Vibrational Spectroscopy of Proteins

Zwei wichtige Schritte f ur die Entwicklung von Biosensoren sind die Immobilisierung der biologischen Komponente (zB. Protein) auf einer Oberfläche sowie die Verst arkung des Detektionssignals zur Erh öhung der Empfindlichkeit. Die vorliegende Arbeit widmet sich dieser Thematik. Es wurden mehrere Proteine mit Fourier Transform Infrarot Spektroskopie unter abgeschw ächter Totalreflektion (ATR-FTIR) untersucht, bei der die Proteine an der Oberfläche eines Kristalls immobilisiert waren. Daneben wurde eine nanostrukturierte Oberfläche entwickelt und f ür die Signalverstärkung in der FTIR Mikroskopie verwendet. Der vierte Komplex der Atmungskette, die Cytochrome c Oxidase (CcO) wurde in ein biomimetisches Membransystem (ptBLM) eingebettet und auf einem ATR-Kristall immobilisiert. Eine aufgeraute Goldschicht auf dem Kristall verursachte eine Oberflächenverst ärkung des IR Signals und erm öglichte gleichzeitig die elektrochemische Anregung des Proteins mit periodischen Spannungspulsen. Die Anregung mit verschiedenen Modulationsfrequenzen erlaubte die Dekonvolution des IR Spektrums mit phasensensitiver Detektion in einzelne Banden. Die so identifizierten Banden wurden Redoxzentren in der CcO zugeordnet und deren zeitliche Änderung mit Hilfe von Modellrechnungen analysiert. Zudem wurde das Duftstoffbindende Protein 14 (OBP14) der Honigbiene (Apis Mellifera) mit ATR-FTIR Spektroskopie und Circulardichroismus untersucht. Thermostabilit atsmessungen zeigten, dass dieses Protein bis 45° C stabil ist, was einen prinzipiellen Einsatz in Biosensoren erm öglicht. Durch die Ausbildung eines OBP-Duftstoff Komplexes wird die thermische Stabilität weiter erh öht. In einem weiteren Projekt wurden plasmonische Nanostrukturen f ür die Oberflächenverst ärkung in FTIR Mikroskopie entwickelt. Die Struktur besteht aus einem Array von Nichtleiter- und Goldscheiben auf einer durchgehenden Goldschicht. Bei Messungen von Alkanthiol Monoschichten konnten Verst ärkungsfaktoren von bis zu 125 beobachtet werden. Diese Strukturen k önnen zur Untersuchung von Proteinen in ptBLMs eingesetzt werden. Two important steps for the development of a biosensor are the immobilization of the biological component (e.g. protein) on a surface and the enhancement of the signal to improve the sensitivity of detection. To address these subjects, the present work describes Fourier transform infrared (FTIR) investigations of several proteins bound to the surface of an attenuated total re ection (ATR) crystal. Furthermore, new nanostructured surfaces for signal enhancement were developed for use in FTIR microscopy. The mitochondrial redox-protein cytochrome c oxidase (CcO) was incorporated into a protein-tethered bilayer lipid membrane (ptBLM) on an ATR crystal featuring a roughened two-layer gold surface for signal enhancement. Electrochemical excitation by periodic potential pulses at di erent Modulation frequencies was followed by time-resolved FTIR spectroscopy. Phase sensitive detection was used for deconvolution of the IR spectra into vibrational components. A model based on protonation-dependent chemical reaction kinetics could be tted to the time evolution of IR bands attributed to several di erent redox centers of the CcO. Further investigations involved the odorant binding protein 14 (OBP14) of the honey bee (Apis mellifera), which was studied using ATR-FTIR spectroscopy and circular dichroism. OBP14 was found to be thermally stable up to 45 C, thus permitting the potential application of this protein for the fabrication of biosensors. Thermal denaturation measurements showed that odorant binding increases the thermal stability of the OBP-odorant complex. In parallel, plasmonic nanostructures were fabricated that enhance the absorbance in FTIR microscopy measurements. The nanostructures are composed of an array of round-shaped insulator and gold discs on top of a continuous gold layer. Enhancement factors of up to 125 could be observed with self-assembled monolayers of dodecanethiol molecules immobilized on the gold surface. Such structures could in the future greatly aid the study of membrane proteins in ptBLMs