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Die vorliegende Arbeit mit dem Titel Multiphoton Processes and Photocontrol of Biochemical Reaction Pathways befasst sich mit verschiedenen Strategien zur Implementierung von optischer Kontrolle in biochemisch relevanten Systemen. Auf systemischer Ebene wurde einerseits die Licht-getriebene Natriumpumpe Krokinobacter Eikastus Rhodopsin 2 (KR2) vor dem Hintergrund optogenetischer Anwendungen untersucht, und andererseits die Optimierung der wichtigsten photochemischen Parameter von photolabilen Schutzgruppen (PPG, engl. photolabile protecting group) angestrebt. Von der technisch-photophysikalischen Seite wurde ein weiterer Fokus auf den Aktivierungs- und Deaktivierungsschritt gelegt. Hierbei wurden vor allem Mehrphotonen-Prozesse betrachtet, die entweder durch simultane Absorption zweier Photonen zu einer spezifischen hoch-energetischen Anregung führen, oder durch sequentielle Absorption eine sukzessive Aktivierung und Deaktivierung eines Systems bewerkstelligen können. Auch wenn der Schwerpunkt dieser schriftlichen Arbeit auf den spektroskopischen Ergebnissen liegt, waren alle hier diskutierten Projekte stark kollaborativ und umfassten eine große Bandbreite verschiedener Techniken. Dies spiegelt den interdisziplinären Charakter vieler aktueller Fragestellungen in der photochemischen Forschung wider, die - in vielen Fällen - letztlich auf medizinische oder pharmazeutische Fortschritte abzielen. Zunächst wurde die lichtgetriebene Natriumpumpe KR2 untersucht, die durch ihre mögliche Anwendung als optogenetisches Werkzeug bekannt wurde. In einer vergleichenden Studie der Natrium- und Protonenpumpmodi von KR2 konnten wichtige mechanistische Prinzipien für die Funktionalität des Proteins identifiziert werden. Dazu gehört die direkte Beteiligung spezifischer Strukturmerkmale wie die Aminosäure N112 und/oder der ECL1-Domäne am Ionen-Translokationsweg, sowie das enge Zusammenspiel zwischen dem Retinal und seinem Gegenion D116. Gleichzeitig bot diese IR-Studie einen der ersten

In the development of photolabile protecting groups, it is of high interest to selectively modify photochemical properties with structural changes as simple as possible. In this work, knowledge of fluorophore optimization was adopted and used to design new coumarin- based photocages. Photolysis efficiency was selectively modulated by inactivating competitive decay channels, such as twisted intramolecular charge transfer (TICT) or hydrogen-bonding, and the photolytic release of the neurotransmitter serotonin was demonstrated. Structural modifications inspired by the fluorophore ATTO 390 led to a significant increase in the uncaging cross section that can be further improved by the simple addition of a double bond. Ultrafast transient absorption spectroscopy gave insights into the underlying solvent-dependent photophysical dynamics. The chromophores presented here are excellently suited as new photocages in the visible wavelength range due to their simple synthesis and their superior photochemical properties.

Krokinobacter eikastus rhodopsin 2 (KR2) is a light-driven pentameric sodium pump. Its ability to translocate cations other than protons and to create an electrochemical potential makes it an attractive optogenetic tool. Tailoring its ion pumping characteristics by mutations is therefore of great interest. In addition, understanding the functional and structural consequences of certain mutations helps to derive a functional mechanism of ion selectivity and transfer of KR2. Based on solid-state NMR spectroscopy, we report an extensive chemical shift resonance assignment of KR2 within lipid bilayers. This data set was then used to probe site-resolved allosteric effects of sodium binding, which revealed multiple responsive sites including the Schiff base nitrogen and the NDQ motif. Based on this data set, the consequences of the H180A mutation are probed. The mutant is silenced in the presence of sodium while in its absence, proton pumping is observed. Our data reveal specific long-range effects along the sodium transfer pathway. These experiments are complemented by time-resolved optical spectroscopy. Our data suggest a model in which sodium uptake by the mutant can still take place, while sodium release and backflow control are disturbed.