von etwa 1 ps bis 100 fs erfassbar sind. Aber auch ein multi-exponentieller Verlauf der Rotverschiebung liefert wichtige Information über die Dynamik der Umgebung. Derart konnte eine effektive dielektrische Permittivitätsfunktion ε(ω) für die Hydrathülle von Trehalose bestimmt werden. Temperatur- und Deuterium-Effekte zeigen, dass die Hydrathülle die Sonde umfasst und mithin weiter reicht, als aus NMR Untersuchungen geschlossen wurde. Für die Sonde 4-Aminophthalimid in einer DNA-Doppelhelix wurde zusätzlich die gesamte NMR-Struktur in wässriger Lösung bestimmt. Zwei Einbaulagen stehen im Gleichgewicht. Überraschend ist dabei, dass die Sonde bei Erhöhung der Temperatur in die Doppelhelix-Struktur zunächst „hineingetrieben“ wird (negative Schmelzentropie). Die gemessene Solvatations-Dynamik ist konsistent mit diesem Befund. Insgesamt wird aus den Beobachtungen auf die optimale glykosidische Verknüpfung der Sonde geschlossen. Für die dynamischen Fluoreszenzmessungen wurde ein neues Spektrometer entwickelt. Damit können Spektren bei allen relevanten Wellenlängen simultan mit <100 fs Zeitauflösung aufgenommen werden. Bei der optischen Anregung muß Überschuss-Schwingungsenergie vermieden werden. In Wasser ist die zeitabhängige Rotverschiebung der Fluoreszenz ein direktes Abbild der dielektrischen Relaxation. In anderer Umgebung ist dagegen die Orientierungsdiffusion der Sonde zu berücksichtigen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Dynamic polar solvation is reported by fluorescing 4-Aminophthalimide faithfully despite H-bonding, J. Phys. Chem. A 113 (2009) 44
  M. Sajadi, T. Obernhuber, S. A. Kovalenko, M. Mosquera, B. Dick, N. P. Ernsting
  
• Local THz time-domain spectroscopy of duplex DNA via fluorescence of an embedded probe, J. Phys. Chem. B 113 (2009) 15619
  A. Dallmann, M. Pfaffe, C. Mügge, R. Mahrwald, S. A. Kovalenko, N. P. Ernsting
  
• 2-Aminopurine incorporation perturbs the dynamics and structure of DNA, Angew. Chem. Int. Ed. 49 (2010) 5989
  A. Dallmann, L. Dehmel, T. Peters, C. Mügge, C. Griesinger, J. Tuma, N. P. Ernsting
  
• Terahertz Absorption Spectroscopy of a Liquid Using a Polarity Probe: A Case Study of Trehalose/Water Mixtures, Angew. Chem. Int. Ed. 49 (2010) 454
  M. Sajadi, Y. Ajaj, I. Ioffe, H. Weinärtner, N. P. Ernsting
  
• Detection of DNA-ligand binding oscillations by Stokes shift measurements, Angew. Chem. Int. Ed. 50 (2011) 9501
  M. Sajadi, K. E. Furse, X.-X. Zhang, L. Dehmel, S. A. Kovalenko, S. A. Corcelli, N. P. Ernsting
  
• Femtosecond broadband fluorescence upconversion spectroscopy: Improved setup and photometric correction, Rev. Sci. Instrum. 82 (2011) 063108
  X.-X. Zhang, C. Würth, L. Zhao, U. Resch- Genger, N. P. Ernsting, M. Sajadi
  
• Polar solvation dynamics in water and methanol: search for Molecularity, Phys. Chem. Chem. Phys. 13 (2011) 17768
  M. Sajadi, M. Weinberger, H.-A. Wagenknecht, N. P. Ernsting
  
• Excess Dynamic Stokes Shift of Molecular Probes in Solution, J. Phys. Chem. B 117 (2013) 7675
  M. Sajadi, N. P. Ernsting
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/jp400473n)
• Synthesis of 4-Aminophthalimide and 2,4-Diaminopyrimidine C‑Nucleosides as Isosteric Fluorescent DNA Base Substitutes, JOC 78 (2013) 2589
  M. Weinberger, F. Berndt, R. Mahrwald, N. P. Ernsting, H.-A. Wagenknecht
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/jo302768f)
• Observing the Hydration Layer of Trehalose with a Linked Molecular Terahertz Probe, J. Phys. Chem. Lett. 5 (2014) 1845
  M. Sajadi, F. Berndt, C. Richter, M. Gerecke, R. Mahrwald, N. P. Ernsting
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/jz500437c)
• Isosteric and fluorescent DNA base pair formed by 4-amino-phthalimide and 2,4-diaminopyrimidine: melting, structure, and THz polar solvation dynamics. Phys. Chem. Chem. Phys., 2016, 18, 6813-6820
  L. Dehmel, F. Berndt, M. Weinberger, M. Sajadi, I. Ioffe, H.-A. Wagenknecht, N. P. Ernsting
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c5cp06972f)