Authors:	Gundlach, Kristina
Title:	Pflanzlicher Lichtsammler (LHCII) in Hybridkomplexen mit organischen Farbstoffen und anorganischen Halbleiter-Nanokristallen (Quantum dots)
Online publication date:	19-Jul-2010
Year of first publication:	2010
Language:	german
Abstract:	Der Lichtsammelkomplex II (LHCII) höherer Pflanzen ist eines der häufigsten Membranproteine der Welt. Er bindet 14 Chlorophylle und 4 Carotinoide nicht kovalent und fungiert in vivo als Lichtantenne des Photosystems II. Eine optimale Absorption von Licht ist auch bei Solarzellen entscheidend und es liegt nahe hier dasselbe Prinzip zu verwenden. Dafür bietet sich der Einsatz biologischer Komponenten wie des LHCII an. Dieser wurde evolutionär für eine effektive Absorption und Weiterleitung von Sonnenenergie optimiert. Zusätzlich lässt er sich in vitro in rekombinanter Form rekonstituieren. Für eine eventuelle Nutzung des LHCII in technologischen Anwendungen bedarf es der Interaktion mit anderen, vorzugsweise synthetischen Komponenten. Daher wurde die Bindung und der Energietransfer zwischen dem LHCII und organischen Fluoreszenzfarbstoffen sowie anorganischen „Quantum dots“ (QDs) untersucht. rnMit Donorfarbstoffen wurde die Grünlücke des LHCII funktionell geschlossen. Dafür wurden bis zu vier Fluoreszenzfarbstoffe kovalent an den LHCII gebunden. Diese Interaktion erfolgte sowohl mit Maleimiden an Cysteinen als auch mit N-Hydroxysuccinimidylestern an Lysinen. Die Assemblierung, Struktur und Funktion des Pigment-Protein-Komplexes wurde durch die Fluoreszenzfarbstoffe nicht gestört.rnAuf der Suche nach einem Farbstoff, der als Akzeptor die vom LHCII aufgenommene Energie übernimmt und durch Elektronenabgabe in elektrische Energie umwandelt, wurden drei Rylenfarbstoffe, ein Quaterrylen und zwei Terrylene, untersucht. Der LHCII konnte mit allen Farbstoffen erfolgreich markiert werden. Für die Nutzung der Hybridkomplexe ergaben sich allerdings Probleme. Das Quaterrylen beeinträchtigte aufgrund seiner Hydrophobizität die Rekonstitution des Proteins, während bei beiden Terrylenen der Energietransfer ineffizient war.rn Zusätzlich zu den Standard-Verknüpfungen zwischen Farbstoffen und Proteinen wurde in dieser Arbeit die „native chemische Ligation“ etabliert. Hierfür wurde eine LHCII-Mutante mit N-terminalem Cystein hergestellt, markiert und rekonstituiert. Messdaten an diesem Hybridkomplex ließen auf einen Energietransfer zwischen Farbstoff und Protein schließen. rnIn Hybridkomplexen sollen langfristig zur Ladungstrennung fähige Typ II-QDs Anwendung finden, wobei der LHCII als Lichtantenne dienen soll. Bis diese QDs verwendet werden können, wurden grundlegende Fragen der Interaktion beider Materialen an Typ I-QDs mit Energietransfer zum LHCII untersucht. Dabei zeigte sich, dass QDs in wässriger Lösung schnell aggregieren und entsprechende Kontrollen wichtig sind. Weiterführend konnte anhand der Trennung von ungebundenem und QD-gebundenem LHCII die Bindung von LHCII an QDs bestätigt werden. Dabei wurden Unterschiede in der Bindungseffizienz in Abhängigkeit der verwendeten LHCII und QDs festgestellt. Durch Herstellung von Fusionsproteinen aus LHCII und Affinitätspeptiden konnte die Bindung optimiert werden. Ein Energietransfer von QDs zu LHCII war nicht sicher nachzuweisen, da in den Hybridkomplexen zwar die QD- (Donor-) Fluoreszenz gelöscht, aber die LHCII- (Akzeptor-) Fluoreszenz nicht entsprechend stimuliert wurde.rnZusammenfassend wurden in dieser Arbeit einige Hybridkomplexe hergestellt, die in weiterführenden Ansätzen Verwendung finden können. Auf die hier gewonnenen Erkenntnisse über Interaktionen zwischen LHCII und synthetischen Materialien kann jetzt weiter aufgebaut werden. The light-harvesting complex II (LHCII) is one of the most abundant membrane proteins. It binds non-covalently 14 chlorophylls and 4 carotenoids and acts in vivo as a light-antenna for Photosystem II. Optimal light absorption is also desirable in solar cells. This can possibly be achieved by using biological components like LHCII. This complex is not only evolutionary optimised for this purpose but furthermore it can be reconstituted in vitro. In such applications, LHCII would have to interact with synthetic components. Therefore, the binding and energy transfer between LHCII, organic dyes and inorganic quantum dots (QDs) were analysed in this work.rnThe absorption “green gap” of the LHCII was functionally filled in by covalently attaching up to four donor dyes. Dye maleimides were bound to cystein residues and N-hydroxysuccinimide esters to lysin residues. Neither modification interfered with the assembly, structure and function of the pigment-protein-complex.rnThree rylene dyes, a quaterrylene and two terrylenes, were examined for their suitability to act as acceptors of the LHCII-absorbed energy. All dyes were successfully bound to the protein, however the hybrid complexes did not turn out to be useful. The hydrophobicity of the quaterrylene disturbed protein folding, whereas the energy transfer was inefficient with both terrylenes.rnAs an additional labelling technique, the “native chemical ligation” was established for the LHCII. A new mutant with an N-terminal cysteine was produced, labelled and reconstituted and the data suggested an energy transfer between dye and protein.rnType-II QDs are capable of charge transfer and they shall be integrated with the LHCII in hybrid complexes. Until they can be used, basic questions regarding the interaction of both materials were analysed by using type-I QDs acting as energy donors for the LHCII. It was shown that QDs tend to aggregate in aqueous solution and corresponding controls are necessary. The binding of both components was verified by separating unlabelled from QD-bound LHCII. Furthermore, differences in binding efficiencies depending on the components used were detected by this technique. Newly synthesised fusion proteins of LHCII and affinity peptides optimised the binding. The QD (donor) fluorescence was quenched in hybrid complexes; however a corresponding sensitised LHCII (acceptor) fluorescence was not detected. Therefore an energy transfer could not be verified so far.rnIn summary, several usable hybrid complexes were produced and the new information about interactions between LHCII and synthetic materials will lead to the construction of applicable hybrids.
DDC:	570 Biowissenschaften 570 Life sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 10 Biologie
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4634
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-23220
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	245 S.
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