A novel approach for determining environment-specific protein costs: the case of Arabidopsis thaliana

Motivation: Comprehensive understanding of cellular processes requires development of approaches which consider the energetic balances in the cell. The existing approaches that address this problem are based on defining energy-equivalent costs which do not include the effects of a changing environment. By incorporating these effects, one could provide a framework for integrating ‘omics’ data from various levels of the system in order to provide interpretations with respect to the energy state and to elicit conclusions about putative global energy-related response mechanisms in the cell

Studies of dynamical processes on DNA-based molecular structures

In dieser Arbeit wird das Design und die Herstellung verschiedener DNA-Strukturen besprochen. Die Strukturen basieren auf dem Prinzip der DNA-Origami-Technik, bei der ein langes, einzelsträngiges DNA-Molekül mit Hilfe hunderter kurzer kom- plementärer Oligomere in beliebige Formen gefaltet wird. Die daraus resultieren- den supermolekularen Strukturen werden anschließend durch Einzelmolekültechni- ken wie Rasterkraftmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie und optische Super-Auflösungsmikroskopie charakterisiert. Des weiteren beinhaltet diese Studie zwei Anwendungen, in denen DNA-Origami- Strukturen als Plattform für dynamische DNA-basierte Nanosysteme dienen. In der ersten Anwendung werden flache Origami-Strukturen mit lithographisch fabrizier- ten Gittermustern kombiniert und bilden so ein Mikrogitter auf Einzelmolekülbasis. Das Mikrogitter erlaubt das parallele und automatisierte Auslesen von Daten und ermöglicht die Einzelmolekülstudie von DNA-Strangverdrängungsreaktionen. An- hand dieser Kombination wurde ein reversibler Schaltmechanismus auf dem Gitter implementiert, der durch ein intrinsisches stochastisches Verhalten gekennzeichnet ist. Die zweite Studie zielt darauf ab, ein Läufer-Track-System nach dem Vorbild der Natur zu imitieren, dessen Antrieb nur auf thermischer Energie und räumlich begrenzter Brownscher Bewegung basiert. Die Läufer, die aus DNA oder Quanten- punkten bestehen, binden schwach und nur vorübergehend an polymerisierte DNA- Origami-Filamente und ermöglichen somit die lineare diffusive Bewegung entlang der Filamente. Die Kolokalisation und diffusive Bewegung wird nach der Aufnahme mittels super-aufgelöster Einzelmolekülbildrekonstruktion analysiert.In this work, the design and construction process is shown for various DNA struc- tures mainly based on the principle of the DNA origami technique. Here, a long single-stranded (genomic) DNA molecule is folded into arbitrary shapes using hun- dreds of short complementary staple strands. The resulting supramolecular structu- res are characterized using single molecule techniques like atomic force microscopy, transmission electron microscopy and optical super-resolution microscopy. The study comprises two applications where the DNA origami structures serve as a platform for dynamic DNA based nanosystems. In the first application, flat origami sheets are combined with lithographically arranged patterns to form a single molecule microarray. The array allows for parallelized and automated data read-out and offers the ability to study toehold-mediated strand displacement reactions on a single molecule level. This combination enables the implementation of a reversible switching mechanism, which shows intrinsic stochastic behavior. The second study attempts to mimic walker-track systems known from nature only by using thermal energy and confined Brownian motion. To this end walker structures built from either DNA or quantum dots are bound weakly and transiently to polymerized DNA origami filaments, which allows for linear diffusive motion along these tracks. Co-localization and diffusive motion is recorded and analyzed by means of single molecule super-resolution based image reconstruction