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Gegenstand dieser Arbeit ist die Simulation und Kontrolle der Wellenpaketdynamik von Kernspinisomeren mehratomiger Moleküle nach der Wechselwirkung mit statischen und zeitabhängigen Magnetfeldern beziehungsweise mit nicht-resonanten Laserpulsen moderater Feldstärke. Dabei wird im Speziellen die Anregung interner Rotationen und die Ausrichtung von Molekülen durch Manipulation ihrer Rotations- beziehungsweise Rotations-Torsions- Freiheitsgrade untersucht. In einer ausführlichen Einführung werden dazu im ersten Teil dieser Arbeit die theoretischen Methoden zur Identifikation von Kernspinisomeren und die Beschreibung ihrer Quantendynamik diskutiert. Insbesondere wird die Molekülsymmetriegruppe und das Symmetrisierungspostulat im Detail besprochen, anhand einiger Beispiele illustriert und um den Aspekt der Identifikation von Kernspinisomeren in externen Feldern erweitert. Im zweiten Teil der Dissertation wird zum einen am Beispiel des Nitromethans demonstriert, dass es mit Hilfe magnetischer Felder bei Berücksichtigung der dipolaren Kopplung möglich ist, unterschiedliche Kernspinisomere einer methylhaltigen chemischen Verbindung zu Rotationen mit entgegengesetztem Drehsinn anzuregen. Andererseits wird herausgearbeitet, dass auch hinsichtlich ihrer Ausrichtung verschiedene Kernspinisomere ein unterschiedliches Verhalten zeigen, wie hier anhand der Kernspinisomere des starren symmetrischen Kreisels Propadien und des starren asymmetrischen Kreisels Ethen und strukturverwandter Verbindungen illustriert wird. Für bestimmte Paare von Kernspinisomeren wird klar: Zeigt das eine Isomer Ausrichtung, zeigt das entsprechende Partner- Isomer Anti-Ausrichtung. Ein weiteres Ergebnis ist, dass sich je nach gewählter Pulsstärke nicht alle Isomere einer Verbindung mit gleicher Effizienz ausrichten lassen. Die Untersuchungen der Kernspinselektivität im Ausrichtungsverhalten von Molekülen sind nicht nur auf starre Moleküle beschränkt: Für Dibortetrafluorid, ein nicht-starres Molekül mit beobachtbarer Torsion im elektronischen Grundzustand, wird illustriert, dass sich Kernspinisomere einer Verbindung neben ihrer Rotationsdynamik auch in ihrer Torsionsdynamik unterscheiden - verschiedene Kernspinisomere haben nach der Wechselwirkung mit einem nicht-resonanten Laserpuls zu bestimmten Zeitpunkten eine unterschiedliche Molekülstruktur. Als eine mögliche Anwendung zur Nutzung der Kernspinselektivität der Quantendynamik von Molekülen nach Wechselwirkung mit nicht-resonanten Laserpulsen wird gezeigt, dass es mit Hilfe zweier zeitlich versetzter Laserpulse gelingt, die Kernspinisomere des Dibortetrafluorids in unterschiedlicher Weise zu gerichteten Bewegungen anzuregen. Als zweite Anwendung wird die Trennung von Isotopomeren besprochen. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion der verwendeten Modelle und einem knappen Ausblick, wie sich die hier erhaltenen Erkenntnisse nutzen lassen, um verschiedene Kernspinisomere voneinander zu trennen., In this thesis the wave packet dynamics of nuclear spin isomers of polyatomic molecules after interaction with static and time-dependent magnetic fields and moderate intense non-resonant laser pulses is investigated. In particular, the process of inducing (internal) molecular rotation as well as alignment of molecules by manipulating their rotational or rotational-torsional degrees of freedom is studied. In the first part of the thesis all theoretical concepts for identifying nuclear spin isomers and for describing their quantum dynamics will be discussed. Especially the symmetrization postulate and the molecular symmetry group will be introduced and illustrated for some examples of molecules. These concepts will be extended to the case of identifying nuclear spin isomers in the presence of an external field. In the second part it is shown for nitromethane that magnetic fields are able to induce unidirectional rotations in opposite directions for different nuclear spin isomers of molecules containing methyl groups if the dipolar interaction is included. Additionally, it is demonstrated that different nuclear spin isomers of a chemical compound may show different alignment after the interaction with a moderate intense laser pulse. As shown for the rigid symmetric top propadien and the rigid asymmetric tops ethene and analogues, distinct pairs of nuclear spin isomers show at certain points in time a complementary behavior: while one isomer is showing alignment the partner isomer is showing anti-alignment. Moreover, it is illustrated that not every nuclear spin isomer can be aligned equally efficient. The alignment of non-rigid molecules is considered as well. As an example for a molecule with feasible torsion in the electronic ground state, the alignment of diboron tetrafluoride is investigated. It becomes apparent that not only rotational but also the torsional dynamics of the molecules is nuclear spin selective; different nuclear spin isomers have at distinct points in time a complementary molecular structure. As an application of nuclear spin selective quantum dynamics, the possibility is explored how two laser pulses can be used for exciting directed motions differently for different nuclear spin isomers. Likewise, the separation of isotopomers is discussed. The thesis closes with a discussion of the models used here and an outlook on how the obtained results may be used to separate nuclear spin isomers.

Das Motorprotein Myosin-V transportiert intrazelluläre Stoffe unter ATP-Hydrolyse in diskreten, ungefähr 36 nm großen Schritten entlang von Aktinfilamenten. Um einen besseren Einblick in den chemomechanischen Zyklus dieses Motors zu bekommen, wurden in dieser Arbeit optische und mechanische Einzelmolekülexperimente an Myosin-V durchgeführt. Dazu wurde zuerst eine optische Pinzette in Verbindung mit einem „Total Internal Reflection Fluorescence“(TIRF)-Mikroskop konzipiert und aufgebaut. Ein neuartiger Kraft-Feedback erlaubte erstmals ganze Läufe des Motorproteins über mehrere Mikrometer und unter verschiedenen vorwärts- und rückwärtsgerichteten Kräften aufzuzeichnen. Das räumliche Auflösungsvermögen des neuen Feedbacks lag bei ~3 nm, die zeitliche Auflösung bei ~10 ms, wobei typischerweise Federkonstanten zwischen 0.02 pN/nm und 0.08 pN/nm verwendet wurden. Über das integrierte TIRF-Mikroskop mit zwei Anregungslasern konnten einzelne Cy3- bzw. Cy5-Fluorophore bei einer Konzentration bis zu 50 nM mit einer Zeitauflösung von ~100 ms und einer räumlichen Auflösung von ~20 nm ~10 s lang beobachtet werden. Eine zentrale Frage bei prozessiven Motoren ist, wie sich die beiden Arme beim Laufen koordinieren. Einerseits könnte es sich um eine sogenannte „Hand-über-Hand“-Bewegung handeln, bei der der hintere Arm nach vorne schwingt und zum vorderen Arm wird. Andererseits wurde eine Bewegung ähnlich einer Raupe vorgeschlagen, bei der der hintere Kopf an etwa die Position des vorderen gelangt und der vordere Kopf nach vorne ausweicht. In dieser Arbeit wurden Einzelmolekülfluoreszenz-Experimente durchgeführt, die das raupenähnliche Modell für Myosin-V ausschließen und das „Hand-über-Hand“-Modell bestärken. In weiteren Experimenten wurden mittels einer optischen Pinzette an einzelne, aktive Motorproteine verschiedene vorwärts- und rückwärtsgerichtete Kräfte angelegt. Dabei konnten erstmals ganze Läufe des Myosin-V im Mikrometerbereich aufgezeichnet und in Hinsicht auf Schrittweiten, Verweildauern, und Lauflängen untersucht werden. Die breiten Schrittweitenverteilungen zeigen, dass Myosin-V seine diskreten Schritte überraschend flexibel gestalten kann. Im Mittel ist die Periodizität des Aktinfilaments von ungefähr 36 nm aber in weiten Kraftbereichen gut reproduziert. Erst bei Kräften sehr nahe der Anhaltekraft zeigen die Schrittweitenverteilungen einen Einbruch hin zu kleineren Schritten. Die Analyse der Verweildauern ergibt zwei kraftabhängige Ratenkonstanten, die mit ADP-Loslösen und dem diffusiven Suchen der Motordomäne nach der Bindungstasche am Aktin identifiziert werden können. Die limitierende Ratenkonstante ADP-Loslösen ist dabei nur schwach kraftabhängig, während die Ratenkonstante für das diffusive Suchen der Motordomäne nach der Bindungstasche am Aktin stärker kraftabhängig ist. Diese Kraftabhängigkeiten lassen Rückschlüsse auf die mit den Ratenkonstanten verbundene Bewegung des Moleküls zu. Dabei ergibt sich, dass mit ADP-Loslösen keine nennenswerte Bewegung des Moleküls einhergeht, während das diffusive Suchen mit einer charakteristischen Distanz von ~3 nm verbunden ist. Zur Erklärung dieser Ergebnisse und für weitere Einblicke in den chemomechanischen Zyklus werden einige analytische Abschätzungen gemacht, bei denen die Arme des Myosin-V als elastische, am Aktin eingespannte oder drehbar gelagerte Balken mit angreifendem Drehmoment behandelt werden. Die experimentell bestimmten Lauflängenverteilungen zeigen ein einfachexponentielles Verhalten, wobei die Lauflängen mit einer charakteristischen Länge von etwa 10 Schritten weitgehend kraftunabhängig sind. Bei diesen Experimenten wurde weiterhin untersucht, wie sich Myosin-V, das in vivo beim Melanosomentransport zusammen mit sehr viel stärkeren Motoren wie Kinesinen gefunden wurde, bei Kräften weit über der Anhaltekraft verhält. Bei hohen Rückwärtskräften zeigt sich ein neues Phänomen. Myosin-V führt mehrere, aufeinander folgende Rückwärtsschritte aus, was darauf schließen läßt, dass externe Kräfte den mechanischen Schlag des Moleküls umkehren können. The motor protein Myosin-V transports intracellular particles in discrete steps that are app. 36 nm long along actin filaments while hydrolysing ATP. To gain a better insight into the chemo-mechanical cyle of this motor, optical and mechanical single molecule experiments were performed in this PhD work. To perform these experiments an optical tweezers setup in combination with a “Total Internal Reflection Fluorescence”(TIRF)-microscope was first planed and built. A new long range force feedback allowed the oberservation of full runs of Myosin-V under different forward and backward forcesfor the first time. The spacial resolution was ~3 nm, the time resolution ~10 ms and the spring constants typically used were between 0.02 and 0.08 pN/nm. Single Cy3- and Cy5-fluorophores with a concentration up to 50 nM could be observed for around 10 s with a time resolution of ~100 ms and a spacial resolution of ~20 nm by the integrated two colored TIRF-microscope. One of the central questions of processive motors is “how does the two lever arm coordinate?”. There are two proposed mechanisms. First, a so-called “hand-over-hand”-movement occurs. This means the rear head swings in front and becomes the leading head. In the second proposed mechanism an inchworm like movement occurs. In this mechanism the rear head reaches the position of the leading head and the leading head moves forward. The single molecule fluorescence experiments described in this thesis disprove the inchworm model but are consistent with the “hand-over-hand”-model. Experiments in which different forward and backward forces where applied on single, active motor proteins by using optical tweezers, provided insight into the chemo-mechanical cycle. For the first time full runs of Myosin-V in the micrometer range were described and analyzed with respect to step sizes, dwell times and run length. This analysis shows that Myosin-V does not have only one step size but demonstrates a broad distribution of step sizes. However, in average the actin helix periodicity of around 36 nm is well reproduced using a wide range of forces. Only at forces very near to the stall force, the step size distribution shifts to a smaller size. Analysis of the dwell times gives two force dependent rates, which can be identified as ADP-release and the diffusive search of the motor domain for the actin-binding site. The limiting rate ADP-release is only weakly depentent on the force, the diffusive search of the motor domain for the actin-binding site shows a stronger dependence on the force. >From the force dependences one can draw conclusions about the molecule movement associated with the rates. As a result ADP-release is not associated with an appreciable movement of the molecule. In contrast the diffusive search is related to a characteristic distance of ~3nm. To explain these results and to gain further insight into the chemo-mechanical cycle a couple of analytical estimates are made. In this estimates the lever arms of the Myosin-V are modelled as clamped or pivoted elastic rods at the actin filament, which are then affected by a torque. The experimentally observed run length distributions show a single exponential behavior. With a characteristic run length of around 10 steps the run length is largely independent of the load. Further more the behavior of Myosin-V, which co-localizes in the context of melanosome transport with much stronger motors like kinesin, was observed under superstall forces. At high backward forces a new phenomenon was observed, Myosin-V runs backwards, indicating a force-driven reversal of the power-stroke is possible.

The atomic force microscope (AFM) and optical tweezers are tools that allow single biomolecules to be imaged and manipulated. Progress in instrumentation, sample preparation, and image acquisition conditions make novel applications of these tools possible. Biological membranes can be imaged in their native state at a lateral resolution of 0.4–1 nm and a vertical resolution of 0.1–0.2 nm. Function-related conformational changes are resolved to a similar resolution, complementing atomic structure data acquired by other methods. The unique capability of the AFM to observe single proteins directly allows the interaction of proteins forming functional assemblies to be assessed. Single molecule force spectroscopy combined with single molecule imaging provides unprecedented possibilities to analyze intra- and intermolecular forces. Optical tweezers expand the range of measurable forces to those produced by molecular motors. Combined with fluorescence measurements, optical tools give insights into fundamental biological processes such as the molecular conversion of chemical into mechanical energy.

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