Nanostruktureret overflade som antirefleksionscoating Det er velkendt indenfor optik at refleksion af lys fra f.eks en glasoverflade (brilleglas, linser) kan reduceres betragteligt ved at påføre overfladen et tyndt lag af et materiale med det rette brydningsindeks og den rette tykkelse (ca. en kvart bølgelængde). Den lave refleksion skyldes et interferensfænomen og kan beskrives vha. fysisk optik (bølger). Et interessant alternativ til den konventionelle antirefleksionscoating er at nanostrukturere overfladen med et array af fordybninger med en bredde og afstand der er meget mindre end bølgelængden [1-2]. Den type af antireflekterende overflade kan have den fordel for støbte linser at det er muligt at lave en støbeform der inkluderer den mikrostrukturerede overflade. Derved bliver linsefremstillingen mindre arbejdskrævende (når man har støbeformen) og der er ikke behov for at indføre et andet materiale. Nanostruktureret antirefleksionscoating Normal antirefleksionscoating 

n1 n1 

n2 

n2                     2 √ 1 · 2

n3 

I projektet skal nanostrukturerede antirefleksionscoatings analyseres numerisk. Der skal regnes på transmission igennem og refleksion fra en nanostruktureret glas- eller polymeroverflade. Her kan udnyttes nogle programmer der er baseret på en integralligningsmetode. Hvis der er interesse for det er det også muligt at i selv konstruerer nogle programmer i f.eks matlab. For at ikke gøre opgaven for svær nøjes vi med at se på 2D strukturer som skitsen ovenfor. Der skal også ses på design af overfladen: - Det er selvsagt nemmere at fremstille overfladestrukturen jo større afstande og bredder der anvendes. - God antirefleksion ønskes ikke nødvendigvis bare for een bølgelængde men for hele det synlige område. - Vi vil gerne have at antirefleksionsoverfladen virker for mere end een indfaldsvinkel. - Hvad er de diffraktive effekter af at have en nanostruktur istedet for en tynd film? Der vil også være mulighed for at måle på reflektion og transmission for et par nanostrukturerede overflader. Dog evt. med den begrænsning at der benyttes infrarødt lys og strukturdimensioner i størrelsesorden 200-400nm der er lidt vel stort i forhold til hvad vi forestiller os er helt optimalt, men sagtens kan fungere i en sammenligning mellem teori og eksperiment. [1] D.H. Raguin og G.M. Morris, "Analysis of antireflection-structured surfaces with continuous one-dimensional surface profiles", Appl. Opt. 32, 2582 (1993). [2] F.N. Nikolajeff et al., "Fabrication and simulation of diffractive optical elements with superimposed antireflection subwavelength grating", Appl. Opt. 39, 4842 (2000). Vejledere: Thomas Søndergaard, Thomas G. Pedersen og Peter Kjær Kristensen

Antimicrobial peptides and their action towards bacteria 

 

Antimicrobial peptides are typically small peptides with an aminoacid length between 10‐60 aa. They act like an antibiotic, but unlike antibiotics they have a very broad spectrum of action against bacteria. One drawback is that many of these peptides are hemolytic. This prevents the broader use of these peptides today.  

Many of these peptides have been by evolution designed not only to be antimicrobial, but their aim is to be hemolytic. These are the group of toxins. Amongst these toxins is e.g. Crabrolin, which is the toxin of the common European wasp, or melittin, the toxin of the bee. These toxins are designed to be hemolytic, to cause pain, when a human gets stinged. But inside the bee or wasp these peptides do have another function they are active as inhibitors of a phospholipase, which prevents the phospholipase to be active before the bee has inserted the phosdpholipase in a target organism. 

 

Fig1: structural groups of antimicrobial peptides. 

 

In this project we intend to synthesis another toxin apart from the bee or wasp toxin. So the first task is to search through databases and literature for a suitable small peptide. You will synthesize the peptide, purify the peptide and investigate its structure and function. 

The methods that can be used to study the peptide are Circular dichroism, Fluorescence spectroscopy, AFM, absorption spectroscopy, and mass spectroscopy. 

 

Supervisors:  Peter Fojan, Leonid Gurevich 

References. 

1.   Boman, H.G., Peptide Antibiotics and Their Role in Innate Immunity. Annual Review of Immunology, 1995. 13: p. 61‐92. 

2.   Toke, O., Antimicrobial peptides: New candidates in the fight against bacterial infections. Biopolymers, 2005. 80(6): p. 717‐735. 

3.  Parisien, A., et al., Novel alternatives to antibiotics: bacteriophages, bacterial cell wall hydrolases, and antimicrobial peptides. Journal of Applied Microbiology, 2008. 104(1): p. 1‐13.  

4.  H.  J. Askou, R. N.  Jakobsen,  and P.  Fojan, An Atomic  Force Microscopy  Study of  the  Interactions Between  Indolicidin and  Supported Planar Bilayers.  Journal of Nanoscience  and Nanotechnology, 2008, 8(10), p.1‐10 

 

Homology studies and recombinant production of Antifungal Defensins in Escherichia coli

Supervisor: Evamaria Petersen and Peter Fojan As part of the innate immune system antimicrobial peptides (AMPs) are agents of the most ancient form of defense systems. These gene-encoded peptides can be found in a wide variety of species ranging from bacteria through insects to humans. Through the course of evolution host organisms developed arsenals of AMPs that protect them against a large variety of invading pathogens including both Gram-negative and Gram-positive bacteria. Until now the number of discovered AMPs has reached more than 800. Defensins are a class of AMPs that can be found in plants and animals. These AMPs are usually between 40-60 amino acids long, cationic and rich in disulfide-linked cysteins. Plant defensins inhibit the growth of a broad range of fungi but seem nontoxic to mammalian cells, which makes them very interesting for pharmaceutical industries. Most of them do not display activity towards bacteria.

3D structures of defensins from different sources. The project will be divided into 2 parts. During the first part you will look into nature’s arsenal of defensins originating from one plant Arabidopsis thaliana. In Arabodopsis 13 putative genes coding for 11 different defensins have been detected. By doing sequence alignments and possible 3D modeling we will try to learn more about how the differences in sequence could affect differences in performance of the defensins. Since we have the genes of six of them we will based on the alignments and modeling decide which defensins could be of interest to produce recombinant in Escherichia coli.

Sequence alignment of putative defensin genes from Arabidopsis thaliana During the second part of the project we will use molecular biology methods to generate expression constructs in order to produce the defensins of interest in E. coli. Since these defensins do not display high activity towards bacteria it should be possible to produce them in native form in E. coli. If time allows we will test their antimicrobial activity towards different strains.

Peptide Nanotube based Nanosensors 

 

Vejledere: Peter Fojan, Leonid Gurevich 

En af den bedst undersøgte nanomateriale idag er Carbon Nanorør. Carbon nanorør i sammenhæng med biologisk materiale er lidt problematisk, fordi de er ekstremt hydrophob, og kemisk set meget inert. Derfor leder man stadigvæk efter nye materialer der giver bedre overflader som kontakt ovrflader med biologiske materialer. 

Disse materialer er af meget stort interesse ikke bare til medicinske anvendelser, men også i sammenhæng med biosensorer. For at skabe en biosensor er vi nød til at lave en interface imellem et biologisk/oorganisk materiale til et uorganisk materiale. Lige netop i dette interface region ligger den største udfordring. Kan vi skabe et interface der giver gode vedhæftelses mulighederne til biologiske molekyler og celler, og samtidigtikke hindrer sensoren i at måle. 

Et materiale der har enormt stort potentiale er peptide nanotubes. Det er nanorør som er dannet vha selv sammensætning af lille peptider i form af nanorør. Disse nanorør kan blive sat på overflader og bruges som biosensorer eller i molekyle elektronik sammenhæng. Endnu mere giver disse nanorør et overflade der er kompatibelt med proteiners overflade og ikek medfører til en hurtigt protein udfoldning (denaturering) som er vigtigt for en biosensor. 

I denne projekt vil i undersøge synthesen af sådanne lille molekyler, og undersøge deres selv sammensætnings potentiale og undersøge strukturen af disse nanorør. Synthesen vil foregår på en peptid synthesizer, og vha manuelt peptid synthese. Undersøgleserne af nanorør vil foregår vha absorptionsspektroskopi, og strukturer vil blive undersøgt vha AFM. I vil deponere PNTs på et guld substrate immobilisere enzymer på deres overflader og måle enzymaktivitet vha elektrokemi. 

 

 

 

Reference:   M.Reches and E. Gazit, “Controlled patterning of aligned self-assembled peptide nanotubes”, Nature Nanotechnology, 1, 2006, 195-200

Modified Green Fluorescence Protein (GFP)

Supervisor: Eva Petersen, Leonid Gurevich

The green fluorescent protein (GFP) is a protein, comprised of 238 amino acids (26.9 kDa), originally isolated from the jellyfish Aequorea victoria that fluoresces green when exposed to blue light. The GFP from A. victoria has a major excitation peak at a wavelength of 395 nm and a minor one at 475 nm. Its emission peak is at 509 nm which is in the lower green portion of the visible spectrum.

In cell and molecular biology, the GFP gene is frequently used as a reporter of expression. In modified forms it has been used to make biosensors, and many animals have been created that express GFP as a proof-of-concept that a gene can be expressed throughout a given organism. To date, many bacteria, yeast and other fungal cells, plant, fly, and mammalian cells have been created using GFP as a marker.

Due to the potential for widespread usage and the evolving needs of researchers, many different mutants of GFP have been engineered. The first major improvement was a single point mutation (S65T) reported in 1995 in Nature by Roger Tsien. This mutation dramatically improved the spectral characteristics of GFP, resulting in increased fluorescence, photostablility and a shift of the major excitation peak to 488nm with the peak emission kept at 509 nm. Many other mutations have been made, including color mutants; in particular blue fluorescent protein (EBFP, EBFP2, Azurite, mKalama1), cyan fluorescent protein (ECFP, Cerulean, CyPet) and yellow fluorescent protein derivatives (YFP, Citrine, Venus, YPet).

This project can be run as a continuation of last semesters project where one group has already successfully generated one round of mutants that have slightly changed the emission wavelength. This year we can use the most interesting variants and apply

another round of mutagenesis. The library will be screened for variants with a stronger shift in emission wavelength. The interesting candidates will be further characterized by fluorescence spectroscopy methods.

Fluorescence image from the library of the first round of mutagenesis on GFP. Some variants show a clear shift in emission wavelength  

5th semester

Transitions in Langmuir films visualized by LED Brewster angle microscopy Supervisors: Esben Skovsen, Leonid Gurevich and Peter Fojan The Brewster angle is defined as the angle at which the intensity of the vertical component of reflected linearly polarized light passes through a minimum. The Brewster angle is controlled by the refractive indices of the materials in the system. Any changes in refractive index at the surface will affect Brewster angle a lot therefore creating a good contrast when phase changes occur at the surface. In this project we will build your own Brewster angle microscope (BAM) on top of an existing Langmuir –Blodgett setup and visualize transition in the surface layer while applying various pressure or attacking the layer in other ways. The microscope will use an LED light source to improve the image contrast and a webcam as an imaging device. The BAM imaging will be than applied to a model system involving colloidal crystal of silica nanospheres. Here you can observe crystal formation and breakage upon pressure increase. This type of system is interesting for creation of large highly ordered surfaces for nanosphere lithography and photonic crystals [1] Further, if time allows you will study arrangement of antimicrobial peptides and their incorporation into lipid films (see for review Ref. 2). Key techniques: Brewster angle microscopy, LED, Langmuir-Blodgett films. 1. A. Gil, F. Guitián, Journal of Colloid and Interface Science 307 (2007) 304–307 2. Volinsky et al, Biochimica et Biophysica Acta 1758 (2006) 1393–1407

Fig. 1 Schematics of Brewster angle microscopy.

Fig. 2 Upper panel: broken down monolayer of spheres upon decompression. Lower panel: perfectly ordered monolayer (SEM micrograph)

Graphen Hvad får man, hvis man løsriver eet enkelt lag fra en grafit-krystal? Svaret er ”graphen”: et enkelt atomlag af kulstofatomer bundet i sekskanter, som vist på billedet. For få år siden troede ingen, at det var muligt at lave store graphen-flager, men det viser sig, at man med simpelt tape kan ”kløve” en grafit-krystal, som demonstreret på linket: http://www.sciam.com/slideshow.cfm?id=diy-graphene-how-to-make-carbon-layers-with-sticky-tape Desuden kan man finde flagerne ved at lægge dem på en Si-wafer og kigge i et almindeligt mikroskop. Det har nu vist sig, at graphen har helt specielle elektriske og optiske egensskaber, og man prøver nu at bygge transistorer og andre komponenter, der er eet atomlag tykke! Ideen i dette projekt er at fremstille graphen-flager vha. tape-teknikken og prøve at lave spektroskopi på prøverne for at måle deres optiske egenskaber. Samtidig skal der opstilles en kvantemekanisk model for graphen-krystallen, som kal bruges til at forklare målingerne.

rojektet kunne indeholde følgende punkter:

er 4. Simpel beregning af deres optiske egenskaber.

urserne ”nanofabrikation” samt ”elektronisk struktur af faste stoffer og nanostrukturer”.

Forslagsstillere: Thomas G. Pedersen og Kjeld Pedersen

s P

1. Fremstilling af graphen-flager. 2. Måling af deres absorption i spektrometer. 3. Kvantemekanisk beskrivelse af graphen-krystall

Projektet sigter mod at give fortrolighed med kvantemekanik, men også mod at anvendek

Constructing 68Ga‐DOTA‐TATE analogues for improvingthe molecular imaging of the Somatostatin receptor subtype 2 (sst2) 

 

A prospective  feasibility study  into  the design, synthesis, purification and validation of a novel  tumour  imaging peptide marker , targeting neuroendocrine tumours (NETs)  Conventional imaging of NETs is performed with 18‐Fluorine‐Fluoro‐Deoxyglucose (18F‐FDG), however this imaging can be non specific, and has greater value in showing the spread of the cancer, see Figure 1. Somatostatin receptors are expressed in a variety of tumours, especially NETs. Somatostatin analogues, with DOTA‐tags at the N‐terminus have been used  together with a  radioactive 68‐Gallium  ligand  to  image  these  receptors and hence  the tumours. These DOTA  peptides  have  variable  binding  efficacies  to  the  tumour  receptor  subtypes,  specifically DOTA‐TATE  has  a bindings affinity for receptor subtypes 2 & 5. The 68Ga‐DOTA‐TATE is also taken up to different extents, depending on the differentiation state of the NET. We wish to evaluate the potential of improved binding to these receptor subtypes by subtle variations in the molecular structure of the DOTA‐TATE, see Figure 2. Providing we are successful in obtaining such peptides, further animal studies will be performed for clinical validation.  

 Figure 1: Schematic of the DOTA‐TATE construct. The radioactive 68‐Gallium is chelated by the DOTA molecule.  

 

 

Figure 2: DOTA: 1,4,7,10‐Tetraazacyclododecane‐1,4,7,10‐tetraacetic acid. 

 

 Figure 3: Images of the same patient subjected to Left image 68Ga‐DOTATATE, the tumour metastases are demonstrated in the liver and paraaortic lymph nodes. Right  image 18F‐FDG, only a  solitary  liver metastasis  is  seen. Well differentiated NET  show greater avidity  for  68Ga DOTATATE and poorly differentiated NET show greater avidity for 18F‐FDG  

 Project Content The project will take place within the presently established collaboration between the departments of:  Physics and Nanotechnology (AAU),   Chemistry,  Environmental engineering and Biotechnology (AAU),  Nuclearmedicine Aalborg sygehuse Syd.  The project will involve peptide : Design  (2 to start with ), Purification  using HPLC, Validation using mass determination by matrix assisted laser desorption ionisation ‐ time of flight (MALDI‐TOF) mass spectrometry, and possibly Tandem mass spectrometry.  Student learning objectives 

• Learn to operate a Fmoc based synthesis of peptides. • Learn  to  purify  peptides  using  reverse  phase  C‐18  and  C‐8  High  Pressure  Liquid  Chromatography 

(HPLC). • Learn to validate peptide masses using MALDI‐TOF mass spectroscopy. 

  

Project collaborators Department of Physics and Nanotechnology AAU Lektor Eva Maria Petersen Lektor Peter Fojan  Department of Chemistry, Environmental engineering and Biotechnology AAU Lektor Allan Stensballe  Department of Nuclear Medicine Aalborg Sygehuse Syd Ledende Overlæge Ivan Noer   Overlæge Vineet Prakash Overlæge Victor Iyer Ingeniør Rune Wiik Andersen  

Mikrofluidsystemer baseret på electro-wetting Mikrofluidsystemer er basale ingridienser i praktiske realiseringer af biologiske og kemiske sensorer. Systemerne skal transportere væsker rundt til de forskellige sensorer på en chip. Electro-wetting er en effekt, som kan benyttes til at lave en pumpe uden mekanisk bevægelige dele. Princippet i electro-wetting illustreres på figuren herunder. En dråbe på en hydrofob overflade har en meget stor kontaktvinkel. Når der påføres en spænding kommer dråben i kontakt med et væsentligt større areal på overfladen. Ved at placere en række elektroder med størrelser sammenlignelig med dråbernes kontaktlængder kan dråbener bringes til at bevæge sig mellem kontaktområderne når spændingerne på disse skifter. Den midterste figur viser 4 Al elektroder udlagt med lithografi mens den mederste figur viser en dråbe, som flytter mellem elektroderne.

Projektet kan indeholde følgende:

1. Fremstilling af hydrofobe belægninger

2. Beskrivelse af principperne bag electro-wetting (overfladespændinger mm)

3. Udlægning af elektroder med PVD og lithografi

4. Styring af spændinger på elektroder

Kjeld Pedersen

Billederne i figuren stammer fra et 5. semester projekt fra 2006 lavet af Jeppe Nørgaard, Nina Lorentzen, Jesper Munk, Michael Henriksen og Morten Madsen

Projektenheden på NANO5 Tema: Nanofabrikation Dyrkning og Karakterisering af Nanoskove I korte træk går projektet ud på, at vi skal producere nanoskove og karakterisere dem. Metode På en wafer med porøs overflade sputtes et ca. 6 nm. katalyserende lag af jernatomer, hvorefter kulstofnanorørene dyrkes til en nanoskov i PE-CVD'en med acetylengas som kulkilde. Baggrund Nanoskove består af vertikalt orienterede kulstofnanorør og er udgangsproduktet i nanostål og -tråd. Nanoskove kan let trækkes til nanostål eller spindes til en tråd, der er op i mod 100 gange stærkere end almindeligt stål. Massefylden er bare 1/16-del af ståls. De enkelte lag af nanostål er bare omkring 50 nm tykke. Der er mange flere spændende egenskaber ved nanostål end styrken og vægten, bl.a. kan det lyse, lede strøm og er op til 100 % fleksibelt. Den 13. maj 2008 var der en artikel i ErhvervsBladet om nanostål og dette her projekt. Artiklen kan ses på ErhvervsBladets hjemmeside via dette link: http://www.erhvervsbladet.dk/article/20080513/news02/705120005/ eller på opslaget i det åbne område på gangen. Ekstern støtte Sideløbende med projektet vil vi forsøge at finde virksomheder, som vil støtte projektet. Pr. 1. september er Vestas og Nordisk Kabel & Tråd meget interesserede i at høre mere, og et stort overfladebehandlingsfirma i Viborg, Gardit A/S, mangler bare at give svar. Bagefter projektet og på lang sigt I 2009 er det så meningen, at nanoskovene udtrækkes til nanostål og efterfølgende testes i virksomhedernes udviklingsafdelinger. Gardit overvejer at teste, om man kan overfladebehandle vindmøllevinger fra Vestas med film af nanostål og derved spare maling m.m.

Zhang et al. Science 309 1215 (2005) Zhang et al. Science 306 1358 (2004) Nanoskov til venstre - 30 graders vinkel Nanotråd – 2 ply

Jens Vinther/1. september 2008 Tlf.nr.: 6143 5133 E-mail: jens.vinther@gmail.com