Dynamic Monte Carlo Simulations to Model FRET and Photobleaching in Systems with Multiple Donor−Acceptor Interactions

Frederix, P. L. T. M.; Beer, E. L. de; Hamelink, W.; Gerritsen, Hans C.

doi:10.1021/jp014549b

Cited by 22 publications

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“…Berney and Danuser 22 compared different methods of measuring and quantifying FRET efficiency and used MCS to provide independent reference values. Frederix et al 23 showed that MCS can aid with the interpretation of data from microscopy experiments by simulating FRET between fluorophores on actin filaments, including the effect of photobleaching. Numerical methods proved to be especially helpful when modeling the nonuniform distributions of lipids and proteins in membrane environments.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

ExiFRET: flexible tool for understanding FRET in complex geometries

2012

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Abstract. Fluorescence resonance energy transfer (FRET) can be utilized to gain low-resolution structural information by reporting on the proximity of molecules or measuring inter-and intramolecular distances. This method exploits the fact that the probability of the energy transfer is related to the separation between the fluorescent molecules. This relationship is well described for a single pair of fluorophores but is complicated in systems containing more than two fluorophores. Here, we present a Monte Carlo calculation scheme that has been implemented through a user-friendly web-based program called ExiFRET that can be used to determine the FRET efficiency in a wide range of fluorophore arrangements. ExiFRET is useful to model FRET for individual fluorophores randomly distributed in two or three dimensions, fluorophores linked in pairs or arranged in regular geometries with or without predefined stoichiometries. ExiFRET can model both uniform distributions and fluorophores that are aggregated in clusters. We demonstrate how this tool can be employed to understand the effect of labeling efficiency on FRET efficiency, estimate relative contributions of inter-and intramolecular FRET, investigate the structure of multimeric proteins, stoichiometries, and oligomers, and to aid experiments studying the aggregation of lipids and proteins in membrane environments. We also present an extension that can be used to study instances in which fluorophores have constrained orientations.

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Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

ExiFRET: flexible tool for understanding FRET in complex geometries

2012

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“…Besides uncertainties in the calculation of the Förster radius R 0 , the transfer efficiencies, as estimated from the spectra, depend on an accurate determination of the respective NC:dye ratios, [6] on the specificity of the anchor group, [7,18] and even on the reaction time. [21] We found that the measured transfer efficiency increases within the first minutes, probably owing to the diffusion-limited reaction between the dyes and the NCs. This increase is followed by a decrease over the next few hours.…”

mentioning

confidence: 73%

CdSe/ZnS Nanocrystals with Dye‐Functionalized Polymer Ligands Containing Many Anchor Groups

et al. 2005

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Colloidal semiconductor nanocrystals (NCs) are color tunable inorganic fluorophores, which consist of an inorganic core and an outer shell of molecular ligands.[1] While the optical properties can be adjusted by the composition [2] and the size of the core, [3] the ease with which the NCs can be chemically processed is mainly governed by the molecular structure of the ligands. In this context we define a ligand as consisting of three parts: a functional anchor group that attaches to the inorganic NC surface, an outer functional group, and a spacer in between. The architecture of the ligand is of major importance for assembling the NCs into larger supramolecular structures [4] or conjugating them to biological samples where they serve as fluorescence labels.[5] For these purposes it is essential that both the anchor and outer functionality can form strong chemical bonds. We will address this problem by introducing a novel type of polymer ligand, where the bond strength is increased by the presence of multiple anchor groups. Since our model ligands are decorated with dye molecules, we can employ fluorescence resonance energy transfer (FRET) to study the formation and stability of the NC-dye couples, where the NCs are the donors and the dyes the acceptors [6,7] . Based on the ensemble absorption and fluorescence spectra, the amount of dye attached to a given NC [6] and the average distance between the NC and the dye molecules can be estimated.[8] However, since the relative orientation and structure of the FRET couples can differ significantly from one complex to the next, we extend our measurements to single NC-dye complexes. Our experiments clearly show that static and dynamic heterogeneities occur in the ensemble of NC-dye couples, a result which is of importance for a FRET-based analysis of intermolecular distances.The CdSe/ZnS core-shell NCs are synthesized by an established method [3,9] in the presence of phosphonic acids [10] and trioctylphosphine oxide (TOPO) as ligands. The surface molecules can be subsequently cross linked to form multianchor ligands to stabilize the ligand shell.

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“…Die Spektren in Abbildung 1 können zwar qualitativ mit einem FRET‐Prozess erklärt werden, es ist aber schwierig, quantitative Aussagen abzuleiten. Neben Unwägbarkeiten bei der Bestimmung des Förster‐Radius R 0 hängt die aus den Spektren ableitbare Transfereffizienz auch von einer genauen Bestimmung der Konzentrationsverhältnisse,6 der Spezifität der Ankergruppen7, 18 und sogar von der Reaktionszeit ab 21. Es zeigte sich beispielsweise, dass die gemessene Transfereffizienz in den ersten Minuten zunimmt, was vermutlich auf die diffusionskontrollierte Reaktion zwischen den Nanokristallen und den Farbstoffen zurückzuführen ist.…”

Section: Methodsunclassified

CdSe/ZnS‐Nanokristalle mit farbstoffmarkierten Polymerliganden mit mehrfachen Ankergruppen

et al. 2005

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Kolloidale Halbleiter-Nanokristalle (NCs) bestehen aus einem anorganischen Kern und einer molekularen Ligandenhülle und treten als vielfarbige anorganische Fluorophore auf.[1] Ihre optischen Eigenschaften werden durch das Material [2] und die Größe der anorganischen Kerne bestimmt, [3] ihre chemischen Eigenschaften hingegen durch die molekulare Struktur der Liganden. Im Prinzip besteht ein Ligand aus drei Molekülteilen: einer an die anorganische Festkörper-oberfläche gebundenen funktionalen Ankergruppe, einer nach außen gerichteten funktionalen Gruppe und einem dazwischen befindlichen Abstandshalter. Durch spezielle Ligandenarchitekturen können die Nanokristalle in größere, supramolekulare Verbindungen eingebracht werden [4] oder als Fluoreszenzmarker in biologischen Systemen zum Einsatz kommen.[5] Für die Stabilität solcher Komplexe ist es wichtig, dass sowohl die Ankergruppen zur Nanokristalloberfläche als auch die nach außen gerichteten funktionalen Gruppen stabile chemische Bindungen eingehen. Unser Ansatz zur Lösung dieses Problems geht von einem neuen Typ von Polymerliganden aus, bei dem die Bindung zur NanokristallOberfläche durch eine Vielzahl molekularer Ankergruppen verstärkt wird. Da diese Liganden außerdem mit Farbstoffmolekülen dekoriert sind, lassen sich der Grad der Kupplung und die Stabilität der Nanokristall-Farbstoff-Paare anhand des resonanten Fluoreszenzenergietransfers (FRET) verfolgen, wobei die Nanokristalle als Donoren und die Farbstoffmoleküle als Acceptoren fungieren. [6,7] Die Konzentration der Nanokristalle und Farbstoffe kann anhand der Absorptionsspektren [6] und der Nanokristall-Farbstoff-Abstand anhand der Fluoreszenzspektren abgeschätzt werden.[8] Da Struktur und Orientierung individueller Nanokristall-Farbstoff-Paare innerhalb des Ensembles sehr unterschiedlich sein können, wurden zusätzlich Fluoreszenzmessungen an einzelnen Nanokristall-Farbstoff-Komplexen durchgeführt. Innerhalb des Ensembles sind sowohl statische als auch dynamische Heterogenitäten zu beobachten, was insbesondere für die auf dem FRET-Prozess beruhende Bestimmung intramolekularer Abstände von Bedeutung ist.Die CdSe/ZnS-Kern-Schale-Teilchen wurden nach einer in der Literatur verbreiteten Methode synthetisiert, [3,9] bei der Phosphonsäuren [10] und Trioctylphosphinoxid (TOPO) als Liganden verwendet werden. Es wurde bereits gezeigt, dass die Stabilität der Ligandenhülle durch nachträgliche Vernetzung gesteigert werden kann. [11,12] Hier haben wir nun eine abweichende Strategie verfolgt, bei der zunächst auf statistischen Copolymeren basierende Liganden mit einer Vielzahl von Ankergruppen synthetisiert und anschließend auf die Oberfläche aufgebracht werden. Die Synthese startet von Polymerketten mit Reaktivestern (n % 200), [13] die in einem ersten Schritt mit etwa einem Farbstoffmolekül pro Polymerkette dekoriert werden. Hierzu wird eine der Reaktivestergruppen durch die Aminogruppe eines Moleküls Texas Red cadaverine [14] substituiert (Schema 1). Im zweiten Schritt werden etwa 50 % der Reaktivester mit einfach B...

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Dynamic Monte Carlo Simulations to Model FRET and Photobleaching in Systems with Multiple Donor−Acceptor Interactions

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ExiFRET: flexible tool for understanding FRET in complex geometries

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CdSe/ZnS Nanocrystals with Dye‐Functionalized Polymer Ligands Containing Many Anchor Groups

CdSe/ZnS‐Nanokristalle mit farbstoffmarkierten Polymerliganden mit mehrfachen Ankergruppen

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