In Chapter 2 of this thesis the movement of individual tethered λ-DNA molecules is studied in the absence and in the presence of oscillatory shear ow using time-dependent uorescence microscopy. In the absence of shear the root mean square uctuation of the center-of-mass position of the molecules, the radius of gyration, and the longest relaxation time of end-grafted DNA molecules are determined. The agreement of the measured radius of gyration in the absence of shear, R_g = (0.85± 0.05) µm, close to literature values for R_g of λ-phage DNA in a bulk solvent, with the predictions of the Zimm model for a free polymer in a good solvent strongly hints at the importance of hydrodynamic interactions between the monomers. From the autocorrelation functions of the movement of individual DNA molecules the longest relaxation time of end-grafted DNA molecules is determined to be τ = (0.79 0.03) s. In a narrow frequency range 1 Hz< ϑ <6 Hz an approximate empirical power law is observed for the frequency dependence of the uctuations of the DNA molecules with an exponent of -1.4. No theory is currently known to explain this dependence.

For DNA molecules under oscillatory shear ow the relaxation time for the movement perpendicular to the shear, averaged over all experimentally accessible values of shear rate and shear frequency, is found to deviate only slightly from the value in the absence of shear. For the movement of the DNA molecules in the direction of the shear, on the other hand, the relaxation times are found (a) to extrapolate to a value close to the relaxation time in the absence of shear, as expected, and (b) to slightly decrease with shear.

Comparing the amplitude of the DNA movement in the driven direction with the predictions of a simple bead spring model di erent values are obtained for the distance of the grafting point of the DNA molecules from the wall in the low and high-frequency ranges, respectively. The discrepancy between the two numbers is attributed to a de ciency of the bead spring model. Furthermore it is pointed out that, in the case of oscillatory shear ow, and in contrast to the case of steady shear ow, even in the simple bead spring model the response of the tethered polymer depends not only on the Weissenberg number, but also explicitly on the dimensionless frequency ωτ, which may be identi ed, up to a constant with the Deborah number, well known in the rheology of non-Newtonian liquids.
The observed amplitudes of tethered DNA molecules in oscillatory shear, normalized to the shear and to the observed non-constant values of zc, are predicted by the bead spring model to depend only on the dimensionless frequency. The normalized amplitudes observed in the experiments follow the predictions of the bead spring model at low frequencies, but exhibit a drastic enhancement over the predictions of the model, of more than a factor of two, at around ωτ = 2. In the frequency range ωτ > 10, on the other hand, the amplitudes are smaller than predicted by the model. Because the shear-induced stress corresponds to the entropic elasticity range at low forces in single molecule stretching experiments, the observed enhancement around ωτ ≈ 2 and also the reduction at ωτ > 10 are tentatively assigned to hydrodynamic monomer interactions, which are intrinsically nonlinear, even in the low shear range.
The construction of a micro- uidic device containing patterned gold thin lms and initial uorescence microscopy experiments involving DNA molecules tethered to the gold islands, as described in Chapter 3, lay the ground for a study, along similar lines as in Chapter 2, of the hydrodynamic interactions between two individual grafted DNA molecules at well-de ned distance to each other, in the absence of shear, as well in a steady shear ow. The steps necessary for the construction of the device, including the preparation of the PDMS micro-channel and the gold islands, and grafting of DNA to the latter are complex and considerable technical di culties had to be overcome to achieve single occupation of neighboring gold islands by DNA molecules.
An attempt to study the nature of the overstretched state of DNA molecules in highly oriented lms of DNA in the B form by x-ray di raction is described in Chapter 4. It is shown that, in contrast to single molecule stretching experiments, the majority of the DNA molecules remains in the B form up to breakage of the lm. At the same time a meridional re ection at q_z 0:8 Å^-1, corresponding to a periodicity of a = 7:8 Å , is observed, which may be explained by the existence of part of the molecules in a maximally stretched state, as predicted by earlier simulations. This di raction peak increases somewhat in intensity with applied stress, but is already present in the lms before stretching. This may be explained by assuming that in the wet-spinning process part of the molecules are already overstretched, whereas most of the molecules remain in the B form. Because the sti ness of maximally stretched DNA will be determined by the sti ness of the rigid backbone and therefore be much larger than that of B-DNA, it appears likely that DNA molecules maximally stretched during wet-spinning support most of the externally applied stress in the lms and breakage of these molecules marks breakage of the lm. Melting of the ds-DNA, which is currently a widely favored model for the behavior of DNA under large stresses, as an alternative to various proposed forms of S-DNA, should result in a disappearance of the x-ray re ections typical for the B form and, possibly, to a plateau in the force-extension curve of the lm similar to that observed in single molecule stretching experiments using force microscopy or optical tweezers. Both are not observed for the present lms. The stretching of molecules in the lms studied here is therefore very inhomogeneous and obviously fundamentally di erent from the case of single molecule stretching experiments.

Kapitel 2 dieser Arbeit beschreibt eine Untersuchung der Bewegung einzelner über die Endgruppen an eine Substratoberoberfläche gebundener λ-DNA Moleküle in einer Pu erlösung, sowohl allein aufgrund Brownscher Fluktuationen als auch getrieben durch eine oszillatorische Scherströ- mungsanregung, mit Hilfe zeitaufgelöster Fluoreszenzmikroskopie. Im Fall der rein thermischen Bewegung werden die mittleren quadratischen Fluktuationen der Schwerpunktskoordinaten der Moleküle, der Gyrationsradius und die größte Relaxationszeit der Moleküle bestimmt. Die Übereinstimmung des gemessenen Gyrationsradius R_g = (0.85 ± 0.05) µm mit der Vorhersage des Zimmschen Modells für ein freies Polymer in einem guten Lösungsmittel deutet stark auf den Ein uss hydrodynamischer Wechselwirkungen zwischen den Monomeren hin. Der gemessene Wert weicht nur wenig ab vom bekannten Wert für R_g von freier λ-DNA in Lösung. Aus den Autokorrelationsfunktionen der Bewegung einzelner DNA-Moleküle wird die größte Relaxationszeit der an die Ober äche gebundenen Moleküle zu τ = (0.79 0.03) s bestimmt. In einem schmalen Frequenzbereich 1 Hz< ϑ <6 Hz wird näherungsweise ein empirisches Potenzgesetz für die Frequenzabhängigkeit der Fluktuationen der Schwerpunktsbewegung gefunden mit einem Exponenten von -1.4. Eine Theorie, die dies beschreibt, ist derzeit nicht bekannt.

Für die gleichen DNA-Moleküle wird eine Relaxationszeit der Bewegung senkrecht zur oszillatorischen Scherströmungsanregung, gemittelt über alle experimentell zugänglichen Werte der Scherrate und Scherfrequenz, bestimmt, die nahe beim entsprechenden Wert in Abwesenheit der Scheranregung liegt. Für die Bewegung parallel zum oszillatorischen Scher uss extrapolieren die Relaxationszeiten für verschwindende Scherrate wie erwartet auf einen Wert nahe dem obengenannten Wert in Abwesenheit der Scheranregung und nehmen ab mit zunehmender Scherrate.

Durch Vergleich der Amplitude der oszillatorischen Schwerpunktsbewegung in der Richtung der Scherströmung mit den Vorhersagen eines einfachen Punktmasse-Feder Modells werden Werte für den Bindungsabstand zur Ober äche, zc, entprechend dem Pilzmodell für ober ächengebundene Polymer-Moleküle, gewonnen, die sich im Bereich niedriger (ωτ < 1) und hoher (ωτ < 1) Frequenzen um einen Faktor ωτ ≈ 2 unterscheiden. Diese Diskrepanz wird auf zu große Vereinfachungen des Modells zurückgeführt.

Es wird weiter darauf hingewiesen, dass im Fall der oszillatorischen Scheranregung, im Gegensatz zur stationären Scherströmung, schon im einfachen Modell die Amplitude der Schwerpunktsbewegung in Scherrichtung nicht nur von der Weissenberg-Zahl, sondern auch explizit von der dimensionslosen Frequenz ! abhängt, die sich bis auf eine Konstante mit der Deborah-Zahl identi zieren lässt. Letztere ist aus der Rheologie nicht-Newtonscher Flüssigkeiten gut bekannt.

Die beobachteten Amplituden von substratgebundenen DNA-Molekülen in oszillatorischer Scherströmung, normiert auf die Scheramplitude und den nichtkonstanten Bindungsabstand zur Substratober äche zc, sollte gemäß dem Punktmasse-Feder Modell nur von der dimensionslosen Frequenz abhängen. Die beobachteten und normierten Amplituden folgen den Vorhersagen des Modells bei niedrigen Frequenzen, übersteigen jene aber um mehr als einen Faktor zwei im Frequenzbereich ωτ = 2. Im Frequenzbereich ωτ > 10 dagegen sind die gefundenen Amplituden der Schwerpunktsbewegung kleiner als vorhergesagt. Da die beobachteten Elongationen dem entropischen Elastizitätsbereich kleiner Kräfte bei Einzelmolekül-Dehnungsexperimenten entsprechen, werden die beobachtete Amplitudenüberhöhung bei ωτ ≈ 2 und auch die reduzierte Amplitude bei ωτ > 10 versuchsweise auf hydrodynamische Monomer- Wechselwirkungen zurückgeführt, die intrinsisch nichtlinear sind, auch im Bereich niedriger Scherraten.

Die Konstruktion eines mikro uidischen Aufbaus mit inselstrukturierten Gold lmen auf einer der Scherströmung im Mikrokanal ausgesetzten Substratober äche und erste fuoreszenzmikroskopische Experimente an einzelnen an diese Goldinseln gebundenen DNA-Molekülen werden in Kapitel 3 beschrieben. Damit werden Experimente an Paaren von DNA-Molekülen ermöglicht, ähnlich den in Kapitel 2 beschriebenen Einzelmolkülexperimenten, mit denen die hydrodynamischen Wechselwirkungen zwischen einzelnen substratgebundenen DNA-Molekülen in wohlde niertem Abstand zueinander untersucht werden sollen, sowohl aufgrund rein thermischer Fluktuationen, wie auch unter stationärer Scherströmung. Die Arbeitsschritte zur Herstellung der mikro uidischen Komponenten, einschliesslich des Mikrokanals aus Polydimethylsiloxan (PDMS) und der Goldinseln mit Hilfe von Elektronenstrahl-Lithogra e sowie das Anbinden der DNA-Moleküle an die Goldinseln, sind sehr komplex.

Erhebliche technische Schwierigkeiten mussten überwunden werden.
Um eine Einfach-Besetzung benachbarter Goldinseln mit DNA-Molekülen zu erreichen.
Kapitel 4 der vorliegenden Arbeit beschreibt einen Versuch, die Natur des überdehnten Zustands von DNA-Molekülen in hoch orientierten B-DNAFilmen mit Hilfe von Röntgenbeugung zu untersuchen. Es wird gezeigt, daß im Gegensatz zu Einzelmolekül-Dehnungsexperimenten die Mehrheit der DNA-Moleküle in den Filmen bis zum Zerreißen der Filme in der B-Konguration verbleibt. Gleichzeitig wird eine meridionale Re exion bei qz 0:8 Å-1 beobachtet, entsprechend einer Periodizität a = 7:8 Å, die erklärt werden kann durch das Vorliegen eines Teils der Moleküle in einem maximal gestreckten Zustand, wie er von früheren Simulationen vorhergesagt wurde. Dieses Beugungsmaximum gewinnt an Intensität mit zunehmender Dehnung, wird aber auch schon vor der Dehnung beobachtet. Dies kann wiederum erklärt werden durch die Annahme, daß bereits bei der Herstellung der Filme durch ein Nassspinnverfahren ein Teil der Moleküle überstreckt wird. Da die Festigkeit derartig maximal gestreckter DNA-Moleküle bestimmt wird durch diejenige des Zucker- Phosphat Rückgrats der Moleküle, welche erheblich größer ist als die von B-DNA, ist es wahrscheinlich, daß maximal gestreckte DNA-Moleküle den größten Teil der mechanischen Spannung im Film übernehmen und daß das Zerreißen dieser Moleküle das Zerreißen des Films markiert. Ein Schmelzen der Doppelhelix, also eine Auftrennung der beiden Stränge in zwei einzelne Stränge durch Spaltung der Basenpaare, ist gegenwärtig ein in der Literatur weithin bevorzugtes Modell für das Verhalten von doppelsträngiger DNA unter großen, an den Molekülenden angreifenden longitudinalen Kräften. Dies sollte sich äussern in einem Verschwinden der für die B-Form typischen Röntgenre exe und, möglicherweise, in einem Plateau in der Kraft-Dehnungs-Kurve der Filme, ähnlich dem aus Einzelmolekül-Dehnungsexperimenten mit Hilfe von Kraftmikroskopen oder optischen Pinzetten bekannten Plateau. Beides wird bei den hier untersuchten orientierten DNA-Filmen nicht beobachtet. Die Dehnung der DNA-Moleküle in den untersuchten Filmen ist daher stark inhomogen und fundamental verschieden vom Fall der genannten Einzelmolekül-Dehnungsexperimente.