Spectroscopic studies and applications of novel fluorescent proteins [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Sergey Ivanchenko
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Description

Spectroscopic Studies and Applications ofNovel Fluorescent ProteinsDissertationzur Erlangung des akademischen Grades Dr. rer. nat.der Fakult¨at fu¨r Naturwissenschaftender Universitat Ulm¨Vorgelegt vonDipl.-Phys. Sergey Ivanchenkoaus Moskau/RusslandUlm, 2006ContentsList of Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IVList of Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IXIntroduction 1Why Fluorescent Proteins? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1Thesis Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1I Theoretical Basis 51 Introduction to Fluorescent Proteins 71.1 Green Fluorescent Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2 Red Fluorescent Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.3 Brightness, Stability and Oligomerization of RFPs . . . . . . . . . . . . . . 131.4 Optical Highlighters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.5 Molecular Basis of Emission Fluctuations of Fluorescent Proteins . . . . . . 162 Principles of Absorption and Fluorescence Spectroscopy 192.1 The Golden Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2 Mechanisms of Spectral Broadening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.3 Solvent Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.

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Publié le 01 janvier 2006
Nombre de lectures 11
Langue English
Poids de l'ouvrage 17 Mo

Extrait

Spectroscopic Studies and Applications of
Novel Fluorescent Proteins
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades Dr. rer. nat.
der Fakult¨at fu¨r Naturwissenschaften
der Universitat Ulm¨
Vorgelegt von
Dipl.-Phys. Sergey Ivanchenko
aus Moskau/Russland
Ulm, 2006Contents
List of Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV
List of Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX
Introduction 1
Why Fluorescent Proteins? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Thesis Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
I Theoretical Basis 5
1 Introduction to Fluorescent Proteins 7
1.1 Green Fluorescent Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Red Fluorescent Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Brightness, Stability and Oligomerization of RFPs . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4 Optical Highlighters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5 Molecular Basis of Emission Fluctuations of Fluorescent Proteins . . . . . . 16
2 Principles of Absorption and Fluorescence Spectroscopy 19
2.1 The Golden Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Mechanisms of Spectral Broadening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 Solvent Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 Two-Photon Excitation Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3 Techniques of Confocal Microscopy 27
3.1 Conceptual Basis and Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Two-Photon Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3 Fluorescent Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.1 Probes for One-Photon Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.2 Probes for Two-Photon Microscopy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4 Fluorescence Fluctuation Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4.1 Correlation Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4.2 Photon Counting Histogram and Cumulant Analysis . . . . . . . . . 32
IContents
II Experiments 35
4 Experimental Setup 37
4.1 Bulk Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.1.1 Absorption and Fluorescence Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2 Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.1 Excitation Light Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.2 Excitation Arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2.3 Microscope Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2.4 Sample Positioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2.5 Filter Arrangement Used in Applications . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2.6 Objective Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.7 Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2.8 Computer Hardware and Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2.9 Measurements of Fluorescence Lifetime . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3 Sample Preparation and Data Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3.1 Estimation of Bulk Spectral Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3.2 Sample Preparation for Low-Temperature Experiments . . . . . . . 44
4.3.3 Sample Preparation for Single-Molecule Experiments . . . . . . . . . 46
4.3.4 Volume Calibration Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3.5 Calculation of the Excitation Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3.6 Weighted Averaging of Single-Molecule ACFs . . . . . . . . . . . . . 48
4.3.7 Power Density Correction in Two-Photon Experiments . . . . . . . . 48
4.3.8 Estimation of Bleaching Yields on the Single Molecule Level . . . . . 49
4.3.9 Calculation of the FRET Index and Channel Cross-Talk Correction 49
5 Red Fluorescent Protein eqFP611 51
5.1 Introduction: General Description of eqFP611 . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.1.1 Spectroscopic Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.1.2 Structural Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.2 Experimental Part: Disruption of the Tetramer . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.3 Cryogenic Experiments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.4 FCS on Individual Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.5 Photostability of Individual eqFP611 Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.5.1 Molecular Brightness of eqFP611 Tandems . . . . . . . . . . . . . . 61
5.6 Photochromic Properties of eqFP611 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.6.1 Red-Shifted Variants Show KFP-like Photochromic Properties . . . 64
5.6.2 High-Power Photoconversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.7 Spectral Properties of eqFP611 Variants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.8 Discussion and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.8.1 eqFP611 versus KFP: Structural Comparison . . . . . . . . . . . . . 70
5.8.2 Precursor Species in eqFP630 Photoisomerization . . . . . . . . . . . 70
5.8.3 Maturation of the eqFP611 Chromophore . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.8.4 Protonation State of Mature and Immature Chromophores . . . . . 72
IIContents
5.8.5 Effects at Cryogenic Temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.8.6 Photodynamics of Fluorescent Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6 Photoconvertible Fluorescent Protein EosFP 77
6.1 Introduction: Overview of Structural Properties . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.1.1 Quaternary Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.1.2 Molecular Basis of Photoconversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.2 Experimental Part: Spectroscopic Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.2.1 Determination of Conversion Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.2.2 EosFP at Low and High pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.2.3 Fluorescence Lifetime of Green and Red EosFP . . . . . . . . . . . . 85
6.2.4 Excitation and Emission Spectra of wtEosFP at Low Temperatures 85
6.2.5 Spectroscopic Properties of a Non-Convertible EosFP Variant . . . . 87
6.3 Nonlinear Properties of wtEosFP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.3.1 Two-Photon Excitation of the Green Form of wtEosFP . . . . . . . 87
6.3.2 Two-Photon Conversion of wtEosFP . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.3.3 Two-Photon Excitabilities of the Red Form of wtEosFP and eqFP611 92
6.4 Experiments on Individual EosFP Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.4.1 Single-Molecule Photoconversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.4.2 Photostability of Individual EosFP Molecules . . . . . . . . . . . . . 94
6.5 Applications of EosFP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.5.1 Application of EosFP for Optical Labeling. . . . . . . . . . . . . . . 96
6.5.2 EosFP to Probe Protein-Protein Interactions via FRET . . . . . . . 97
6.5.3 Estimation of EosFP Concentration in HEK293 Cells . . . . . . . . 101
6.6 Other Photoactivable Fluorescent Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.7 Spectral Properties of EosFP Variants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.8 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.8.1 Protonation State of the EosFP Chromophore . . . . . . . . . . . . 104
6.8.2 Vibronic Structure of EosFP Two-Photon Excitation Spectrum . . . 105
Outlook 107
Bibliography 109
Summary 127
Zusammenfassung 131
Achievements 135
Curriculum Vitae 137
Acknowledgments 139
IIIContents
IVList of Figures
0.1 Fluorescent proteins in life science research . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1 Native sources of fluorescent proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2 The structure of avGFP and its chromophore surrounding . . . . . . . . . . 9
1.3 Formation of GFP and dsRed chromophores . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 Resonance forms of the GFP chromophore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5 Autocatalytic basis of dsRed maturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6 Spectral properties of avGFP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.7 pH-dependence of GFP flickering dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1 Ground and excited states of a molecule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 Diagram of a two-photon excitation process . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1 Principle of a confocal system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2 Excitation volumes in the cases of TPE and OPE . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 Chemical structures of common dyes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4 Set of ACFs, presenting light-induced dynamics of eqFP611 . . . . . . . . . 32
4.1 Excitation Arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2 Microscope setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.3 Trans

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