@phdthesis{Berg2015,
  author    = {Florian Berg},
  title     = {Rasterkraftmikroskopische Untersuchungen zu den Effekten reaktiver Sauerstoffspezies auf organische Monoschichten und DNS-Molek{\"u}le},
  journal    = {Atomic force microscopic studies of the effects of reactive oxygen species on organic monolayers and DNA molecules},
  url       = {https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-002216-2},
  year      = {2015},
  abstract  = {In der vorliegenden Arbeit wurde die Wechselwirkung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) mit organischen Molek{\"u}len anhand zweier unterschiedlicher Systeme analysiert. W{\"a}hrend einerseits der Einfluss von ROS auf eine organische Monoschicht am Beispiel des synthetischen, kationischen Polyelektrolyten Polyethylenimin (PEI) untersucht wurde, stand andererseits die Wechselwirkung von ROS mit einem DNS-Molek{\"u}l, dem Biopolyelektrolyten pBR322 im Fokus des Interesses. F{\"u}r die Untersuchungen der ROS-PEI-Wechselwirkung wurde zun{\"a}chst verzweigtes PEI flach (RMS-Rauigkeit < 1 nm) auf einem Silizium-Substrat adsorbiert. Mit Hilfe der Fenton-Reaktion wurde die PEI-Monoschicht dem Einfluss von ROS ausgesetzt. Anhand von Kraft-Abstands-Kurven (KAK) konnte gezeigt werden, dass die flache Konformation der PEI-Monoschicht nach dem ROS-Einfluss erhalten bleibt. Des Weiteren konnte mittels Adsorption negativ geladener Gold-Nanopartikel (AuNP) demonstriert werden, dass die PEI-Oberfl{\"a}che auch nach der Wechselwirkung mit ROS positiv geladene Gruppen enth{\"a}lt. Dar{\"u}ber hinaus konnte mit Hilfe der KAK gezeigt werden, dass sowohl die Oberfl{\"a}chenladungsdichte (OFL) als auch das Oberfl{\"a}chenpotential (OFP) unter ROS-Einfluss um einen Faktor 0,5 reduziert wurden. Es wurde gezeigt, dass die Reduzierung von OFL bzw. OFP auf die Abspaltung positiv geladener Gruppen der PEI-Monoschicht zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden kann. Mit Hilfe der dreidimensionalen Kraftspektroskopie wurde gezeigt, dass OFL und OFP auf einer L{\"a}ngenskala von 1,8 bis 30 µm lateral homogen sind. Dar{\"u}ber hinaus wurde anhand der AuNP-Belegungsdichte demonstriert, dass die Ladungstr{\"a}ger innerhalb der PEI-Oberfl{\"a}che auf einer L{\"a}ngenskala oberhalb von 36 nm homogen verteilt sind. Hinsichtlich kleiner L{\"a}ngenskalen (< 36 nm) kann konstatiert werden, dass aufgrund einer verz{\"o}gerten Adsorptionskinetik der AuNP nach der ROS-PEI-Wechselwirkung mit einer partiell reduzierten Bindungswahrscheinlichkeit zu rechnen ist. Vermutlich bewirkt der ROS-Einfluss eine inhomogene Verteilung der positiven Ladungstr{\"a}ger innerhalb der PEI-Monoschicht auf einer L{\"a}ngenskala von einigen nm. Experimentell ergibt sich dar{\"u}ber hinaus, dass eine 50 \%ige Reduzierung des PEI-Oberfl{\"a}chenpotentials einer Abnahme von etwa 10 \% der maximalen, anteiligen AuNP-Belegungsdichte entspricht. Diese experimentell bestimmten Parameter konnten unter Einbeziehung eines erweiterten drei-K{\"o}rper RSA-Modelles erkl{\"a}rt werden. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Methode der Quantifizierung ROS-induzierter DNS-Sch{\"a}den eingef{\"u}hrt. Dazu wurden die DNS-Molek{\"u}le zun{\"a}chst mittels Fenton-Reaktion dem Einfluss von ROS ausgesetzt, auf Polyallylamin-Hydrochlorid-funktionalisiertem Glimmer adsorbiert und mittels des RKM im intermittierenden Modus (RKM-IM) abgebildet. Die Klassifizierung der DNS-Molek{\"u}le erfolgt unter Ber{\"u}cksichtigung des Kettenh{\"o}henunterschiedes von doppelstr{\"a}ngiger- (dsDNS) und einzelstr{\"a}ngiger (esDNS) DNS. Als ROS-induzierter DNS-Schaden wird hierbei der Konformations{\"u}bergang von dsDNS (intakt) in esDNS (defekt) identifiziert. Die zentrale Messgr{\"o}{\"s}e der vorgestellten Methode ist demnach die DNS-Kettenh{\"o}he, welche sich im Falle immobilisierter DNS-Molek{\"u}le mit einer Genauigkeit im Sub-{\AA}ngstr{\"o}m-Bereich mit Hilfe des RKM-IM bestimmen l{\"a}sst. F{\"u}r die automatisierte Quantifizierung der Fl{\"a}chen, welche mit dsDNS respektive esDNS belegt sind, wurde ein H{\"o}hengrenzwert-basierter Auswertungs-Algorithmus konstruiert. Neben der Variation der St{\"a}rke der ROS-DNS-Wechselwirkung mittels verschiedener H2O2-Konzentrationen innerhalb der Fenton-Reaktion, wurde der Einfluss eines Radikalf{\"a}ngers am Beispiel des Natriumacetats (NaOAc) auf diese Wechselwirkung untersucht. Mit der Quantifizierung der ROS-DNS-NaOAc-Wechselwirkung wurde gezeigt, dass der anteilige DNS-Schaden mit wachsender H2O2-Konzentration zunimmt und mit steigender NaOAc-Konzentration abnimmt. Dar{\"u}ber hinaus wurde die Anwendbarkeit der in dieser Arbeit eingef{\"u}hrten Quantifizierung ROS-induzierter DNS-Sch{\"a}den mit Hilfe eines reaktionskinetischen Ansatzes unter Verwendung des Modelles der kompetitiven Hemmung analysiert. Auf diese Weise wurden Ratenkonstanten der Wechselwirkung zwischen NaOAc mit Hydroxylradikalen verifiziert und somit die Validit{\"a}t des eingef{\"u}hrten Konzeptes demonstriert. Des Weiteren erm{\"o}glicht die automatisierte Datenanalyse einen vergleichsweise hohen Datendurchsatz und eignet sich daher gut f{\"u}r die Untersuchung der komplexen Wechselwirkung zwischen ROS, Radikalf{\"a}nger und DNS. Anhand eines Vergleiches mit den etablierten Methoden zur Quantifizierung ROS-induzierter DNS-Sch{\"a}den ergibt sich unter Einbeziehung des, in dieser Arbeit eingef{\"u}hrten Analyseverfahrens, ein komplement{\"a}res Verst{\"a}ndnis der ROS-DNS-Wechselwirkung {\"u}ber einen gro{\"s}en L{\"a}ngenskalenbereich.},
  language  = {de}
}