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 - Ebel, Kenny T1 - Quantification of low-energy electron induced single and double strand breaks in well-defined DNA sequences using DNA origami nanostructures T1 - Quantifizierung von DNA Einzel- und Doppelstrangbrüchen definierter DNA Sequenzen induziert durch niederenergetische Elektronen unter Verwendung von DNA Origami Nanostrukturen N2 - Ionizing radiation is used in cancer radiation therapy to effectively damage the DNA of tumors leading to cell death and reduction of the tumor tissue. The main damage is due to generation of highly reactive secondary species such as low-energy electrons (LEE) with the most probable energy around 10 eV through ionization of water molecules in the cells. A simulation of the dose distribution in the patient is required to optimize the irradiation modality in cancer radiation therapy, which must be based on the fundamental physical processes of high-energy radiation with the tissue. In the present work the accurate quantification of DNA radiation damage in the form of absolute cross sections for LEE-induced DNA strand breaks (SBs) between 5 and 20 eV is done by using the DNA origami technique. This method is based on the analysis of well-defined DNA target sequences attached to DNA origami triangles with atomic force microscopy (AFM) on the single molecule level. The present work focuses on poly-adenine sequences (5'-d(A4), 5'-d(A8), 5'-d(A12), 5'-d(A16), and 5'- d(A20)) irradiated with 5.0, 7.0, 8.4, and 10 eV electrons. Independent of the DNA length, the strand break cross section shows a maximum around 7.0 eV electron energy for all investigated oligonucleotides confirming that strand breakage occurs through the initial formation of negative ion resonances. Additionally, DNA double strand breaks from a DNA hairpin 5'-d(CAC)4T(Bt-dT)T2(GTG)4 are examined for the first time and are compared with those of DNA single strands 5'-d(CAC)4 and 5'- d(GTG)4. The irradiation is made in the most likely energy range of 5 to 20 eV with an anionic resonance maximum around 10 eV independently of the DNA sequence. There is a clear difference between σSSB and σDSB of DNA single and double strands, where the strand break for ssDNA are always higher in all electron energies compared to dsDNA by the factor 3. A further part of this work deals with the characterization and analysis of new types of radiosensitizers used in chemoradiotherapy, which selectively increases the DNA damage upon radiation. Fluorinated DNA sequences with 2'-fluoro-2'-deoxycytidine (dFC) show an increased sensitivity at 7 and 10 eV compared to the unmodified DNA sequences by an enhancement factor between 2.1 and 2.5. In addition, light-induced oxidative damage of 5'-d(GTG)4 and 5'-d((CAC)4T(Bt-dT)T2(GTG)4) modified DNA origami triangles by singlet oxygen 1O2 generated from three photoexcited DNA groove binders [ANT994], [ANT1083] and [Cr(ddpd)2][BF4]3 illuminated in different experiments with UV-Vis light at 430, 435 and 530 nm wavelength is demonstrated. The singlet oxygen induced generation of DNA damage could be detected in both aqueous and dry environments for [ANT1083] and [Cr(ddpd)2][BF4]3. N2 - In der Radiotherapie wird ionisierende Strahlung verwendet, um die DNA in Tumorzellen wirksam zu schädigen. Der Hauptschaden ist auf die Erzeugung hochreaktiver Sekundärspezies wie niederenergetische Elektronen (LEE) durch Ionisierung von Wassermolekülen in den Zellen mit einer wahrscheinlichsten Energie um 10 eV zurückzuführen. Die Optimierung der Bestrahlungsmodalität in der Strahlentherapie beruht auf Simulationen der Dosisverteilung im menschlichen Körper, die auf fundamentale physikalische Prozesse zwischen hochenergetischer Strahlung mit dem Gewebe basieren. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der exakten Quantifizierung von LEE-induzierten DNA-Strahlenschäden in Form von absoluten Wirkungsquerschnitten σSB für DNA-Strangbrüche (SBs) zwischen 5 und 20 eV mit Hilfe der DNA-Origami-Technik. Diese Methode verwendet wohl definierte DNA-Zielsequenzen gebunden an DNA-Origami Nanostrukturen, dessen Schädigung durch die Rasterkraftmikroskopie auf Einzelmolekülniveau untersucht werden kann. Ein großer Fokus liegt auf den Bestrahlungsexperimenten von Polyadeninsequenzen ((5'-d(A4), 5'-d(A8), 5'-d(A12), 5'-d(A16) und 5'-d(A20) unterschiedlicher Nukleotidanzahl) bestrahlt mit 5.0, 7.0, 8.4 und 10 eV Elektronen. Unabhängig von der DNA-Nukleotidlänge zeigen die Strangbruchquerschnitte für alle untersuchten Oligonukleotide ein Maximum um 7.0 eV Elektronenenergie. Diese DNA-Strangbrüche sind durch die anfängliche Bildung negativer Ionenresonanzen bedingt. Zusätzlich werden erstmals Wirkungsquerschnitte für DNA-Doppelstrangbrüche σDSB spezifischer Sequenz (5'- d(CAC)4T(Bt-dT)T2(GTG)4) ermittelt und mit den Wirkungsquerschnitten von DNA-Einzelstrangbrüchen σSSB (5'- d(CAC)4 und 5'-d(GTG)4) verglichen. Die Bestrahlungen erfolgen im Energiebereich von 5 bis 20 eV mit einem anionischen Resonanzmaximum um 10 eV unabhängig von der DNA-Sequenz. Es wird ein deutlicher Unterschied zwischen σSSB und σDSB von DNA-Einzel- und Doppelstrangbrüchen im Verhältnis von 3 zu 1 erhalten. Des Weiteren befasst sich ein großer Forschungsbereich in der Radiochemotherapie mit der Charakterisierung und Analyse neuer Radiosensibilisatoren, die den DNA-Schaden bei Bestrahlung selektiv erhöhen können. Dafür werden DNA-Sequenzen mit 2'-Fluor-2'-desoxycytidin (dFC) modifiziert, die eine erhöhte Empfindlichkeit mit einem Verstärkungsfaktor zwischen 2.1 und 2.5 bei 7 und 10 eV im Vergleich zu den nicht modifizierten DNA-Sequenzen zeigen. Außerdem können mit der DNA-Origami-Technik lichtinduzierte oxidative DNA-Schädigungen von 5'-d(GTG)4 und 5'- d(CAC)4T(Bt-dT)T2(GTG)4 durch hochreaktivem Singulett-Sauerstoff 1O2 untersucht werden. Der Singulett-Sauerstoff wird durch photoaktive DNA-Binder [ANT994], [ANT1083] und [Cr(ddpd)2][BF4]3 mit UV-Vis Licht bei Wellenlängen von 430, 435 und 530 nm gebildet, die sich auf den DNA-Origami Nanostrukturen nahe den Zielsequenzen zufällig binden. Die Erzeugung von DNA-Schäden konnte sowohl in wässriger als auch in kondensierter Umgebung durch [ANT1083] und [Cr(ddpd)2][BF4]3 nachgewiesen werden. KW - DNA damage KW - single strand break KW - double strand break KW - ionizing radiation KW - low-energy electrons KW - DNA origami KW - DNA origami KW - Einzelstrangbruch KW - Doppelstrangbruch KW - niederenergetische Elektronen KW - DNA Schädigung KW - ionisierende Strahlung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-504499 ER - TY - JOUR A1 - Kogikoski Junior, Sergio A1 - Tapio, Kosti A1 - Edler von Zander, Robert A1 - Saalfrank, Peter A1 - Bald, Ilko T1 - Raman enhancement of nanoparticle dimers self-assembled using DNA origami nanotriangles JF - Molecules : a journal of synthetic chemistry and natural product chemistry / Molecular Diversity Preservation International N2 - Surface-enhanced Raman scattering is a powerful approach to detect molecules at very low concentrations, even up to the single-molecule level. One important aspect of the materials used in such a technique is how much the signal is intensified, quantified by the enhancement factor (EF). Herein we obtained the EFs for gold nanoparticle dimers of 60 and 80 nm diameter, respectively, self-assembled using DNA origami nanotriangles. Cy5 and TAMRA were used as surface-enhanced Raman scattering (SERS) probes, which enable the observation of individual nanoparticles and dimers. EF distributions are determined at four distinct wavelengths based on the measurements of around 1000 individual dimer structures. The obtained results show that the EFs for the dimeric assemblies follow a log-normal distribution and are in the range of 10(6) at 633 nm and that the contribution of the molecular resonance effect to the EF is around 2, also showing that the plasmonic resonance is the main source of the observed signal. To support our studies, FDTD simulations of the nanoparticle's electromagnetic field enhancement has been carried out, as well as calculations of the resonance Raman spectra of the dyes using DFT. We observe a very close agreement between the experimental EF distribution and the simulated values. KW - surface-enhanced Raman scattering KW - DNA origami KW - resonance Raman KW - scattering KW - nanoparticle dimers Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3390/molecules26061684 SN - 1420-3049 VL - 26 IS - 6 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Ebel, Kenny A1 - Bald, Ilko T1 - Length and Energy Dependence of Low-Energy Electron-Induced Strand Breaks in Poly(A) DNA JF - International Journal of Molecular Sciences N2 - The DNA in living cells can be effectively damaged by high-energy radiation, which can lead to cell death. Through the ionization of water molecules, highly reactive secondary species such as low-energy electrons (LEEs) with the most probable energy around 10 eV are generated, which are able to induce DNA strand breaks via dissociative electron attachment. Absolute DNA strand break cross sections of specific DNA sequences can be efficiently determined using DNA origami nanostructures as platforms exposing the target sequences towards LEEs. In this paper, we systematically study the effect of the oligonucleotide length on the strand break cross section at various irradiation energies. The present work focuses on poly-adenine sequences (d(A₄), d(A₈), d(A₁₂), d(A₁₆), and d(A₂₀)) irradiated with 5.0, 7.0, 8.4, and 10 eV electrons. Independent of the DNA length, the strand break cross section shows a maximum around 7.0 eV electron energy for all investigated oligonucleotides confirming that strand breakage occurs through the initial formation of negative ion resonances. When going from d(A₄) to d(A₁₆), the strand break cross section increases with oligonucleotide length, but only at 7.0 and 8.4 eV, i.e., close to the maximum of the negative ion resonance, the increase in the strand break cross section with the length is similar to the increase of an estimated geometrical cross section. For d(A₂₀), a markedly lower DNA strand break cross section is observed for all electron energies, which is tentatively ascribed to a conformational change of the dA₂₀ sequence. The results indicate that, although there is a general length dependence of strand break cross sections, individual nucleotides do not contribute independently of the absolute strand break cross section of the whole DNA strand. The absolute quantification of sequence specific strand breaks will help develop a more accurate molecular level understanding of radiation induced DNA damage, which can then be used for optimized risk estimates in cancer radiation therapy. KW - DNA origami KW - DNA radiation damage KW - DNA strand breaks KW - low-energy electrons KW - sequence dependence Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.3390/ijms21010111 SN - 1422-0067 VL - 21 IS - 1 PB - Molecular Diversity Preservation International CY - Basel ER - TY - GEN A1 - Ebel, Kenny A1 - Bald, Ilko T1 - Length and Energy Dependence of Low-Energy Electron-Induced Strand Breaks in Poly(A) DNA T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The DNA in living cells can be effectively damaged by high-energy radiation, which can lead to cell death. Through the ionization of water molecules, highly reactive secondary species such as low-energy electrons (LEEs) with the most probable energy around 10 eV are generated, which are able to induce DNA strand breaks via dissociative electron attachment. Absolute DNA strand break cross sections of specific DNA sequences can be efficiently determined using DNA origami nanostructures as platforms exposing the target sequences towards LEEs. In this paper, we systematically study the effect of the oligonucleotide length on the strand break cross section at various irradiation energies. The present work focuses on poly-adenine sequences (d(A₄), d(A₈), d(A₁₂), d(A₁₆), and d(A₂₀)) irradiated with 5.0, 7.0, 8.4, and 10 eV electrons. Independent of the DNA length, the strand break cross section shows a maximum around 7.0 eV electron energy for all investigated oligonucleotides confirming that strand breakage occurs through the initial formation of negative ion resonances. When going from d(A₄) to d(A₁₆), the strand break cross section increases with oligonucleotide length, but only at 7.0 and 8.4 eV, i.e., close to the maximum of the negative ion resonance, the increase in the strand break cross section with the length is similar to the increase of an estimated geometrical cross section. For d(A₂₀), a markedly lower DNA strand break cross section is observed for all electron energies, which is tentatively ascribed to a conformational change of the dA₂₀ sequence. The results indicate that, although there is a general length dependence of strand break cross sections, individual nucleotides do not contribute independently of the absolute strand break cross section of the whole DNA strand. The absolute quantification of sequence specific strand breaks will help develop a more accurate molecular level understanding of radiation induced DNA damage, which can then be used for optimized risk estimates in cancer radiation therapy. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 814 KW - DNA origami KW - DNA radiation damage KW - DNA strand breaks KW - low-energy electrons KW - sequence dependence Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-444125 SN - 1866-8372 IS - 814 ER - TY - JOUR A1 - Vogel, Stefanie A1 - Ebel, Kenny A1 - Schürmann, Robin Mathis A1 - Heck, Christian A1 - Meiling, Till A1 - Milosavljevic, Aleksandar R. A1 - Giuliani, Alexandre A1 - Bald, Ilko T1 - Vacuum-UV and Low-Energy Electron-Induced DNA Strand Breaks BT - Influence of the DNA Sequence and Substrate JF - ChemPhysChem : a European journal of chemical physics and physical chemistry N2 - DNA is effectively damaged by radiation, which can on the one hand lead to cancer and is on the other hand directly exploited in the treatment of tumor tissue. DNA strand breaks are already induced by photons having an energy below the ionization energy of DNA. At high photon energies, most of the DNA strand breaks are induced by low-energy secondary electrons. In the present study we quantified photon and electron induced DNA strand breaks in four different 12mer oligonucleotides. They are irradiated directly with 8.44 eV vacuum ultraviolet (VUV) photons and 8.8 eV low energy electrons (LEE). By using Si instead of VUV transparent CaF2 as a substrate the VUV exposure leads to an additional release of LEEs, which have a maximum energy of 3.6 eV and can significantly enhance strand break cross sections. Atomic force microscopy is used to visualize strand breaks on DNA origami platforms and to determine absolute values for the strand break cross sections. Upon irradiation with 8.44 eV photons all the investigated sequences show very similar strand break cross sections in the range of 1.7-2.3x10(-16) cm(2). The strand break cross sections for LEE irradiation at 8.8 eV are one to two orders of magnitude larger than the ones for VUV photons, and a slight sequence dependence is observed. The sequence dependence is even more pronounced for LEEs with energies <3.6 eV. The present results help to assess DNA damage by photons and electrons close to the ionization threshold. KW - DNA origami KW - DNA radiation damage KW - DNA strand breaks KW - low-energy electrons KW - vacuum-UV radiation Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1002/cphc.201801152 SN - 1439-4235 SN - 1439-7641 VL - 20 IS - 6 SP - 823 EP - 830 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - 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 - 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 - Vogel, Stefanie T1 - Sequence dependency of photon and electron induced DNA strand breaks T1 - Sequenzabhängigkeit von photonen-und elektroneninduzierten DNA Strangbrüchen N2 - Deoxyribonucleic acid (DNA) is the carrier of human genetic information and is exposed to environmental influences such as the ultraviolet (UV) fraction of sunlight every day. The photostability of the DNA against UV light is astonishing. Even if the DNA bases have a strong absorption maximum at around 260 nm/4.77 eV, their quantum yield of photoproducts remains very low 1. If the photon energies exceed the ionization energy (IE) of the nucleobases ( ̴ 8-9 eV) 2, the DNA can be severely damaged. Photoexcitation and -ionization reactions occur, which can induce strand breaks in the DNA. The efficiency of the excitation and ionization induced strand breaks in the target DNA sequences are represented by cross sections. If Si as a substrate material is used in the VUV irradiation experiments, secondary electrons with an energy below 3.6 eV are generated from the substrate. This low energy electrons (LEE) are known to induce dissociative electron attachment (DEA) in DNA and with it DNA strand breakage very efficiently. LEEs play an important role in cancer radiation therapy, since they are generated secondarily along the radiation track of ionizing radiation. In the framework of this thesis, different single stranded DNA sequences were irradiated with 8.44 eV vacuum UV (VUV) light and cross sections for single strand breaks (SSB) were determined. Several sequences were also exposed to secondary LEEs, which additionally contributed to the SSBs. First, the cross sections for SSBs depending on the type of nucleobases were determined. Both types of DNA sequences, mono-nucleobase and mixed sequences showed very similar results upon VUV radiation. The additional influence of secondarily generated LEEs resulted in contrast in a clear trend for the SSB cross sections. In this, the polythymine sequence had the highest cross section for SSBs, which can be explained by strong anionic resonances in this energy range. Furthermore, SSB cross sections were determined as a function of sequence length. This resulted in an increase in the strand breaks to the same extent as the increase in the geometrical cross section. The longest DNA sequence (20 nucleotides) investigated in this series, however, showed smaller cross section values for SSBs, which can be explained by conformational changes in the DNA. Moreover, several DNA sequences that included the radiosensitizers 5-Bromouracil (5BrU) and 8-Bromoadenine (8BrA) were investigated and the corresponding SSB cross sections were determined. It was shown that 5BrU reacts very strongly to VUV radiation leading to high strand break yields, which showed in turn a strong sequence-dependency. 8BrA, on the other hand, showed no sensitization to the applied VUV radiation, since almost no increase in strand breakage yield was observed in comparison to non-modified DNA sequences. In order to be able to identify the mechanisms of radiation damage by photons, the IEs of certain DNA sequences were further explored using photoionization tandem mass spectrometry. By varying the DNA sequence, both the IEs depending on the type of nucleobase as well as on the DNA strand length could be identified and correlated to the SSB cross sections. The influence of the IE on the photoinduced reaction in the brominated DNA sequences could be excluded. N2 - Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist als Träger der menschlichen Erbinformation täglich vielen Einflüssen ausgesetzt. Diese Einflüsse können Teil unserer Umwelt sein, wie der ultraviolette (UV) Anteil des Sonnenlichts. Die Photostabilität der DNA gegen UV-Licht ist erstaunlich, denn trotz eines starkes Absorptionsmaximum der DNA-Basen bei etwa 260 nm/4,77 eV, bleibt ihre Quantenausbeute an Photoprodukten sehr gering 1. Überschreiten die Photonenenergien die Ionisationsenergie (IE) der Nukleinbasen ( ̴ 8-9 eV) 2, kann die DNA schwer geschädigt werden. Es treten Anregungs- und Ionisierungsreaktionen auf, die zu Strangbrüchen in der DNA führen. Die Effizienz der induzierten Strangbrüche in den untersuchten DNA-Sequenzen wird durch Wirkungsquerschnitte dargestellt. Wird in den Bestrahlungsexperimenten Silizium als Substratmaterial verwendet, werden aus dem Substrat zusätzliche Sekundärelektronen mit einer Energie unter 3,6 eV erzeugt, die weiteren Schaden an der DNA verursachen. Diese niederenergetischen Elektronen (LEE) sind dafür bekannt, dissoziative Elektronenanlagerung (DEA) und damit Strangbrüche in der DNA zu erzeugen. LEEs entstehen sekundär entlang des Strahlungsweges von ionisierender Strahlung im biologischen Gewebe, wenn in der Behandlung der Krankheit Krebs Strahlentherapie eingesetzt wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Einzelstrang-DNA-Sequenzen mit 8.44 eV Vakuum-UV (VUV) Licht bestrahlt und Wirkungsquerschnitte für Einzel-strangbrüche (SSB) bestimmt. Ein Teil der Sequenzen wurde außerdem sekundär erzeugten LEEs ausgesetzt, die einen zusätzlichen Beitrag zu den SSBs liefern. Als erstes wurde der Wirkungsquerschnitt für SSBs in Abhängigkeit der Nukleinbasen bestimmt. Hierbei weisen sowohl die DNA Sequenzen, die nur ein Sorte an Nukleinbasen besitzen als auch die gemischte Sequenzen sehr ähnliche Werte auf. Durch den zusätzlichen Einfluss der LEEs hat sich wiederum für die DNA Sequenzen mit nur einer Sorte an Nukleinbasen ein stark ausgeprägter Trend gezeigt. Die Polythymin-Sequenz weist den höchsten Wirkungsquerschnitt für SSBs auf, was durch ausgeprägte anionische Resonanzen in diesem Energiebereich begründet werden kann. Des Weiteren wurden Wirkungsquerschnitte für SSBs in Abhängigkeit Sequenzlänge ermittelt. Dabei ergab sich eine Erhöhung der SSBs im gleichen Maße wie die Vergrößerung des geometrischen Wirkungsquerschnitts. Die längste DNA Sequenz (20 Nukleotide), die in dieser Reihe untersucht wurde, zeigte hingegen kleinere Werte für den SSB Wirkungsquerschnitt, was durch Konformationsänderungen in der DNA erklärt werden kann. Einige der untersuchten DNA Sequenzen wurden zusätzlich mit den Radiosensibilisatoren 5-Bromouracil (5BrU) und 8-Bromoadenine (8BrA) modifiziert und entsprechende SSB Wirkungsquerschnitte bestimmt. Hierbei hat sich gezeigt, dass 5BrU mittels einer hohen Strangbruchausbeute sehr stark auf VUV Strahlung reagiert, wobei das Ausmaß der Reaktion stark sequenzabhängig ist. 8BrA hingegen, weist keine Sensibilisierung gegenüber der verwendeten VUV Strahlung auf, da keine Erhöhung der Strangbruchausbeute gegenüber unmodifizierten DNA Sequenzen ersichtlich ist. Um die Mechanismen der Strahlenschädigung durch Photonen besser einschätzen zu können, wurden zusätzlich die IEs bestimmter DNA Sequenzen mit Hilfe der Photoionisations-Tandem-Massenspektrometrie untersucht. Durch Variation der DNA-Sequenzen konnte sowohl ein Trend der IEs in Abhängigkeit der Nukleinbasen und der DNA-Stranglänge identifiziert und als auch eine Abhängigkeit der Reaktivität von 5BrU von seinem IE in der entsprechenden DNA Sequenz ausgeschlossen werden. Die IE Trends und die Wirkungsquerschnitte für SSBs wurden abschließend in Korrelation gebracht. KW - DNA KW - photo ionization KW - dissociative electron attachment KW - DNA origami KW - radiosensitizer KW - ionization energy KW - tandem mass spectrometry KW - DNS KW - Photoionisation KW - Dissoziative Elektronenanlagerung KW - DNA Origami KW - Radiosensibilisator KW - Ionisierungsenergie KW - Tandemmassenspektrometrie Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-419669 ER -