Rasterkraftmikroskop
Final Report Abstract
Der ursprüngliche Plan für dieses Gerät war, damit lichtreaktive Nanoarchitekturen zu untersuchen. Dazu bestand zur Zeit der Antragstellung eine Kollaboration mit Prof. Dr. Yamuna Krishnan, NCBS Bangalore, deren DNA-Nanoikosaeder dazu mit lichtaktivierbaren und lichtschaltbaren Nukleosiden aus dem AK Heckel modifiziert werden sollte. Das Ziel war eine durch Licht zu öffnende Kapsel mit einer zellulären Delivery-Strategie. Entsprechende Designs wurden erstellt und entsprechende Proben wurden hergestellt und nach Indien geschickt für den Zusammenbau. Die fertigen Strukturen hätten dann wieder in meiner Arbeitsgruppe untersucht werden sollen. Leider bekam Frau Kollegin Krishnan dann einen Ruf an die University of Chicago und hatte – nachdem das AFM beschafft worden und sehr erfolgreich in Betrieb genommen worden war – kein Interesse mehr an der Kollaboration. Da so der Kollaborationspartner auf der Seite der größeren DNA-Nanoarchitekturen abhandengekommen war, orientierten wir uns um und beschlossen unsere eigenen lichtschaltbaren Bausteine zu perfektionieren und dann selber nach und nach in größer werdenden DNA-Nanoarchitekturen einzusetzen. Dabei kam es zu erheblichen Zeitverzögerungen, da die ursprünglich vorgesehenen Mitarbeiter (zwei Doktoranden und ein Postdoc) ihre Arbeiten mit anderen Themen beenden mussten. Es mussten neue Mitarbeiter und neue Projekte gefunden werden. In einem der Projekte untersuchte Dr. Peter Sebej im AK Heckel das lichtgesteuerte Ätzen von Glimmeroberflächen mit lichtaktivierbarem Fluorid. Hierbei konnte p-Hydroxyphenacyl-fluorid mit erstaunlich hoher Quantenausbeute durch UV-Licht freigesetzt werden. Die dabei entstehenden Veränderungen an der Oberfläche wurden mittels AFM charakterisiert. In einem weiteren Projekt entwickelte Patrick Seyfried im AK Heckel ein neues Verfahren zur robusten und erfolgreichen Lichtaktivierung von langen DNA-Fragmenten. Zuvor hatten wir gezeigt, dass durch das Einführen von photolabilen Gruppen („cages“) DNA und RNA lokal an der Hybridisierung gehindert werden kann und hatten dies in den vergangenen 10 Jahren für eine Vielzahl von Anwendungen benutzt. Allerdings war das Lichtaktivieren von langen DNA-Sequenzen nicht effizient möglich. Herr Seyfried hatte nun die Idee, DNA mit lichtspaltbaren „Photo-Stützen“ zu verknäueln, so dass dann auch lange Sequenzen keinen Duplex mehr bilden können – bis zum Moment der Bestrahlung mit Licht, in dem diese Modifikation „spurlos“ entfernt wird. Dieser Ansatz war sehr erfolgreich und es gelang uns z.B. ein 90-mer sehr effizient mit Licht zu regulieren. Da die Chemie dieser Verknäuelung auf einer Click-Addition beruhte, war es sehr schwer eine Aussage über die (Multi-)Zyklisierung zu treffen, da die Massen aller Produkte identisch waren. Hier war die Analyse der Form der DNA über AFM eine sehr wertvolle Methode der Charakterisierung, mit der wir die Verknäuelung und die Freisetzung mit Licht untersuchen konnten. In einer sehr breiten Studie untersuchten wir das supramolekulare, selbstorganisierende Anordnen von kleinen photoschaltbaren Molekülen auf Oberflächen. Durch unsere Beiträge zum SFB 902 (Molekulare Mechanismen der RNA-basierten Regulation) verfügten wir über eine große Anzahl kleiner photoschaltender Moleküle für den Einsatz als Riboswitch-Liganden. Diese hatten an den jeweiligen Seiten gezielte Wechselwirkungsmöglichkeiten (z.B. H-Brücken-Motive). Einige dieser Derivate stellten sich als schwer löslich heraus – was ein Hinweis auf Selbstaggregation ist. Interessanterweise war diese Selbstaggregation lichtschaltbar. Die Weiterführung dieser Untersuchungen geschah und geschieht in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. T. G. Gopankumar (IIT Kanpur). Mit Prof. Dr. Michael Huth (Frankfurt) untersuchen wir, ob diese (aromatischen) photoschaltbaren Netzwerke auf Oberflächen elektronische Eigenschaften haben (wie z.B. photoschaltbare Leitfähigkeit). Das eigentliche Projekt – die Entwicklung von lichtschaltbaren DNA-Nanoarchitekturen – dennoch zu realisieren, wenn auch auf anderen Wegen – ist das Thema der Doktorarbeit von Nikolai Grebenovsky im AK Heckel. Herr Grebenovsky hat dazu zusammen mit Thomas Goldau (ebenfalls AK Heckel) neue Azobenzol C-Nukleoside entworfen, die nun für das Photoschalten von DNA-Objekten verwendet werden sollen – anstatt der ursprünglichen Kollaboration mit Prof. Dr. Krishnan. Dazu hat Herr Grebenovsky DNA-Hanteln konstruiert. Diese bestehen aus DNA-Miniringen an beiden Enden und einen verbindenden Steg, in den die photoschaltbaren C-Nukleoside eingebaut werden. Ziel ist es, Regeln zu entwerfen nach denen eine maximale Effizienz der Photoschaltbarkeit hin zu einem „binären“, photoreversiblen DNA- basierten Klebstoff realisiert werden kann.
Publications
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“Caged Fluoride: Photochemistry and Applications of 4-Hydroxyphenacyl Fluoride” Org. Lett. 2015, 17, 4814
T. Slanina, P. Sebej, A. Heckel, R. Givens, P. Klán
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„Photo-Tethers for the (Multi-)Cyclic, Conformational Caging of Long Oligonucleotides” Angew. Chem. 2017, 129, 365
P. Seyfried, L. Eiden, N. Grebenovsky. G. Mayer, A. Heckel
