Photolumineszenz und gezieltes Design als Werkzeuge zur Untersuchung von Struktur- und Dynamikbeziehungen

Die vorliegende Arbeit untersucht die vielseitige Anwendung der Photolumineszenz als sensi-tives Sondenwerkzeug und funktionales Steuerungselement in den Biowissenschaften sowie der Halbleiterforschung. Durch die Kombination von stationärer und zeitaufgelöster Spektro-skopie sowie kinetischer Modellierung konnten fundamentale Einblicke in Ligandenbindungs-dynamiken von RNA-Systemen (hier: dox-Aptamer G12 und PreQ1Tte), photochemische Freisetzungsmechanismen eines ligandenbindungsbedingten Photocages und die Optimie-rung von PSK-Halbleiter-Emittern gewonnen werden. So lag ein zentraler Schwerpunkt auf der Aufklärung komplexer Faltungskinetiken von Apta-meren und Riboschaltern. Am Beispiel des neu charakterisierten, doxycyclinbindenden Aptamers G12 konnte durch eine Reihe von Fluoreszenztitrationen ein Mg2+-unabhängiger Bindungsmechanismus identifiziert werden. Dabei diente der Ligand Doxycyclin selbst als fluoreszente Sonde, die in allen Experimenten lokale Informationen über die Bindung sowie die Bindetasche von G12 lieferte. Durch die Kombination von dynamischen Stopped-Flow-Experimenten und KM konnte schließlich der Bindungsmechanismus aufgeklärt werden, der auf einem Gleichgewicht zweier bindungskompetenter Konformationen basiert. In einem zweiten Projekt wurde der Ligandenbindungsmechanismus eines weiteren RNA-Systems, des natürlichen Riboschalters PreQ1Tte, untersucht. Da weder der Ligand noch die RNA geeignete fluoreszente Eigenschaften zur Detektion der Ligandeninteraktion besitzen, wurde die RNA an vier spezifischen Positionen mit 2AP markiert, um lokale Informationen während des Bindungsprozesses zu erhalten. Im Rahmen einer kollaborativen Zusammenarbeit konnte das Gleichgewicht der vier vorliegenden Konformationen in Abhängigkeit von der Mg2+-Ionenkonzentration und der Temperatur bestimmt werden. Anschließend wurde durch Variation der Ligandenkonzentration, des Magnesiumgehalts und der Temperatur in Stopped-Flow-Experimenten die Dynamik der Ligandenbindung erfasst. Die anschließende KM, die auf den Informationen über alle Konformere basiert, offenbarte ein komplexes Bindungsverhalten: Von den vier Konformationen sind lediglich zwei direkt an der Bindung beteiligt, wobei sie den Liganden jeweils über ein Intermediat umschließen. Dieses Bindungsverhalten passt sich den äußeren Umständen primär durch die Verschiebung des Startgleichgewichts an. Somit verfügt PreQ1Tte über ein Netzwerk aus Konformeren, welches eine präzise Feinabstimmung der Genregulation an die Liganden-, die Mg2+-Konzentration und die Temperatur ermöglicht. Darüber hinaus wurde das Prinzip der FLAPs photochemisch erweitert, um die Effizienz lichtaktivierbarer Schutzgruppen (PPGs) zu steigern und den methodischen Werkzeugkasten der PPGs auszubauen. Durch die Entwicklung des sogenannten ‚Fruitcages’ konnte erstmalig gezeigt werden, dass die Bindung eines modifizierten Fluorogens (TO1-cage) an das Mango-Aptamer die strahlungslosen Deaktivierungspfade blockiert, wodurch eine 14-fache Verstärkung der Photolyseraten erzielt wurde. Auf dieser Basis ließ sich ein konditionaler Photocage etablieren, der erst bei Aptamerbindung aktivierbar wird, welches ein vielversprechender Ansatz für das selektive RNA-Targeting und die kontrollierte Wirkstofffreisetzung darstellt. Zudem verdeutlicht das Beispiel des Fruitcages, dass Fluoreszenz und Photolysereaktion eng miteinander verknüpft sind, was als wesentliche Eigenschaft für die zukünftige Konzeptionierung von PPGs zu berücksichtigen ist. Im Bereich der Halbleiter wurde die Photolumineszenz zur Charakterisierung von 2D-Halogenid-PSK eingesetzt. Im Rahmen einer systematischen Untersuchung der Mischreihe NEA2Pb(BrnCl1-n)4 konnte nachgewiesen werden, dass eine gezielte Phasensegregation und die Einführung von Defektzuständen extrinsische selbstgefangene Exzitonen (STEs) begünstigen. Die resultierende Breitbandemission im sichtbaren Spektralbereich liefert entscheidende Designprinzipien für die Entwicklung effizienter, PSK-basierter Weißlichtquellen. Zusammenfassend demonstriert diese Arbeit, dass die Photolumineszenz weit mehr als ein reines Detektionswerkzeug darstellt. Sie fungiert als zentrales Bindeglied, welches durch die präzise Analyse und Manipulation photophysikalischer Prozesse eine Brücke zwischen der molekularen Biologie und der modernen Nanotechnologie schlägt und neue Wege für die optische Analytik sowie für lichtgesteuerte Anwendungen eröffnet.