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Hugel, Thorsten (2003): Towards Synthetic Molecular Motors Interfaced by AFM. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Molecular machines are at the ultimate limit of miniaturization. Living organisms provide a variety of examples for such molecular machines, but in order to utilize and to control them, they need to be interfaced with the macroscopic world. On the other h and, there are synthetic molecular machines. Some have been interfaced already but usually in high vacuum at very low temperatures, which is clearly not desirable for technical applications. In this thesis, AFM-based single molecule force spectroscopy (S M FS) was utilized to investigate the mechanical change in single synthetic molecules upon environmental changes (external stimuli) in liquid environment at room temperature. The molecules are either from theory or from bulk experiments supposed to be ab le to convert such an external stimulus into mechanical work, which is a prerequisite for molecular motors. Three different types of molecules and various external energy inputs were investigated which led to the realization of a light driven synthetic mo le cular machine: - Polyelectrolytes should, by OSF-theory, change their persistence length (and therefore the overall length at a constant force) with the Debye screening length of the solvent (which is manipulated by the salt concentration). Therefore, t he elasticity of the polyelectrolyte polyvinylamine, which could be covalently attached to the substrate and the AFM tip, was investigated in dependence on the salt concentration. It was found that the dependence of persistence length on salt concentr atio n is much smaller than expected from OSF-theory, which made this system less attractive for a molecular machine, but led to new theoretical insights. - The adhesive properties of polyelectrolytes onto charged solid supports in aqueous solution are a subj ect of current research in industry and academia. A manipulation of polymer – substrate adhesion, e. g. at an AFM tip, could lead to a molecular 'grab and release' device. Therefore, the desorption force of single polyvinylamine-molecules from solid suppo rts was investigated. Polyvinylamine was physisorbed to a glass substrate and covalently attached to the cantilever. Then, the charge-charge interaction was manipulated by variation in salt concentration and polymer charge. While this has not led t o a sin gle molecule device yet, it gave new insights into the desorption of polyelectrolytes from charged substrates. The measurements performed here revealed that van der Waals forces and other non-covalent chemical interactions such as hydrogen and coo rdinative bonds can by far outweigh the electrostatic coulomb force (namely at short distances), and are therefore a more promising candidate for the tuning of adhesion forces. - Elastin-based polypeptides have proven various kinds of energy conversion i n cross-linked bulk samples. The mechanism is based on a hydrophobic folding transition, which can be manipulated by temperature, salt, pH, electrochemistry, and/or by the composition (hydrophobicity) of the polymers. The difference between the folded and random state could be detected and investigated here at the level of individual polymer chains and characterized by the force-extension traces of the two polypeptides (GVGVP)nx251 and (GVGIP)nx260. Because of their different hydophobicity their folding t emperatu res lie above and below room temperature, respectively. With the polypeptide (GVGIP)nx260 the folded state was investigated extensively. All observations support the conjecture, that intermolecular aggregation dominates intramolecular aggregatio n. This i s further supported by the finding that neither a change in temperature nor the treatment with sodium dodecyl sulfate or guanidinium hydrochloride could force any of the two polypeptides from the folded to the random state or vice versa within a n experime nt, which in turn would be a prerequisite for a polypeptide based molecular motor. - The most successful approach to building an AFM-interfaced molecular machine was in taking advantage of reversible configurational changes in azobenzene poly mer molecul es upon irradiation with light. Azobenzene can be driven from a shorter 'cis' to a longer 'trans' configuration by illumination with l = 420 nm light and vice versa by l = 365 nm. In order to utilize azobenzene, a setup had to be developed and built, whic h allows for the coupling of light into the AFM experiment. Total internal reflection geometry was necessary to avoid any artifacts due to direct effects of the light on the cantilever. A polypeptide chain with multiple functional azobenzene units was cov alently fixed to both, a gold coated cantilever and a flint glass substrate. In the force-extension traces lengthening as well as shortening of the polyazopeptide was observed even under an applied external force. This is not only a proof of principle for the first single molecule motor interfaced to the macroscopic world, but also generates discussion concerning potential energy landscapes under external force.

Abstract

Molekulare Maschinen stellen eine Grenze der Miniaturisierung dar. Lebende Organismen beinhalten eine Vielzahl solcher molekularer Maschinen, aber um diese zu nutzen und zu kontrollieren, müssen sie mit der makroskopischen Welt verbunden werden, was immer noch außerordentlich schwierig ist. Außerdem wird deren kontrollierter Einsatz durch ein oft unvollständiges Verständnis der Funktion und der Struktur erschwert. Andererseits gibt es synthetische molekulare Maschinen, diese können gezielt konstruiert wer den und erlauben einfache Funktionen auszuführen. In dieser Arbeit wurde Einzelmolekül-Kraftspektroskopie dazu verwendet, die mechanische Antwort einzelner synthetischer Moleküle auf externe Anregungen in flüssiger Umgebung bei Raumtemperatur zu messen. V on den untersuchten Molekülen wurde erwartet, dass sie eine externe Anregung in mechanische Arbeit umwandeln können. Es wurden drei verschiedenartige Moleküle und viele verschiedene Anregungen untersucht: Zuerst wurde die Elastizität des Polyelektroly te n Polyvinylamin in Abhängigkeit von der Salzkonzentration untersucht. Theoretisch sollten Polyelektrolyte ihre Persistenzlänge (und damit die Länge bei konstanter Kraft) mit der Salzkonzentration ändern. Die Experimente zeigten, dass diese Abhängigkeit de utlich geringer ist als erwartet. Dies macht das System für eine molekulare Maschine ungeeignet, führte aber zu neuen Einsichten bei der Beschreibung von Polyelektrolyten. Außerdem konnte das Verständnis der Adhäsion (einzelner) Polyelektrolyte an ge lade nen festen Oberflächen in wässriger Lösung erweitert werden. Die durchgeführten Messungen zeigten, dass van der Waals Kräfte und andere chemische Wechselwirkungen (z. B. Wasserstoffbrücken, koordinative Bindungen) die Coulomb Wechselwirkungen bei wei tem ü bertreffen können. Mit Peptiden, die auf Elastin basieren, wurden in vernetzten Sytemen vielfältige Energieumwandlungen demonstriert. Der Mechanismus basiert auf einem hydrophoben Faltungsübergang, der durch äußere Einflüsse kontrolliert werden ka nn. In dieser Arbeit wurden der gefaltete und der ungefalteten Zustand auf molekularer Ebene mit den beiden Polypeptiden (GVGVP)nx251 und (GVGIP)nx260 charakterisiert. Die Messungen weisen darauf hin, dass in diesen Systemen intermolekulare Aggregation ei ne Vor aussetzung zur hydrophoben Faltung ist. Dies erschwert eine Verwendung dieser Peptide als molekulare Maschinen. Schließlich wurde ein Polymer mit mehreren funktionellen Azobenzol-Einheiten untersucht. Azobenzol kann reversibel mit Licht verschiede ner Wellenlängen von einer kürzeren 'cis' in eine längere 'trans' Konfiguration geschaltet werden. Diese Isomerisation ist die Grundlage für die erfolgreiche Konstruktion einer molekularen Maschine, die mit dem AFM verbunden ist. Ein einzelnes Azobenzol-P olymer wurde kovalent an den Cantilever und die Unterlage gebunden. Das Licht einer Blitzlampe wurde in 'Totaler Interner Reflexions Geometrie' in einen Glas-Objektträger eingekoppelt, um Artefakte durch direkte Bestrahlung des Cantilevers zu vermeiden. I n Kraft-Abstands Kurven konnte bei Bestrahlung mit Licht der entsprechenden Wellenlänge sowohl die Verkürzung als auch die Verlängerung des Polymers auch gegen eine äußere Kraft beobachtet werden. Dies ist der erste lichtgetriebenen Einzelmolekül-Motor, der mit der makroskopischen Welt verbunden werden konnte. Außerdem haben diese Experimente zu neuen Erkenntnisse über Potential-Landschaften unter einer externen Kraft geführt.