SFB 613:  Physics of Single-Molecule Processes and of Molecular Recognition in Organic Systems

• Subject Area: Physics ; Biology ; Chemistry
• Term: from 2002 to 2012
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5485220

• Final Report Year: 2013

Final Report Abstract

Gegenstand und Leitthema des Sonderforschungsbereichs SFB 613 war die grundlegende und modellhafte Untersuchung der physikalischen Mechanismen von Einzelmolekülprozessen und molekularer Erkennung in organischen Systemen. Die spezifische Erkennung von molekularen Strukturen unterschiedlicher chemischer Ausprägungen ist die Grundlage für die Selbstorganisation kleiner Moleküle zu funktionellen Nano- und Mikrostrukturen. Die selektive Anordnung molekularer Bausteine durch mehrfache, kollektive und unspezifische Wechselwirkungen zu maßgeschneiderten Architekturen definierter Dimension ermöglicht eine fast unerschöpfliche Vielfalt von neuen funktionalen Systemen in der Natur wie auch in der Technik, welche in Bezug im SFB 613 auf die darin ablaufenden elementaren Vorgänge auf Einzelmolekülniveau untersucht wurden. Da auf den relevanten molekularen Skalen die Grenzen klassischer Disziplinen verschwinden, wurde bei der Einrichtung des Sonderforschungsbereichs 613 großer Wert auf einen stark interdisziplinär ausgerichteten und vernetzten Forschungsansatz gelegt, zu dem zahlreiche Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Fakultäten für Physik, Chemie und Biologie in Experiment und Theorie beitrugen und ihre Sichtweise, Fragestellungen und Methodenspektren einbrachten. Dabei wurden wesentliche und neue Beiträge zu Struktur, Wechselwirkung, Funktionalität, Dynamik und Organisation organischer Molekülsysteme komplexer übergeordneter Prozesse untersucht, wobei natürlich vorkommende, molekular erkennende Molekülsysteme (wie z.B. Protein-DNA/RNA, Antigefrierglykoproteine oder membrangebundene Multidomänenproteinmotoren), Mutationen und Varianten davon, und/oder biomimetische Analoga (supramolekulare Wirt-Gast-Systeme, schaltbare Peptidstrukturen oder metallkomplex-basierte Molekülsysteme) im Zentrum des Interesses standen. Gerade der Brückenschlag zwischen in der Natur vorkommenden Molekülsystemen und biomimetischen Analoga unterstreicht den langfristigen und nach wie vor aktuellen Anspruch dieses Sonderforschungsbereichs um damit Erkenntnisse über physikalische Wechselwirkungsmechanismen auf künstliche und abiotische Systeme übertragen zu können und komplexe Funktionalitäten nachzubauen oder zu imitieren (´Reverse engineering and biomimetics´). Dabei wurde auch ein besonderes Augenmerk auf die Einbindung theoretischer Forschungsprojekte gelegt, welche mit numerischen und analytischen Methoden der statistischen Physik und quantenchemischen Methoden wichtige Beiträge zur Mustererkennung, molekularer Dynamik reaktiver Prozesse und von Einzelmolekül-Dissoziationsprozessen beitrugen. Neben den grundlegenden Fragestellungen zu übergeordneten biologischen Phänomenen wie der Kontrolle von Genexpression, zirkadianer Rhythmik oder dem Transportmechanismus lichtgetriebener Proteinpumpen enthielten die im SFB geleisteten Arbeiten auch vielfältige technologische und anwendungsorientierte Entwicklungen. So wurden verschiedene Ansätze für die Weiterentwicklung und Anwendung von Einzelmolekülverfahren wie der Kraftspektroskopie, der Einzelmolekül-Fluoreszenz-Mikroskopie/-Spektroskopie, optischer Pinzette, der Photostromspektroskopie an Einzelmolekülkontakten, der Steuerung der makromolekularen Dynamik in Mikrofluidiknetzwerken und über magnetische Sonden auf Einzelzellniveau (´Lab-on-chip´) verfolgt.

Publications

• Vollständig vernetzte chemisch strukturierte Monoschichten, DE 102008046 707
  A. Beyer, A. Godt, und A. Gölzhäuser
  
• Steering Attosecond Electron Wave Packets with Light; Science 297, 1144 (2002)
  R. Kienberger, M. Hentschel, M. Uiberacker, Ch. Spielmann, M. Kitzler, A. Scrinzi, M. Wieland, Th. Westerwalbesloh, U. Kleineberg, U. Heinzmann, M. Drescher, F. Krausz
  
• Time-resolved atomic inner-shell spectroscopy; Nature 419, 803 (2002)
  M. Drescher, M. Hentschel, R. Kienberger, M. Uiberacker, Th. Westerwalbesloh, U. Kleineberg, U. Heinzmann, F. Krausz
  
• Tailoring magnetic nanocrystal superlattices by chemical engineering; J. Appl. Phys. 93, 7328-7330 (2003)
  D. Sudfeld, K. Wojczykowski, W. Hachmann, P. Jutzi, G. Reiss und A. Hütten
  
• Atomic Transient Recorder; Nature 427, 817 (2004)
  R. Kienberger, E. Goulielmakis, M. Uiberacker, A. Baltuska, V. Yakovlev, F. Bammer, A. Scrinzi, T. Westerwalbelsoh, U. Kleineberg, U. Heinzmann; M. Drescher, F. Krausz
  
• Encapsulated Guest Molecules in Dimers of Octahydroxypyridine[4]arenes, J. Am. Chem.Soc. 126 (2004) 9669-9674
  M. C. Letzel, B. Decker, A. B. Rozhenko, W. W. Schoeller, J. Mattay
  
• Molecular recognition in a lattice model: An enumeration study; Phys. Rev. Lett. 93 (2004) 268108
  T. Bogner, A. Degenhard, F. Schmid
  
• Brownian motion: Absolute negative particle mobility; Nature 436 (2005) 928
  A. Ros, R. Eichhorn, J. Regtmeier, T.T. Duong, P. Reimann, D. Anselmetti
  
• Mapping of C-termini of V-ATPase subunits by in vivo-FRET measurements; FEBS Lett. 579 (2005) 4374-4382
  T. Seidel, D. Golldack, K.J. Dietz
  
• Single Molecule Experiments in Synthetic Biology - A New Approach for the Affinity Ranking of DNA- binding Peptides, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 44 (2005) 3921-3924
  R. Eckel, S. D. Wilking, A. Becker, N. Sewald, R. Ros, D. Anselmetti
  
• Supramolecular Chemistry at the Single Molecular Level; Angew. Chem. 117 (2005) 489-492, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 44 (2005) 484-488
  R. Eckel, R. Ros, B. Decker, J. Mattay, D. Anselmetti
  
• Coarse-Grained Lattice Model for Molecular Recognition; Phys. Rev. Lett. 97 (2006) 128101
  H. Behringer, A. Degenhard, F. Schmid
  
• The initial step of DNA hairpin folding: a kinetic analysis using fluorescence correlation spectroscopy; Nucleic Acids Res. 34 (2006) 2516-2527
  J. Kim, S. Doose, H. Neuweiler, M. Sauer
  
• Theoretical analysis of single-molecule force spectroscopy experiments: heterogeneity of chemical bonds; Biophys. J. 90 (2006) 3851-3864
  M. Raible, M. Evstigneev, F. W. Bartels, R. Eckel, M. Nguyen-Duong, R. Merkel, R. Ros, D. Anselmetti, P. Reimann
  
• A type III effector ADP-ribosylates RNA-binding proteins and quells plant innate immunity; Nature 447 (2007) 284-288
  Z.Q. Fu, M. Guo, B. Jeong, F. Tian, T. E. Elthon, R.L. Cerny, D. Staiger, J. R. Alfano
  
• Attosecond real-time observation of electron tunnelling in atoms; Nature 446 (2007) 627
  M. Uiberacker, Th. Uphues, M. Schultze, A. J. Verhoef, V. Yakovlev, M. F. Kling, J. Rauschenberger, N. M. Kabachnik, H. Schröder, M. Lezius, K. L. Kompa, H.-G. Muller, M. J. Vrakking, S. Hendel, U. Kleineberg, U. Heinzmann, M. Drescher, F. Krausz
  
• Attosecond spectroscopy in condensed matter; Nature 449 (2007) 1029
  A. L. Cavalieri, N. Müller, Th. Uphues, V.S. Yakovlev, A. Baltuska, B. Horvath, B. Schmidt, L. Blümel, R. Holzwarth, S. Hendel, M. Drescher, U. Kleineberg, P. M. Echenique, R. Kienberger, F. Krausz, U. Heinzmann
  
• Dielectrophoretic Manipulation of DNA: Separation and Polarizability; Analyt. Chem. 79 (2007) 3925-3932
  J. Regtmeier, T.T. Duong, R. Eichhorn, D. Anselmetti, A. Ros
  
• Methode zur Erhöhung der Photostabilität von Fluoreszenzfarbstoffen, DE 10 2007 030 403.1
  M. Sauer und Ph. Tinnefeld
  
• Photochemical Single-Molecule Affinity Switch; J. Am. Chem. Soc. 129 (2007) 1488-1489
  C. Schäfer, R. Eckel, R. Ros, J. Mattay, D. Anselmetti
  
• Probing polyproline structure and dynamics by photoinduced electron transfer provides evidence for deviations from a regular polyproline type II helix; Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104 (2007) 17400-1740
  S. Doose, H. Neuweiler, H. Barsch, M. Sauer
  
• Structure of symmetric and asymmetric ripple phases in lipid bilayers; Phys. Rev. Lett. 98 (2007) 058104
  O. Lenz und F. Schmid
  
• Changes of conformational dynamics of mRNA upon AtGRP7 binding studied by fluorescence correlation spectroscopy; J. Am. Chem. Soc. 130 (29) (2008) 9507-13
  M. Schüttpelz, J.C. Schöning, S. Doose, H. Neuweiler, E. Peters, D. Staiger, M. Sauer
  
• Fully cross-linked and chemically patterned self-assembled monolayers; PhysChemChemPhys 10 (2008) 7233-7238
  A. Beyer, A. Godt, I. Amin, C. T. Nottbohm, C. Schmidt, J. Zhao, A. Gölzhäuser
  
• Kraftmessung in Rücksteuerung an Optischer Pinzette, DE 10 2007 055 598.0; PCT/EP2008/009582
  A. Sischka und D. Anselmetti
  
• Pyrolytisches Graphen, DE 10 2007 041 820.7; PCT/EP2008/007203
  A. Turchanin und A. Gölzhäuser
  
• RNA-protein interaction in the circadian system; Methods Mol. Biol. 479 (2008) 337-351
  J. C. Schöning, D. Staiger
  
• Ice recrystallization kinetics in the presence of synthetic antifreeze glycoproteins using the framework of LSW theory; J. Phys. Chem. B, 113 (2009) 2865-2873
  C. Budke, C. Heggemann, M. Koch, N. Sewald, T. Koop
  
• Membrane-protein interactions in a generic coarse-grained model for lipid bilayers; Biophys. J. 96 (2009), 101
  B. West, F.L.H. Brown, F. Schmid
  
• Single Molecule Experiments to Elucidate the Minimal Requirement for DNA Recognition by Transcription Factor Epitopes; Small, 5 (2009) 484-495
  K. Wollschläger, K. Gaus, A. Körnig, R. Eckel, S.-D. Wilking, M. McIntosh, Z. Majer, A. Becker, R. Ros, D. Anselmetti, N. Sewald
  
• Synthesis of Monodisperse Oligo(1,4-phenyleneethynylene-alt-1,4-triptycyleneethynylene)s; J. Org. Chem. 74 (2009) 7733-7742
  D. Maag, M. Schulte, A. Godt;
  
• The retinal structure of channelrhodopsin-2 assessed by resonance Raman spectroscopy; FEBS Lett. 583 (2009) 3676
  M. Nack, I. Radu, C. Bamann, E. Bamberg, J. Heberle
  
• Tunneling magnetoresistance sensors for high resolutive particle detection; Appl. Phys. Lett. 95 (2009) 023101
  C. Albon, A. Weddemann, A. Auge, K. Rott, A. Hütten
  
• Exploiting Lattice Potentials for Sorting Chiral Particles; Phys. Rev. Lett. 105 (2010) 090602
  D. Speer, R. Eichhorn, and P. Reimann
  
• Single-Molecule Force Spectroscopy of Supramolecular Heterodimeric Capsules; Phys. Chem. Chem. Phys. 12 (2010) 10981-10987
  T. Schröder, Th. Geisler, B. Schnatwinkel, D. Anselmetti, J. Mattay
  
• Nanopore Translocation Dynamics of a Single DNA-Bound Protein; Nano Lett. 11 (2011) 2978
  A. Spiering, S. Getfert, A. Sischka, P. Reimann, and D. Anselmetti
  
• Photodissociation of methyl iodide embedded in a host-guest complex: A full dimensional (189D) quantum dynamics study of CH3I@resorc[4]arene; J. Chem. Phys. 135 (2011), 184102
  T. Westermann, R. Brodbeck, A. B. Rozhenko, W. Schoeller, and U. Manthe
  
• Photoinduced reconfiguration cycle in a molecular adsorbate layer studied by femtosecond inner-shell photoelectron spectroscopy; Phys. Rev. Lett. 106 (2011) (107401)
  H. Dachraoui, M. Michelswirth, P. Siffalovic, P. Bartz, C. Schäfer, B. Schnatwinkel, J. Mattay, W. Pfeiffer, M. Drescher, U. Heinzmann
  
• Reversible photoswitchable DRONPA-s monitors nucleocytoplasmic transport of an RNA-binding protein in transgenic plants; Traffic 12 (2011) 693-702
  M. Lummer, F. Humpert, C. Steuwe, K. Caesar, M. Schüttpelz, M. Sauer, D. Staiger
  
• Synthesis and characterization of natural and modified antifreeze glycopeptides: glycosylated foldamers; Amino Acids 41 (2011) 719-732
  L. Nagel, C. Plattner, C. Budke, Z. Majer, A. L. DeVries, T. Berkemeier, T. Koop, N. Sewald
  
• The Cellular Energization State Affects Peripheal Stalk Stability of Plant Vacuolar H+-ATPase and Impairs Vacuolar Acidification; Plant Cell Physiol. 52 (2011) 946-956
  D. Schnitzer, T. Seidel, T. Sander, D. Golldack, K.J. Dietz
  
• Chiral Particle Separation by a Nonchiral Microlattice; Phys. Rev. Lett. 109, 100603, 2012
  L. Bogunovic, M. Fliedner, R. Eichhorn, S. Wegener, J. Regtmeier, D. Anselmetti, and P. Reimann
  
• Influence of Sequential Modifications and Carbohydrate Variations in Synthetic AFGP Analogues on Conformation and Antifreeze Activity; Chem. Eur. J. 18 (2012) 12783-12793
  L. Nagel, C. Budke, R.S. Erdmann, A. Dreyer, H. Wennemers, T. Koop, N. Sewald
  
• Particle Sorting by a Structured Microfluidic Ratchet Device With Tunable Selectivity: Theory and Experiment; Soft Matter 8 (2012) 3900-3907
  M. Viefhues, R. Eichhorn, J. Regtmeier, D. Anselmetti, P. Reimann