Using photoinduced charge transfer reactions to study conformational dynamics of biopolymers at the single-molecule level

Current Pharmaceutical Biotechnology

Volumn 5, Issue 3, 2004, Pages 285-298

  Neuweiler, Hannes ^a   Sauer, M ^a  

^a BIELEFELD UNIVERSITY   (Germany)

Author keywords

Conformational dynamics; DNA hairpins; PET biosensors; Photoinduced electron transfer; Protein folding; Single molecule spectroscopy

Indexed keywords

AMINO ACID; BIOPOLYMER; DNA; FLUORESCENT DYE; NANOPARTICLE; NUCLEOTIDE;

BIOSENSOR; CHEMICAL BINDING; CHEMICAL REACTION; CONFORMATIONAL TRANSITION; ELECTRON; FLUORESCENCE RESONANCE ENERGY TRANSFER; LIGHT; MEASUREMENT; MOLECULAR DYNAMICS; MOLECULE; MONITORING; PROTEIN FOLDING; SENSITIVITY AND SPECIFICITY; SHORT SURVEY; SIMULATION;

BIOPOLYMERS; DNA; ELECTRON TRANSPORT; FLUORESCENCE RESONANCE ENERGY TRANSFER; MOLECULAR BIOLOGY; MOLECULAR CONFORMATION; NUCLEIC ACID CONFORMATION; PHOTOCHEMISTRY; PROTEINS;

EID: 3042538758     PISSN: 13892010     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.2174/1389201043376896     Document Type: Short Survey

References (122)

1. Anfinsen, C.; Haber, E.; Sela, M. and White, F. H. (1961) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 47, 1309-1314.
2. Eaton, W. A.; Munoz, V.; Thompson, P. A.; Henry, E. R. and Hofrichter, J. (1998) Acc. Chem. Res., 31, 745-753.
3. Eaton, W. A.; Munoz, V.; Hagen, S. J.; Jas, G. S.; Lapidus, L. J.; Henry, E. R. and Hofrichter, J. (2000) Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct., 29, 327-359.
4. Bryngelson, J. D. and Wolynes, P. G. (1987) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 84, 7524-7528.
5. Bryngelson, J. D.; Onuchi, J. N.; Socci, N. D. and Wolynes, P. G. (1995) Proteins: Struct. Funct. Genet., 21, 167-195.
6. Shakhnovich, E. I. (1997) Curr. Opin. Struct. Biol., 7, 29-40.
7. Matthews, C. R. (1993) Annu. Rev. Biochem., 62, 653-683.
8. Ptitsyn, O. B. (1995) Adv. Prot. Chem., 47, 83-229.
9. Chan, C. K.; Hu, Y.; Takahashi, S.; Rousseau, D. L.; Eaton, W. A. and Hofrichter, J. (1997) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 94, 1779-1784.
10. Yeh, S. R.; Hans, S. and Rousseau, D. L. (1998) Acc. Chem. Res., 31, 727-736.
11. Sabelko, J.; Ervin, J. and Gruebele, M. (1999) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96, 6031-6036.
12. Thompson, P. A.; Eaton, W. A. and Hofrichter, J. (1997) Biochemistry, 36, 9200-9210.
13. Telford, J. R.; Wittung-Stafshede, P.; Gray, H. B. and Winkler, J. R. (1998) Acc. Chem. Res., 31, 755-763.
14. Goldbeck, R. A.; Thomas, J. G.; Chen, E.; Esquerra, R. M. and Kliger, D. S. (1999) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96, 2762-2787.
15. Betzig, E. and Chichester, R. J. (1993) Science, 262, 1422-1425.
16. Nie, S. M.; Chiu, D. T. and Zare, R. N. (1994) Science, 266, 1018-1021.
17. Macklin, J. J.; Trautman, J. K.; Harris, T. D. and Brus, L. E. (1996) Science, 272, 255-258.
18. Weston, K. D.; Carson, P. J.; Metiu, H. and Buratto, S. K. (1998) J. Chem. Phys., 109, 7474-7485.
19. Bopp, M. A.; Jia, Y. W.; Li, L. Q.; Cogdell, R. J. and Hochstrasser, R. M. (1997) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 94, 10630-10635.
20. Tinnefeld, P.; Buschmann, V.; Herten, D. P.; Han, K.-T. and Sauer, M. (2000) Single Mol., 1, 215-223.
21. Ying, L. M. and Xie, X. S. (1998) J. Phys. Chem. B, 102, 10399-10409.
22. Weston, K. D.; Carson, P. J.; DeAro, J. A. and Buratto, S. K. (1999) Chem. Phys. Lett., 308, 58-64.
23. Veerman, J. A.; Garcia-Parajo, M. F.; Kuipers, L. and van Hulst, N. F. (1999) Phys. Rev. Lett., 83, 2155-2158.
24. Lu, H. P. and Xie, X. S. (1997) Nature, 385, 143-146.
25. Ha, T.; Enderle, T.; Chemla, D. S.; Selvin, P. R. and Weiss, S. (1997) Chem. Phys. Lett., 271, 1-5.
26. Tinnefeld, P.; Herten, D. P. and Sauer, M. (2001) J. Phys. Chem. A, 105, 7989-8003.
27. Ha, T.; Enderle, T.; Chemla, D. S.; Selvin, P. R. and Weiss, S. (1996) Phys. Rev. Lett., 77, 3979-3982.
28. Weston, K. D. and Goldner, L. S. (2001) J. Phys. Chem. B, 105, 3453-3462.
29. Deschenes, L. A. and Vanden Bout, D. A. (2001) Science, 292, 255-258
30. Weiss, S. (1999) Science, 283, 1676-1683.
31. Weiss, S. (2000) Nat. Struct. Biol., 7(9), 724-729.
32. Wolynes, P. G. (1997) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 94, 6170-6175.
33. Hanbury-Brown, R. and Twiss, R. Q. (1956) Nature, 177, 27-29.
34. Basché, T.H.; Mperner, W. E.; Oritt, M. and Talon, H. (1992) Phys. Rev. Lett., 69, 1516-1519.
35. Fleury, L.; Segura, J.-M.; Zumofen, G.; Hecht, B. and Wild, U. P. (2000) Phys. Rev. Lett., 84, 1148-1151.
36. Neuweiler, H.; Schulz, A.; Böhmer, M.; Enderlein, J. and Sauer, M. (2003) J. Am. Chem. Soc., 125, 5324-5330.
37. Piestert, O.; Buschmann, V.; Heinlein, T.; Knemeyer, J. P.; Weston, K. D. and Sauer, M. (2003) Nano Lett., 3(7), 979-982.
38. Förster, Th. (1948) Annalen der Physik, 2, 55-75.
39. Förster, Th. (1968) in Modern Quantum Chemistry (Sinanoglu, O., Ed.), Academic Press, New York, pp. 93.
40. Dale, R. E.; Eisinger, J. and Blumberg, W. E. (1979) Biophys. J., 26, 161-194.
41. Stryer, L. and Haugland, R. P. (1967) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 58, 719-730.
42. Stryer, L. (1978) Ann. Rev. Biochem., 47, 819-846.
43. ] Veatch, W. and Stryer, L. (1977) J. Mol. Biol., 113, 89-102.
44. Szöllosi, J.; Damjanovich, S. and Mátyus L. (1998) Cytometry, 34, 159-179.
45. Stühmeier, F.; Welch, J. B.; Murchie, A. I. H.; Lilley, D: M. J. and Clegg, R. M. (1997) Biochemistry, 36, 13530-13538.
46. Parkhurst, K. M.; Brenowitz, M. and Parkhurst, L. J. (1996) Biochemistry, 35, 7459-7465.
47. Tuschl, T. C.; Gohlke, T. M.; Jovin, E.; Westhofand, E. and Eckstein, F. (1994) Science, 266, 785-766.
48. Selvin, P. (2000) Nature Struct. Biol., 7, 730-734.
49. Tsien, R. Y. (1998) Annu. Rev. Biochem., 67, 509-544.
50. Dietrich, A.; Buschmann, V.; Müller, C. and Sauer, M. (2002) Rev. Mol. Biotechnology, 82, 211-231.
51. Ha, T. (2001) Methods, 25, 78-86.
52. Ha, T.; Enderle, T.; Ogletree, D. F.; Chemla, D. S.; Selvin, P. R. and Weiss, S. (1996) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 93, 6264-6268.
53. Ha, T.; Ting, A. Y.; Liang, J.; Caldwell, W. B.; Deniz, A. A.; Chemla, D. S.; Schultz, P. G. and Weiss, S. (1999) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96, 893-898.
54. Ha, T.; Zhuang, X.; Kim, H. D.; Orr, J. W.; Williamson, J. R. and Chu, S. (1999) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96, 9077-9082.
55. Jia, Y.; Talaga, D. S.; Lau, W. L.; Lui, H. S. M.; DeGrado, W. F. and Hochstrasser, R. M. (1999) Chem. Phys., 247, 69-83.
56. Ishii, Y.; Yoshida, T.; Funatsu, T.; Wazawa, T. and Yanagida., T. (1999) Chem. Phys., 247, 163-173.
57. Deniz, A. A.; Laurence, T. A.; Beligere, G. S.; Dahan, M.; Martin, A. B.; Chemla, D. S.; Dawson, P. E.; Shultz, P. G. and Weiss, S. (2000) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 97, 5179-5184.
58. Schuler, B.; Lipman, E. A. and Eaton, W. A. (2002) Nature, 419, 743-747.
59. Deniz, A.A.; Dahan, M.; Grunwell, J. R.; Ha, T.; Faulhaber, A. E.; Chemla, D. S.; Weiss, S. and Schultz, P.G. (1999) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96, 3670-3675.
60. Sauer, M.; Drexhage, K. H.; Lieberwirth, U.; Müller, R.; Nord, S. and Zander, C. (1998) Chem. Phys. Lett., 284, 153-163.
61. Eggeling, C.; Fries, J. R.; Brand, L.; Günther, R. and Seidel, C. A. M. (1998) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 95, 1556-1561.
62. Osborne, M. A.; Barnes, C. L.; Balasubramanian, S. and Klenerman, D. (2001) J. Phys. Chem. B, 105, 3120-3126.
63. Talaga, D. S.; Lau, W. L.; Roder, H.; Tang, J.; Jia, Y.; DeGrado, W. F. and Hochstrasser, R. M. (2000) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 97, 13021-13026.
64. Rhoades, E.; Gussakovsky, E. and Haran, G. (2003) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 100, 3197-3202.
65. Bonnet, G.; Krichevsky, O. and Libchaber, A. (1998) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 95, 8602-8606.
66. Goddard, N. L.; Bonnet, G.; Krichevsky, O. and Libchaber, A. (2000) Phys. Rev. Lett., 85, 2400-2403.
67. Wallace, M. I.; Ying, L.; Balasubramanian, S. and Klenerman, D. (2001) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 98, 5584-5589.
68. Tyagi, S. and Kramer, F. R. (1996) Nature Biotech., 14, 303-308.
69. Zhuang, X.; Bartley, L. E.; Babcock, R. R.; Ha, T.; Herschlag, D. and Chu, S. (2000) Science 288, 2048-2051.
70. Ruiter, A. G. T.; Veerman, J. A.; Garcia-Parajo, M. F. and van Hulst, N. F. (1997) J. Phys. Chem. A, 101, 7318-7323.
71. Bartko, A. P. and Dickson, R. M. (1999) J. Phys. Chem. B, 103, 11237-11241.
72. English, D. S.; Furube, A. and Barbara, P. F. (2000) Chem. Phys. Lett., 324, 15-19.
73. English, D. S.; Harbron, E. J. and Barbara, P. F. (2000) J. Phys. Chem. A, 104, 9057-9061.
74. Yip, W. T.; Hu, D.; Yu, J.; Vanden Bout, D.A. and Barbara, P.F. (1998) J. Phys. Chem. A, 102, 7564-7575.
75. Blum, C.; Stracke, F.; Becker, S.; Müllen, K. and Meixner, A. J. (2001) J. Phys. Chem. A, 105, 6983-6990.
76. Widengren, J. and Schwille, P. (2000) J. Phys. Chem. A, 104, 6416-6428.
77. Vosch, T.; Hofkens, J.; Cotlet, M.; Köhn, F.; Fujiwara, H.; Gronheid, R.; Van Der Biest, K.; Weil, T.; Herrmann, A.; Müllen, K.; Mukamel, S.; Van der Auweraer, M. and De Schryver, F. (2001) Angew. Chem. Int. Ed., 40, 4643-4648.
78. Tinnefeld, P.; Buschmann, V.; Weston, K. D. and Sauer, M. (2003) J. Phys. Chem. A, 107, 323-327.
79. Tinnefeld, P., Weston, K. D., Vosch, T., Cotlet, M., Hofkens, J.; De Schryver, F. and Sauer, M. (2002) J. Am. Chem. Soc., 124, 14310-14311.
80. Vosch, T.; Cotlet, M.; Hofkens, J.; Van der Biest, K.; Lor, M.; Weston, K. D.; Tinnefeld, P.; Sauer, M.; Latterini, L.; Müllen, K. and De Schryver, F. (2003) J. Phys. Chem. A, 107, 6920-6931.
81. Hofkens, J.; Cotlet, M.; Vosch, T.; Tinnefeld, P.; Weston, K. D.; Sauer, M.; Ego, C.; Müllen, K. and De Schryver, F. (2003) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, (in press).
82. Rehm, D. and Weller, A. (1970) Isr. J. Chem., 8, 259-271.
83. Marcus, R. A. and Sutin, N. (1985) Biochim. Biophys. Acta, 811, 265-322.
84. Lewis, F. D.; Letsinger, R. L. and Wasielewski, M. R. (2001) Acc. Chem. Res., 34, 159-170.
85. Jones I., G.; Lu, L. N.; Fu, H.; Farahat, C. W.; Oh, C.; Greenfield, S. R.; Gosztola, D. J. and Wasielewski, M. R. (1999) J. Phys. Chem. B, 103, 572-581.
86. Adams, D. M. (2003) J. Phys. Chem. B, 107, 6668-6697.
87. Weller, A. (1982) Z. Phys. Chem. Neue Folg., 133, 93-97.
88. Zhong, D. and Zewail, A. A. (2001) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 98, 11867-11872.
89. Zhong, D. and Zewail, A. A. (2001) Proc. Natl. Acad. Sci USA, 98, 11873-11878.
90. Chattopadhyay, K.; Saffarian, S.; Elson, E. L. and Frieden, C. (2002) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 99, 14171-14176.
91. Watt, R. M. and Voss, E. W. (1977) Mechanism of quenching of fluorescein by anti-fluorescein IgG antibodies. Immunochem., 14, 533-541.
92. Marmé, N.; Knemeyer, J. P.; Sauer, M. and Wolfrum, J. (2003), Bioconjugate Chem., (in press).
93. Hagen, J. S.; Hofrichter, J.; Szabo, A. and Eaton, W. A. (1996) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 93, 11615-11617.
94. McGimpsey, W. G.; Chen, L.; Carraway, R. and Samaniego W. N. (1999) J. Phys. Chem. A, 103, 6082-6090.
95. Lapidus, L. J.; Eaton, W. A. and Hofrichter, J. (2000) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 97, 7220-7225.
96. Lapidus, L. J.; Eaton, W. A. and Hofrichter, J. (2002) J. Mol. Biol., 319, 19-25.
97. Nau, W. M. and Wang, X. (2002) Chem. Phys. Chem., 3, 393-398.
98. Hudgins, R. R.; Huang, F.; Gramlich, G. and Nau, W. M. (2002) J. Am. Chem. Soc., 124, 556-564.
99. Huang, F. and Nau, W. M. (2003) Angew. Chem. Int. Ed., 42, 2269-2272.
100. Sauer, M.; Han, K. T.; Müller, R.; Nord, S.; Schulz, A.; Seeger, S.; Wolfrum, J.; Arden-Jacob, J.; Deltau, G.; Marx, N. J.; Zander, C. and Drexhage, K. H. (1995) J. Fluoresc., 5, 247-261.
101. Knemeyer, J. P.; Marmé, N. and Sauer, M. (2000) Anal. Chem., 72, 3717-3724.
102. Heinlein, T.; Knemeyer, J. P.; Piestert, O. and Sauer, M. (2003) J. Phys. Chem. B, 107, 7957-7964.
103. Vaiana, A. C.; Neuweiler, H.; Schulz, A.; Wolfrum, J.; Sauer, M.; Smith, J. C. (2003) J. Am. Chem. Soc., in press.
104. Neuweiler, H., Schulz, A., Vaiana, A. C., Smith, J. C., Kaul, S., Wolfrum, J., Sauer, M. (2002) Angew. Chem. Int. Ed., 41, 4769-4773.
105. Wagenknecht, H. A.; Stemp, E. D. A. and Barton, J. K. (2000) J. Am. Chem. Soc, 122, 1-7.
106. DeFelippis, M. R.; Murthy, C. P.; Broitman, F.; Weinraub, D.; Faraggi, M. and Klapper, M. H. (1991) J. Phys. Chem., 95, 3416-3419.
107. Seidel, C. A. M.; Schulz, A. and Sauer, M. (1996) J. Phys. Chem., 100, 5541-5533.
108. Soussi, T. (1996) Trends Immunology Today, 17, 354-356.
109. Sugiyama, H. and Saito, I. (1996) J. Am. Chem. Soc., 118, 7063-7068.
110. Prat, F.; Houk, K. N. and Foote, C. S. (1998) J. Am. Chem. Soc., 120, 845-846.
111. Lewis, F. D.; Wu, T.; Zhang, Y.; Letsinger, R. L.; Greenfield, S. R. and Wasielewski, M. R. (1997) Science, 277, 673-.
112. Kelley, S. O.; Holmlin, R. E.; Stemp, E. D. A. and Barton, J. K. (1997) J. Am. Chem. Soc., 119, 9861-9870.
113. Kelley, S. O. and Barton, J. K. (1999) Science, 283, 375-383.
114. Fiebig, T.; Wan, C.; Kelley, S. O.; Barton, J. K. and Zewail, A. H. (1999) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96, 1187-1192.
115. Wan, C.; Fiebig, T.; Kelley, S. O.; Treadway, C. R.; Barton, J. K. and Zewail, A. H. (1999) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96, 6014-6019.
116. Fukui, K. and Tanaka, K. (1999) Science, 283, 158-162.
117. Ansari, A.; Kuznetsov, S. V. and Shen, Y. (2001) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 98, 7771-7776.
118. Grunwell, J. R.; Glass, J. L.; Lacoste, T. D.; Deniz, A. A.; Chemla, D. S. and Schultz, P. G. (2001) J. Am. Chem. Soc., 123, 4295-4303.
119. Weston, K. D.; Dyck, M.; Herten, D. P.; Müller, C.; Tinnefeld, P. and Sauer, M. (2002) Anal. Chem., 74, 5342-5349.
120. Brooks, C. L. (2002) Nature, 420, 33-34.
121. Snow, C. D., Nguyen, H., Pande, V. S. and Gruebele, M. (2002) Nature, 420, 102-106.
122. Mayor, U.; Guydosh, N. R.; Johnson, C. M.; Grossmann, J. G.; Sato, S.; Jas, G. S.; Freund, S. M. V.; Alonso, D. O. V.; Daggett, V. and Fersht, A. R. (2003) Nature, 421, 863-867.