TY - JOUR A1 - Heck, Christian A1 - Kanehira, Yuya A1 - Kneipp, Janina A1 - Bald, Ilko T1 - Amorphous Carbon Generation as a Photocatalytic Reaction on DNA-Assembled Gold and Silver Nanostructures JF - Molecules N2 - Background signals from in situ-formed amorphous carbon, despite not being fully understood, are known to be a common issue in few-molecule surface-enhanced Raman scattering (SERS). Here, discrete gold and silver nanoparticle aggregates assembled by DNA origami were used to study the conditions for the formation of amorphous carbon during SERS measurements. Gold and silver dimers were exposed to laser light of varied power densities and wavelengths. Amorphous carbon prevalently formed on silver aggregates and at high power densities. Time-resolved measurements enabled us to follow the formation of amorphous carbon. Silver nanolenses consisting of three differently-sized silver nanoparticles were used to follow the generation of amorphous carbon at the single-nanostructure level. This allowed observation of the many sharp peaks that constitute the broad amorphous carbon signal found in ensemble measurements. In conclusion, we highlight strategies to prevent amorphous carbon formation, especially for DNA-assembled SERS substrates. KW - amorphous carbon KW - DNA origami KW - SERS KW - nanoparticle dimers KW - nanolenses Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.3390/molecules24122324 SN - 1420-3049 VL - 24 IS - 12 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - GEN A1 - Heck, Christian A1 - Kanehira, Yuya A1 - Kneipp, Janina A1 - Bald, Ilko T1 - Amorphous Carbon Generation as a Photocatalytic Reaction on DNA-Assembled Gold and Silver Nanostructures T2 - Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Background signals from in situ-formed amorphous carbon, despite not being fully understood, are known to be a common issue in few-molecule surface-enhanced Raman scattering (SERS). Here, discrete gold and silver nanoparticle aggregates assembled by DNA origami were used to study the conditions for the formation of amorphous carbon during SERS measurements. Gold and silver dimers were exposed to laser light of varied power densities and wavelengths. Amorphous carbon prevalently formed on silver aggregates and at high power densities. Time-resolved measurements enabled us to follow the formation of amorphous carbon. Silver nanolenses consisting of three differently-sized silver nanoparticles were used to follow the generation of amorphous carbon at the single-nanostructure level. This allowed observation of the many sharp peaks that constitute the broad amorphous carbon signal found in ensemble measurements. In conclusion, we highlight strategies to prevent amorphous carbon formation, especially for DNA-assembled SERS substrates. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 732 KW - amorphous carbon KW - DNA origami KW - SERS KW - nanoparticle dimers KW - nanolenses Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-430812 SN - 1866-8372 IS - 732 ER - TY - THES A1 - Mostafa, Amr T1 - DNA origami nanoforks: A platform for cytochrome c single molecule surface enhanced Raman spectroscopy N2 - This thesis presents a comprehensive exploration of the application of DNA origami nanofork antennas (DONAs) in the field of spectroscopy, with a particular focus on the structural analysis of Cytochrome C (CytC) at the single-molecule level. The research encapsulates the design, optimization, and application of DONAs in enhancing the sensitivity and specificity of Raman spectroscopy, thereby offering new insights into protein structures and interactions. The initial phase of the study involved the meticulous optimization of DNA origami structures. This process was pivotal in developing nanoscale tools that could significantly enhance the capabilities of Raman spectroscopy. The optimized DNA origami nanoforks, in both dimer and aggregate forms, demonstrated an enhanced ability to detect and analyze molecular vibrations, contributing to a more nuanced understanding of protein dynamics. A key aspect of this research was the comparative analysis between the dimer and aggregate forms of DONAs. This comparison revealed that while both configurations effectively identified oxidation and spin states of CytC, the aggregate form offered a broader range of detectable molecular states due to its prolonged signal emission and increased number of molecules. This extended duration of signal emission in the aggregates was attributed to the collective hotspot area, enhancing overall signal stability and sensitivity. Furthermore, the study delved into the analysis of the Amide III band using the DONA system. Observations included a transient shift in the Amide III band's frequency, suggesting dynamic alterations in the secondary structure of CytC. These shifts, indicative of transitions between different protein structures, were crucial in understanding the protein’s functional mechanisms and interactions. The research presented in this thesis not only contributes significantly to the field of spectroscopy but also illustrates the potential of interdisciplinary approaches in biosensing. The use of DNA origami-based systems in spectroscopy has opened new avenues for research, offering a detailed and comprehensive understanding of protein structures and interactions. The insights gained from this research are expected to have lasting implications in scientific fields ranging from drug development to the study of complex biochemical pathways. This thesis thus stands as a testament to the power of integrating nanotechnology, biochemistry, and spectroscopic techniques in addressing complex scientific questions. N2 - Diese Dissertation präsentiert eine umfassende Untersuchung der Anwendung von DNA-Origami-Nanogabelantennen (DONAs) im Bereich der Spektroskopie, mit einem besonderen Fokus auf der strukturellen Analyse von Cytochrom C (CytC) auf Einzelmolekülebene. Die Forschung umfasst das Design, die Optimierung und die Anwendung von DONAs zur Steigerung der Sensitivität und Spezifität der Raman-Spektroskopie und bietet somit neue Einblicke in Proteinstrukturen und -interaktionen. Die erste Phase der Studie beinhaltete die sorgfältige Optimierung von DNA-Origami-Strukturen. Dieser Prozess war entscheidend für die Entwicklung von Nanowerkzeugen, die die Fähigkeiten der Raman-Spektroskopie erheblich verbessern könnten. Die optimierten DNA-Origami-Nanogabeln, sowohl in Dimer- als auch in Aggregatform, zeigten eine verbesserte Fähigkeit, molekulare Schwingungen zu detektieren und zu analysieren, was zu einem nuancierteren Verständnis der Proteindynamik beitrug. Ein Schlüsselaspekt dieser Forschung war die vergleichende Analyse zwischen den Dimer- und Aggregatformen von DONAs. Dieser Vergleich zeigte, dass beide Konfigurationen effektiv Oxidations- und Spin-Zustände von CytC identifizieren konnten, wobei die Aggregatform aufgrund ihrer längeren Signalemission und der erhöhten Anzahl von Molekülen ein breiteres Spektrum an detektierbaren molekularen Zuständen bot. Die verlängerte Dauer der Signalemission in den Aggregaten wurde auf den kollektiven Hotspot-Bereich zurückgeführt, der die Gesamtsignalstabilität und -empfindlichkeit erhöhte. Darüber hinaus ging die Studie auf die Analyse der Amid-III-Bande unter Verwendung des DONA-Systems ein. Zu den Beobachtungen gehörte eine vorübergehende Verschiebung der Frequenz der Amid-III-Bande, was auf dynamische Veränderungen in der Sekundärstruktur von CytC hindeutete. Diese Verschiebungen, die auf Übergänge zwischen verschiedenen Proteinstrukturen hindeuteten, waren entscheidend für das Verständnis der funktionellen Mechanismen und Interaktionen des Proteins. Die in dieser Dissertation präsentierte Forschung leistet nicht nur einen bedeutenden Beitrag zum Gebiet der Spektroskopie, sondern veranschaulicht auch das Potenzial interdisziplinärer Ansätze in der Biosensorik. Der Einsatz von DNA-Origami-basierten Systemen in der Spektroskopie hat neue Wege für die Forschung eröffnet und bietet ein detailliertes und umfassendes Verständnis von Proteinstrukturen und -interaktionen. Die aus dieser Forschung gewonnenen Erkenntnisse werden voraussichtlich langfristige Auswirkungen auf wissenschaftliche Bereiche haben, die von der Arzneimittelentwicklung bis hin zur Untersuchung komplexer biochemischer Prozesse reichen. Diese Dissertation steht somit als Zeugnis für die Kraft der Integration von Nanotechnologie, Biochemie und spektroskopischen Techniken bei der Beantwortung komplexer wissenschaftlicher Fragen. KW - DNA origami KW - DNA origami nanoantennas (DONA) KW - SERS KW - Cytochrome C Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-635482 ER - TY - THES A1 - Choi, Youngeun T1 - DNA origami structures as versatile platforms for nanophotonics T1 - DNA Origami Struktruen als Vielseitige Plattform für Nanophotonik N2 - Nanophotonics is the field of science and engineering aimed at studying the light-matter interactions on the nanoscale. One of the key aspects in studying such optics at the nanoscale is the ability to assemble the material components in a spatially controlled manner. In this work, DNA origami nanostructures were used to self-assemble dye molecules and DNA coated plasmonic nanoparticles. Optical properties of dye nanoarrays, where the dyes were arranged at distances where they can interact by Förster resonance energy transfer (FRET), were systematically studied according to the size and arrangement of the dyes using fluorescein (FAM) as the donor and cyanine 3 (Cy 3) as the acceptor. The optimized design, based on steady-state and time-resolved fluorometry, was utilized in developing a ratiometric pH sensor with pH-inert coumarin 343 (C343) as the donor and pH-sensitive FAM as the acceptor. This design was further applied in developing a ratiometric toxin sensor, where the donor C343 is unresponsive and FAM is responsive to thioacetamide (TAA) which is a well-known hepatotoxin. The results indicate that the sensitivity of the ratiometric sensor can be improved by simply arranging the dyes into a well-defined array. The ability to assemble multiple fluorophores without dye-dye aggregation also provides a strategy to amplify the signal measured from a fluorescent reporter, and was utilized here to develop a reporter for sensing oligonucleotides. By incorporating target capturing sequences and multiple fluorophores (ATTO 647N dye molecules), a reporter for microbead-based assay for non-amplified target oligonucleotide sensing was developed. Analysis of the assay using VideoScan, a fluorescence microscope-based technology capable of conducting multiplex analysis, showed the DNA origami nanostructure based reporter to have a lower limit of detection than a single stranded DNA reporter. Lastly, plasmonic nanostructures were assembled on DNA origami nanostructures as substrates to study interesting optical behaviors of molecules in the near-field. Specifically, DNA coated gold nanoparticles, silver nanoparticles, and gold nanorods, were placed on the DNA origami nanostructure aiming to study surface-enhanced fluorescence (SEF) and surface-enhanced Raman scattering (SERS) of molecules placed in the hotspot of coupled plasmonic structures. N2 - Nanophotonik bezeichnet die Untersuchung von Licht in Wechselwirkung mit Materie im Nanometermaßstab. Die exakte Kontrolle über den Aufbau und die räumliche Anordnung der beteiligten Komponenten ist ein entscheidender Faktor für die Erforschung der Optik nanoskalierter Systeme. Eine mögliche Lösung bietet die selbstorganisatorische Eigenschaft von DNA-Origami-Nanostrukturen, die im Rahmen dieser Dissertation, insbesondere zur Kopplung verschiedener Farbstoffe bzw. plasmonisch aktiver Nanopartikel, verwendet wurden. Im ersten Teil dieser Dissertation wurden unterschiedliche Förster-Resonanzenergietransfer- (FRET) Farbstoff-Matrizen, bestehend aus Fluorescein (FAM) als FRET-Donor und Cyanine 3 (Cy 3) als FRET-Akzeptor, hergestellt und nachfolgend hinsichtlich des Einflusses ihrer Gesamtgröße und ihrer Anordnung via statischer und zeitaufgelöster Fluoreszenzspektroskopie untersucht. Daraufhin erfolgte die Weiterentwicklung der ermittelten optimalen Anordnung der Farbstoffe in einen ratiometrischen pH-Sensor, bestehend aus dem pH stabilen Coumarin 343 (C343) als FRET-Donor und dem pH sensitiven FAM als FRET-Akzeptor. Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass sich die Sensitivität ratiometrischer Sensoren, insbesondere durch die wohldefinierte Anordnung der beteiligten Farbstoffe in der Matrize, deutlich steigern lassen. Selbige Anordnung konnte auch erfolgreich zur Entwicklung eines Giftstoffsensors, zum Nachweis des Hepatoxins Thioacetamid (TAA), verwendet werden. Die Möglichkeit der Anordnung mehrerer Farbstoffe, unter Vermeidung ungewollter Farbstoff-Aggregation, ermöglicht außerdem die Verstärkung der Signale sogenannter Fluoreszenzreporter. Dies führte, im Rahmen dieser Arbeit, zur erfolgreichen Entwicklung eines auf Mikroperlen basierenden Oligonukleotid-Sensors, welcher ohne die Notwendigkeit einer vorherigen Zielverstärkung (z.B. durch Polymerase-Kettenreaktion) auskommt. Die anschließende Analyse mittels VideoScan, einer Multiplex-Analyse-Technik basierend auf der Fluoreszenzmikroskopie, ergab deutlich niedrigere Nachweisgrenzen für auf DNA-Origami basierende Reporter im Vergleich zu DNA-Einzelstrang basierenden Reportern. Abschließend erfolgte die Verwendung der DNA-Origamis als Substrat für die präzise räumliche Anordnung verschiedener plasmonisch aktiver Nanopartikel zur Untersuchung des optischen Verhaltens von Zielmolekülen im plasmonischen Nahfeld. Die Untersuchung der oberflächenverstärkten Fluoreszenz (SEF) und oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS) von Molekülen im plasmonischer Hotspots erfolgte insbesondere mit Fokus auf den Einfluss der unterschiedlichen Anordnung von Gold-Nanostäbchen, Gold-Nanopartikel, und Silber-Nanopartikel. KW - DNA origami KW - Förster resonance energy transfer KW - plasmonics KW - DNA Origami KW - Förster-Resonanzenergietransfer KW - Plasmonik Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421483 ER - TY - THES A1 - Prinz, Julia T1 - DNA origami substrates as a versatile tool for surface-enhanced Raman scattering (SERS) T1 - DNA Origami-Substrate als ein vielseitiges Werkzeug für die oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS) N2 - Surface-enhanced Raman scattering (SERS) is a promising tool to obtain rich chemical information about analytes at trace levels. However, in order to perform selective experiments on individual molecules, two fundamental requirements have to be fulfilled. On the one hand, areas with high local field enhancement, so-called “hot spots”, have to be created by positioning the supporting metal surfaces in close proximity to each other. In most cases hot spots are formed in the gap between adjacent metal nanoparticles (NPs). On the other hand, the analyte has to be positioned directly in the hot spot in order to profit from the highest signal amplification. The use of DNA origami substrates provides both, the arrangement of AuNPs with nm precision as well as the ability to bind analyte molecules at predefined positions. Consequently, the present cumulative doctoral thesis aims at the development of a novel SERS substrate based on a DNA origami template. To this end, two DNA-functionalized gold nanoparticles (AuNPs) are attached to one DNA origami substrate resulting in the formation of a AuNP dimer and thus in a hot spot within the corresponding gap. The obtained structures are characterized by correlated atomic force microscopy (AFM) and SERS imaging which allows for the combination of structural and chemical information. Initially, the proof-of principle is presented which demonstrates the potential of the novel approach. It is shown that the Raman signal of 15 nm AuNPs coated with dye-modified DNA (dye: carboxytetramethylrhodamine (TAMRA)) is significantly higher for AuNP dimers arranged on a DNA origami platform in comparison to single AuNPs. Furthermore, by attaching single TAMRA molecules in the hot spot between two 5 nm AuNPs and optimizing the size of the AuNPs by electroless gold deposition, SERS experiments at the few-molecule level are presented. The initially used DNA origami-AuNPs design is further optimized in many respects. On the one hand, larger AuNPs up to a diameter of 60 nm are used which are additionally treated with a silver enhancement solution to obtain Au-Ag-core-shell NPs. On the other hand, the arrangement of both AuNPs is altered to improve the position of the dye molecule within the hot spot as well as to decrease the gap size between the two particles. With the optimized design the detection of single dye molecules (TAMRA and cyanine 3 (Cy3)) by means of SERS is demonstrated. Quantitatively, enhancement factors up to 10^10 are estimated which is sufficiently high to detect single dye molecules. In the second part, the influence of graphene as an additional component of the SERS substrate is investigated. Graphene is a two-dimensional material with an outstanding combination of electronical, mechanical and optical properties. Here, it is demonstrated that single layer graphene (SLG) replicates the shape of underlying non-modified DNA origami substrates very well, which enables the monitoring of structural alterations by AFM imaging. In this way, it is shown that graphene encapsulation significantly increases the structural stability of bare DNA origami substrates towards mechanical force and prolonged exposure to deionized water. Furthermore, SLG is used to cover DNA origami substrates which are functionalized with a 40 nm AuNP dimer. In this way, a novel kind of hybrid material is created which exhibits several advantages compared to the analogue non-covered SERS substrates. First, the fluorescence background of dye molecules that are located in between the AuNP surface and SLG is efficiently reduced. Second, the photobleaching rate of the incorporated dye molecules is decreased up to one order of magnitude. Third, due to the increased photostability of the investigated dye molecules, the performance of polarization-dependent series measurements on individual structures is enabled. This in turn reveals extensive information about the dye molecules in the hot spot as well as about the strain induced within the graphene lattice. Although SLG can significantly influence the SERS substrate in the aforementioned ways, all those effects are strongly related to the extent of contact with the underlying AuNP dimer. N2 - Desoxyribonukleinsäure (engl. deoxyribonucleic acid (DNA)) ist nicht nur Träger der Erbinformation, sondern wird auch seit den frühen 80er Jahren als Gerüstmaterial in der Nanotechnologie verwendet. Im Jahr 2006 wurde die bis dato entwickelte DNA-Nanotechnologie durch die Erfindung der sogenannten DNA Origami-Technik weiter revolutioniert. Diese erlaubt die Konstruktion vielfältiger zwei- und dreidimensionaler Strukturen durch gezielte DNA-Selbstassemblierung. Basierend auf der grundlegenden Watson-Crick Basenpaarung innerhalb eines DNA-Doppelstrangs können die gewünschten Zielstrukturen dabei mit hoher Genauigkeit vorhergesagt werden. Neben der Entwicklung vielfältiger DNA-Konstrukte eignen sich DNA Origami-Substrate zudem hervorragend zur Bindung funktionaler Einheiten mit der Präzision im Bereich von Nanometern. Somit lassen sich beispielsweise Goldnanopartikel (AuNPs) präzise anordnen. Dies ist von höchstem Interesse im Zusammenhang mit der oberflächenverstärkten Ramanstreuung (engl. surface-enhanced Raman scattering (SERS)). SERS basiert darauf, die naturgemäß schwache Ramanstreuung eines Analyten um mehrere Größenordnungen zu verstärken, indem der Analyt nahe einer Metalloberfläche positioniert wird. Die Verstärkung der Ramanstreuung beruht hierbei hauptsächlich auf der Wechselwirkung des Analyten mit dem elektromagnetischen Feld der Metalloberfläche und kann im Zwischenraum zweier benachbarter Metallstrukturen besonders stark ausgeprägt sein. Die vorliegende kumulative Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung einer DNA Origami-basierten Sensoroberfläche für die Anwendung von SERS-Experimenten. Hierbei werden jeweils zwei AuNPs in gezieltem Abstand an ein DNA Origami-Substrat gebunden und das verstärkte Ramansignal eines Analyten im Zwischenraum des AuNP-Dimers detektiert. Zunächst wird das allgemeine Prinzip in Form eines Wirksamkeitsnachweises vorgestellt, in welchem der Farbstoff Carboxytetramethylrhodamin (TAMRA) als Analyt verwendet wird. Die darauf aufbauenden Experimente zielen auf eine Verringerung der Nachweisgrenze bis hin zur Einzelmoleküldetektion ab. Im Zuge dessen werden vielseitige Optimierungsschritte durchgeführt, die die Größe, die Anordnung sowie die Ummantelung der AuNPs mit einer dünnen Silberschicht betreffen. Es wird gezeigt, dass durch die Optimierung aller Parameter die Detektion einzelner TAMRA- und Cyanin 3 (Cy3)-Moleküle mittels SERS möglich ist. Weiterhin wird Graphen, ein erst im Jahr 2004 entdecktes Material bestehend aus einer einzigen Schicht Kohlenstoffatome, als weiterer Bestandteil der untersuchten Nanostrukturen eingeführt. Graphen zeichnet sich durch eine bislang einzigartige Kombination aus optischen, elektronischen und mechanischen Eigenschaften aus und hat sich daher innerhalb kürzester Zeit zu einem vielfältigen Forschungsschwerpunkt entwickelt. In der vorliegenden Dissertation wird zunächst die erhöhte strukturelle Stabilität von Graphen bedeckten DNA Origami-Substraten im Hinblick auf mechanische Beanspruchung sowie auf die Inkubation in deionisiertem Wasser demonstriert. In weiterführenden Betrachtungen werden auch DNA Origami-Substrate, die mit AuNP-Dimeren funktionalisiert sind, mit Graphen bedeckt, und somit eine neuartige Hybridstruktur erzeugt. Es wird gezeigt, dass Graphen den Fluoreszenzuntergrund der untersuchten Farbstoffmoleküle deutlich reduziert und zusätzlich deren Photostabilität gegenüber der eintreffenden Laserstrahlung effektiv verbessert. KW - DNA origami KW - surface-enhanced Raman scattering KW - DNA nanostructures KW - graphene KW - single-molecule detection KW - DNA Origami KW - oberflächenverstärkte Raman-Streuung KW - DNA Nanostrukturen KW - Graphen KW - Einzelmoleküldetektion Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-104089 ER - TY - JOUR A1 - Choi, Youngeun A1 - Kotthoff, Lisa A1 - Olejko, Lydia A1 - Resch-Genger, Ute A1 - Bald, Ilko T1 - DNA origami-based forster resonance energy-transfer Nanoarrays and their application as ratiometric sensors JF - ACS applied materials & interfaces N2 - DNA origami nanostructures provide a platform where dye molecules can be arranged with nanoscale accuracy allowing to assemble multiple fluorophores without dye-dye aggregation. Aiming to develop a bright and sensitive ratiometric sensor system, we systematically studied the optical properties of nanoarrays of dyes built on DNA origami platforms using a DNA template that provides a high versatility of label choice at minimum cost. The dyes are arranged at distances, at which they efficiently interact by Forster resonance energy transfer (FRET). To optimize array brightness, the FRET efficiencies between the donor fluorescein (FAM) and the acceptor cyanine 3 were determined for different sizes of the array and for different arrangements of the dye molecules within the array. By utilizing nanoarrays providing optimum FRET efficiency and brightness, we subsequently designed a ratiometric pH nanosensor using coumarin 343 as a pH-inert FRET donor and FAM as a pH responsive acceptor. Our results indicate that the sensitivity of a ratiometric sensor can be improved simply by arranging the dyes into a well-defined array. The dyes used here can be easily replaced by other analyte-responsive dyes, demonstrating the huge potential of DNA nanotechnology for light harvesting, signal enhancement, and sensing schemes in life sciences. KW - DNA origami KW - nanoarray KW - FRET KW - ratiometric sensing KW - pH sensing Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1021/acsami.8b03585 SN - 1944-8244 SN - 1944-8252 VL - 10 IS - 27 SP - 23295 EP - 23302 PB - American Chemical Society CY - Washington ER - TY - JOUR A1 - Kielar, Charlotte A1 - Xin, Yang A1 - Xu, Xiaodan A1 - Zhu, Siqi A1 - Gorin, Nelli A1 - Grundmeier, Guido A1 - Möser, Christin A1 - Smith, David M. A1 - Keller, Adrian T1 - Effect of staple age on DNA origami nanostructure assembly and stability JF - Molecules N2 - DNA origami nanostructures are widely employed in various areas of fundamental and applied research. Due to the tremendous success of the DNA origami technique in the academic field, considerable efforts currently aim at the translation of this technology from a laboratory setting to real-world applications, such as nanoelectronics, drug delivery, and biosensing. While many of these real-world applications rely on an intact DNA origami shape, they often also subject the DNA origami nanostructures to rather harsh and potentially damaging environmental and processing conditions. Furthermore, in the context of DNA origami mass production, the long-term storage of DNA origami nanostructures or their pre-assembled components also becomes an issue of high relevance, especially regarding the possible negative effects on DNA origami structural integrity. Thus, we investigated the effect of staple age on the self-assembly and stability of DNA origami nanostructures using atomic force microscopy. Different harsh processing conditions were simulated by applying different sample preparation protocols. Our results show that staple solutions may be stored at -20 degrees C for several years without impeding DNA origami self-assembly. Depending on DNA origami shape and superstructure, however, staple age may have negative effects on DNA origami stability under harsh treatment conditions. Mass spectrometry analysis of the aged staple mixtures revealed no signs of staple fragmentation. We, therefore, attribute the increased DNA origami sensitivity toward environmental conditions to an accumulation of damaged nucleobases, which undergo weaker base-pairing interactions and thus lead to reduced duplex stability. KW - DNA origami KW - atomic force microscopy KW - stability KW - storage Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.3390/molecules24142577 SN - 1420-3049 VL - 24 IS - 14 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - THES A1 - Olejko, Lydia T1 - Förster resonance energy transfer (FRET)-based nanophotonics using DNA origami structures T1 - Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) basierende Nanophotonik auf DNA Origami Strukturen N2 - The field of nanophotonics focuses on the interaction between electromagnetic radiation and matter on the nanometer scale. The elements of nanoscale photonic devices can transfer excitation energy non-radiatively from an excited donor molecule to an acceptor molecule by Förster resonance energy transfer (FRET). The efficiency of this energy transfer is highly dependent on the donor-acceptor distance. Hence, in these nanoscale photonic devices it is of high importance to have a good control over the spatial assembly of used fluorophores. Based on molecular self-assembly processes, various nanostructures can be produced. Here, DNA nanotechnology and especially the DNA origami technique are auspicious self-assembling methods. By using DNA origami nanostructures different fluorophores can be introduced with a high local control to create a variety of nanoscale photonic objects. The applications of such nanostructures range from photonic wires and logic gates for molecular computing to artificial light harvesting systems for artificial photosynthesis. In the present cumulative doctoral thesis, different FRET systems on DNA origami structures have been designed and thoroughly analyzed. Firstly, the formation of guanine (G) quadruplex structures from G rich DNA sequences has been studied based on a two-color FRET system (Fluorescein (FAM)/Cyanine3 (Cy3)). Here, the influences of different cations (Na+ and K+), of the DNA origami structure and of the DNA sequence on the G-quadruplex formation have been analyzed. In this study, an ion-selective K+ sensing scheme based on the G-quadruplex formation on DNA origami structures has been developed. Subsequently, the reversibility of the G-quadruplex formation on DNA origami structures has been evaluated. This has been done for the simple two-color FRET system which has then been advanced to a switchable photonic wire by introducing additional fluorophores (FAM/Cy3/Cyanine5 (Cy5)/IRDye®700). In the last part, the emission intensity of the acceptor molecule (Cy5) in a three-color FRET cascade has been tuned by arranging multiple donor (FAM) and transmitter (Cy3) molecules around the central acceptor molecule. In such artificial light harvesting systems, the excitation energy is absorbed by several donor and transmitter molecules followed by an energy transfer to the acceptor leading to a brighter Cy5 emission. Furthermore, the range of possible excitation wavelengths is extended by using several different fluorophores (FAM/Cy3/Cy5). In this part of the thesis, the light harvesting efficiency (antenna effect) and the FRET efficiency of different donor/transmitter/acceptor assemblies have been analyzed and the artificial light harvesting complex has been optimized in this respect. N2 - Nanotechnologie hat in den letzten Jahrzehnten durch die Herstellung von Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften für Anwendungen im Bereich der Medizin und Materialwissenschaften immer mehr an Popularität gewonnen. Die Herstellungsmethoden von Nanostrukturen sind weit gefächert. Auch Desoxyribonukleinsäure (DNS bzw. engl. DNA, deoxyribonucleic acid) kann für die Herstellung von Strukturen im Nanometerbereich genutzt werden. Diese sogenannte DNA-Nanotechnologie wurde in den frühen 1980er Jahren von Nadrian C. Seeman begründet. Ungefähr 30 Jahre später wurde eine neue Methodik für die Herstellung von DNA-Nanostrukturen von Paul W. K. Rothemund entwickelt, die er „scaffold DNA origami“ (Gerüst-DNA-Origami) nannte. DNA-Origami-Nanostrukturen können relativ einfach hergestellt werden und eignen sich perfekt für die Anordnung unterschiedlicher Moleküle (zum Beispiel Fluorophore) mit hoher räumlicher Kontrolle und Präzision. Daher können sie als Substrate genutzt werden, um verschiedene Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) Systeme zu entwerfen und zu untersuchen. FRET ist ein strahlungsloser Energietransfer, bei dem die Anregungsenergie von einem Donor- auf ein Akzeptor-Molekül übertragen wird. In dieser kumulativen Doktorarbeit wurden verschiedene FRET-Systeme auf DNA-Origami-Nanostrukturen entwickelt und mithilfe der Fluoreszenzspektroskopie untersucht. Hierbei wurde zuerst die durch einwertige Kationen (Kalium oder Natrium) induzierte Guanin-Quadruplex-Faltung von freier Telomer-DNA und Telomer-DNA auf DNA-Origami-Strukturen mittels FRET analysiert. Diese Untersuchungen haben gezeigt, dass die freie umgedrehte menschliche Telomer-Sequenz (RevHumTel, 5'-(GGG ATT)4) generell sensitiver auf K+ als auf Na+ reagiert. Durch die Immobilisierung der Telomer-DNA auf DNA-Origami-Strukturen kann eine vollständige Selektivität für K+ erreicht werden. Interessanterweise wird die Ionenselektivität aufgehoben, wenn die menschliche Telomer-Sequenz (HumTel, 5'-(TTA GGG)4) verwendet wird. Basierend auf der G-Quadruplex-Faltung konnten schaltbare FRET-Systeme entwickelt werden, da sich die G-Quadruplexe wieder entfalten, wenn die Kationen mithilfe von zum Beispiel Kryptanden entfernt werden. In den hier untersuchten FRET-Systemen konnte zwischen hoher FRET-Effizienz (gefalteter G-Quadruplex) und niedriger FRET-Effizienz (entfalteter DNA Einzelstrang) durch Zugabe KCl bzw. cryptand gewechselt werden. Da sich DNA-Origami-Strukturen recht einfach modifizieren lassen, wurde das ursprüngliche zwei-Farben-FRET-System durch Hinzufügen eines weiteren etwas rotverschobenen Farbstoffes erweitert (drei-Farben-FRET-Kaskade). Schließlich konnte ein schaltbarer photonischer Draht durch Einfügen eines vierten Farbstoffes entwickelt werden. Die Emissionsintensität des finalen Akzeptors ist in einer einfachen drei-Farben-FRET-Kaskade (ein Donor, ein Transmitter und ein Akzeptor) verhältnismäßig gering und kann durch das Anordnen von mehreren Donor- und Transmitter-Molekülen um ein zentrales Akzeptor-Molekül herum stark erhöht werden. In diesen sogenannten künstlichen Lichtsammelkomplexen absorbieren die Donor-Moleküle das Anregungslicht und übertragen dieses über mehrere FRET-Stufen zum Akzeptor-Molekül. Dadurch wird der Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung, welcher vom Akzeptor absorbiert werden kann, vergrößert und die Emissionsintensität des Akzeptors verstärkt. In diesem Teil der Arbeit wurde die Anzahl der Farbstoffe und die Anordnung dieser unterschiedlichen Farbstoffe variiert und die Lichtsammeleffizienz und FRET-Effizienz bestimmt. Hierbei wurden diese Parameter optimiert und aufgrund der gefundenen Ergebnisse konnten Design-Regeln für solche künstlichen Lichtsammelkomplexe aufgestellt werden. KW - DNA origami KW - FRET KW - Förster resonance energy transfer KW - DNA Origami KW - FRET KW - Förster-Resonanzenergietransfer Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-396747 ER - TY - THES A1 - Heck, Christian T1 - Gold and silver nanolenses self-assembled by DNA origami T1 - Gold- und Silbernanolinsen, selbstassembliert durch DNA-Origami N2 - Nanolenses are linear chains of differently-sized metal nanoparticles, which can theoretically provide extremely high field enhancements. The complex structure renders their synthesis challenging and has hampered closer analyses so far. Here, the technique of DNA origami was used to self-assemble DNA-coated 10 nm, 20 nm, and 60 nm gold or silver nanoparticles into gold or silver nanolenses. Three different geometrical arrangements of gold nanolenses were assembled, and for each of the three, sets of single gold nanolenses were investigated in detail by atomic force microscopy, scanning electron microscopy, dark-field scattering and Raman spectroscopy. The surface-enhanced Raman scattering (SERS) capabilities of the single nanolenses were assessed by labelling the 10 nm gold nanoparticle selectively with dye molecules. The experimental data was complemented by finite-difference time-domain simulations. For those gold nanolenses which showed the strongest field enhancement, SERS signals from the two different internal gaps were compared by selectively placing probe dyes on the 20 nm or 60 nm gold particles. The highest enhancement was found for the gap between the 20 nm and 10 nm nanoparticle, which is indicative of a cascaded field enhancement. The protein streptavidin was labelled with alkyne groups and served as a biological model analyte, bound between the 20 nm and 10 nm particle of silver nanolenses. Thereby, a SERS signal from a single streptavidin could be detected. Background peaks observed in SERS measurements on single silver nanolenses could be attributed to amorphous carbon. It was shown that the amorphous carbon is generated in situ. N2 - Nanolinsen sind Strukturen aus linear angeordneten, unterschiedlich großen metallischen Nanopartikeln. Elektromagnetische Felder können durch sie theoretisch extrem verstärkt werden, aufgrund ihres komplexen Aufbaus sind sie bislang aber wenig erforscht. Im Rahmen dieser Dissertation wurden Nanolinsen mit Hilfe der DNA-Origami-Technik aus DNA-beschichteten 10 nm-, 20 nm- und 60 nm-Gold- oder Silbernanopartikeln hergestellt. Für Goldnanolinsen sind die Partikel dabei in drei unterschiedlichen Geometrien angeordnet worden. Einzelne Goldnanolinsen wurden mittels Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Dunkelfeld- und Ramanspektroskopie untersucht. Um die Raman-Verstärkung quantifizieren zu können, trugen dabei jeweils die 10 nm-Goldpartikel Farbstoffmoleküle in ihrer Beschichtung. Die Interpretation der Messdaten wurde durch numerische Simulationen unterstützt. Nanolinsen zeichnen sich durch eine stufenweise Feldverstärkung aus. Dieser Effekt konnte experimentell bestätigt werden, indem selektiv die 20 nm- oder 60 nm-Partikel von Goldnanolinsen mit Farbstoffen markiert und die resultierenden Raman-Signale verglichen wurden. Ein mit Alkingruppen markiertes Protein ist ortsselektiv in Silbernanolinsen integriert worden. Es war möglich, das für das Alkin charakteristische oberflächenverstärkte Raman-Signal im Spektrum einer einzelnen Nanolinse und damit eines einzelnen Proteins zu beobachten. Bei den Messungen mit Silbernanolinsen sind für amorphe Kohlenstoffspezies charakterstische Hintergrundsignale beobachtet worden. Durch zeitabhängige Messungen konnte gezeigt werden, dass diese Spezies erst in situ gebildet werden. KW - DNA origami KW - gold nanoparticles KW - silver nanoparticles KW - SERS KW - self-assembly KW - plasmonics KW - nanolenses KW - DNA-Origami KW - Goldnanopartikel KW - Silbernanopartikel KW - SERS KW - Selbstassemblierung KW - Plasmonik KW - Nanolinsen Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-409002 ER - TY - JOUR A1 - Heck, Christian A1 - Prinz, Julia A1 - Dathe, Andre A1 - Merk, Virginia A1 - Stranik, Ondrej A1 - Fritzsche, Wolfgang A1 - Kneipp, Janina A1 - Bald, Ilko T1 - Gold Nanolenses Self-Assembled by DNA Origami JF - ACS Photonics N2 - Nanolenses are self-similar chains of metal nanoparticles, which can theoretically provide extremely high field enhancements. Yet, the complex structure renders their synthesis challenging and has hampered closer analyses so far. Here, DNA origami is used to self-assemble 10, 20, and 60 nm gold nanoparticles as plasmonic gold nanolenses (AuNLs) in solution and in billions of copies. Three different geometrical arrangements are assembled, and for each of the three designs, surface-enhanced Raman scattering (SERS) capabilities of single AuNLs are assessed. For the design which shows the best properties, SERS signals from the two different internal gaps are compared by selectively placing probe dyes. The highest Raman enhancement is found for the gap between the small and medium nanoparticle, which is indicative of a cascaded field enhancement. KW - plasmonics KW - DNA origami KW - SERS KW - nanolenses KW - gold nanoparticles Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.1021/acsphotonics.6b00946 SN - 2330-4022 VL - 4 SP - 1123 EP - 1130 PB - American Chemical Society CY - Washington ER -