Spektroskopie in biologischen Systemen Ein weiterer Forschungsschwerpunkt der AG Popp ist die Anwendung spektroskopischer Methoden zur Analyse biologischer Prozesse, insbesondere auf molekularer Ebene. Hier konnten zwei wichtige Arbeiten publiziert werden, die das enorme Potenzial der Spektroskopie für die Biowissenschaften, insbesondere für die hochauflösende, nicht-invasive Untersuchung biologischer Systeme zeigen. • Raman-Spektroskopie zur Membrananalytik: In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Frank Glorius von der Universität Münster konnte gezeigt werden, dass Alkinmarkierte Cholesterin-Analoga (CHIMs) als leistungsfähige Raman-Sonden für die Untersuchung von membranassoziierten CholesterinProzessen eingesetzt werden können. Die entwickelten CHIMs zeigten eine effiziente Aufnahme in HEK-Zellen sowie primäre Makrophagen und konnten mittels Raman-Mikrospektroskopie visualisiert werden, was eine detaillierte Untersuchung der Cholesterinverteilung in Zellmembranen ermöglicht. • Raman- und Fluoreszenzspektroskopie zur Untersuchung bioaktiver Peptide: In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Christian Hertweck konnte gezeigt werden, dass sich mittels Fluoreszenz- und Raman-Mikrospektroskopie die Translokation und Anreicherung von Malpinine im Darm von Caenorhabditis elegans visualisieren lassen. Diese spektroskopischen Ergebnisse verdeutlichen, dass Malpinine durch ihre stark biosurfaktanten Eigenschaften die Nahrungsaufnahme der Nematoden hemmen und somit zur biotechnologischen Nutzung von M. alpina als umweltfreundliches Mittel zur Bekämpfung von pflanzenschädlichen Nematoden beitragen können. [4] C. Schultz, T. Wegner, C. Heusel, T. Gallagher, Y. Zheng, M. Werner, S. V. Wegner, T. Meyer-Zedler, O. Werz, M. Schmitt, J. Popp & F. Glorius (2024): Alkyne-tagged imidazolium-based membrane cholesterol analogs for Raman imaging applications. Chemical Sciences, DOI: 10.1039/d4sc03155e. [5] H. Büttner, J. Rassbach, C. Schultz, J. Popp, M. Gressler & C. Hertweck (2024): Beneficial Soil Fungus Kills Predatory Nematodes with Dehydropeptides Translocating into the Animal Gut. J. Am. Chem. Soc. https://doi.org/10.1021/jacs.4c12989. Abb. 2. Die im Vergleich zu externen Fluorophoren verhältnismäßig kleinen Raman-Tags ermöglichen die Visualisierung mittels linearer und nichtlinearer RamanSpektroskopie bei gleichzeitig signifikant minimierter Veränderung der Cholesterolstruktur. Bild aus Ref. [4] FORSCHUNG — 115 Plasmonisch verstärkte nichtlineare optische Prozesse Im Rahmen des Soderforschungsbereich 1375 NOA erforscht die AG Popp in Zusammenarbeit mit PD Dr. Jer-Shing Huang vom Leibniz-Institut für Photonische Technologien innovative Ansätze zur Verstärkung nichtlinearer optischer Prozesse durch plasmonische Nanostrukturen: • Vier-Wellen-Mischen (FWM) in azimutal gechirpten Gittern: Durch die Kombination lokalisierter Oberflächenplasmon-Resonanzen (LSPR) und plasmonischer Oberflächen-Gitter-Resonanzen (PSLR) kann Breitband-FWM effizient verstärkt werden. Dies optimiert nichtlineare Wechselwirkungen und Frequenzumwandlungsprozesse. • Zeitaufgelöste Raman-Spektroskopie: Durch breitbandige kohärente Anti-Stokes-RamanStreuung (CARS) lassen sich spektrale Überlagerungen reduzieren. Das Verfahren ermöglicht eine präzisere Untersuchung der Vibrationsdynamik von Molekülen auf Nanostrukturen. • Nichtlineare Signalverstärkung: Plasmonische Gitter ermöglichen eine deutliche Effizienzsteigerung bei Zwei-Photonen-Photolumineszenz (TPPL) und der Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG). Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die gezielte Manipulation optischer Signale. Diese spektroskopischen Forschungsarbeiten tragen dazu bei, die Grenzen der nichtlinearen Optik zu erweitern und effizientere photonische Systeme zu entwickeln. [6] P. Barman, A. Chakraborty, D. A. Akimov, A. Kumar Singh, T. MeyerZedler, X. Wu, C. Ronning, M. Schmitt, J. Popp & J.-S. Huang (2022): Nonlinear Optical Signal Generation Mediated by a Plasmonic Azimuthally Chirped Grating. Nano Letters, https://doi.org/10.1021/ acs.nanolett.2c03348. [7] A. Chakraborty, P. Barman, A. Kumar Singh, X. Wu, D. A. Akimov, T. Meyer-Zedler, S. Nolte, C. Ronning, M. Schmitt, J. Popp & J.-S. Huang (2023): Broadband Four-Wave Mixing Enhanced by Plasmonic Surface Lattice Resonance and Localized Surface Plasmon Resonance in an Azimuthally Chirped Grating, Laser Photonics Rev. DOI: 10.1002/ lpor.202200958. [8] P. Barman, A. Chakraborty, X. Wu, D. A. Akimov, T. Meyer-Zedler, C. Ronning, M. Schmitt, J. Popp & J.-S. Huang (2024): Tracing the Background-Suppressed Vibrational Decay Time of a Molecular Monolayer with Time-Resolved Surface-Enhanced Broadband Coherent Anti-Stokes Raman Scattering, Laser Photonics Rev. DOI: 10.1002/lpor.202400805.
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