Exzitonische Kopplung und delokalisierte Zustände in der Dynamik angeregter Zustände von Oligonukleotiden

• Antragstellerin: Dr. Andrea Lübcke
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 299331841

Die Funktion vieler unterschiedlicher Materialien wird durch die Wechselwirkung zwischen seinen einzelnen Bausteinen bestimmt. Die exzitonische Kopplung zwischen benachbarten Chromophoren ist Schlüssel zum Verständnis und zur Entwicklung von molekularer photonischer und elektronischer Bauteile. Sie kontrolliert den Energie- und Ladungstransfer zwischen einzelnen Monomeren. Im Rahmen dieses Projektes wird eine neue experimentelle Methode entwickelt, die die zeitaufgelöste Photoelektronenspektroskopie in Flüssigkeiten mit zirkularem Dichroismus verbindet und damit experimentell Zugang zur exzitonischen Kopplung in chiralen Molekülen ermöglicht. Diese Methode wird auf Einzelstrang-DNA/RNA-Bausteine in wässriger Lösung angewandt, um die Rolle delokalisierter Zustände (und insbesondere exzitonischer Zustände) für die Photostabilität dieser Moleküle zu untersuchen. Während die Photophysik der individuellen DNA-Basen verhältnismäßig gut verstanden ist, wirft die der DNA (als Einzel- wie auch als Doppelstrang) noch viele Fragen auf. Welcher Mechanismus führt dazu, dass die DNA und RNA so photostabil sind, und ist damit die Grundlage für die Entwicklung von Leben auf der Erde - insbesondere zu Zeiten, als die Ozonschicht noch nicht ausgebildet war? Warum treten photoinduzierte Schäden bevorzugt an speziellen Stellen in der DNA/RNA auf? Warum ist RNA photostabiler als DNA? Dies sind die zentralen Fragen, die im Rahmen dieses Projektes untersucht werden. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der zentralen Rolle, die delokalisierte Zustände für die Photophysik dieser Moleküle spielen. Die Untersuchungen werden an unterschiedlich langen DNA/RNA-Oligonukleotiden durchgeführt. Sowohl die elektronische Kopplung zwischen den einzelnen DNA/RNA-Basen als auch die Lebensdauer der optisch besetzten Frenkel-Exzitonen sind direkt aus der Messung erhältlich. Die Frenkel-Exzitonen zerfallen unter Bildung von Ladungstransferkomplexen, d. h., es kommt zur Ladungsseparation. Zeitaufgelöste Photoelektronenspektroskopie wird die elektronische Struktur dieser Ladungstransferzustände, deren räumliche Ausdehnung und zeitliche Entwicklung untersuchen. Basensequenzabhängige Ergebnisse erlauben Rückschlüsse auf die Schlüsselparameter in der Photorelaxation. Es wird die Rolle der delokalisierten Zustände ebenso wie der Einfluss bestimmter struktureller Parameter detailliert untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen