222
(S A LIGHT SINTESE ANDRE ALE T CONTR E DE ÁCI EXANDRE ROLLED DOS NU COTTA G SYNTH UCLEICO Disser Douto pela Ciênci LISBOA, 20 UERRA VI ESIS OF OS CONT rtação apres or em Bioquí Universidad ias e Tecnolo 010 IDAL PINH F NUCLE TROLAD sentada par ímica – Espe de Nova de ogia HEIRO EIC ACID DA POR a obtenção ecialidade Bi Lisboa, Fa DS LUZ) do Grau de otecnologia, aculdade de e e

LIGHT CONTROLLED SYNTHESIS OF NUCLE IC ACIDS INTESE DE ... · Amanda, Johna, Jennifer and Tiffany. A special thank to Caity for being my friend and family in a strange land, so far

  • Upload
    others

  • View
    2

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

 

(S

A

LIGHT

SINTESE

ANDRE ALE

T CONTR

E DE ÁCI

EXANDRE

ROLLED

DOS NU

   

 COTTA G     

 SYNTH

UCLEICO

      

DisserDoutopela Ciênci     

LISBOA, 20

UERRA VI

ESIS OF

OS CONT

rtação  apresor em BioquíUniversidadias e Tecnolo

010 

 

IDAL PINH

F NUCLE

TROLAD

sentada  parímica – Espede  Nova  de ogia 

HEIRO 

EIC ACID

DA POR 

a  obtenção ecialidade BiLisboa,  Fa

DS 

LUZ) 

do Grau  deotecnologia,aculdade  de

e  e 

II  

   

III  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nº de Arquivo 

 

“copyright”

IV  

   

V  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A meus pais 

To my parents

VI  

VII  

ACKNOWLEDGEMENTS 

 

 

As we express our gratitude, we must never forget that the highest appreciation is not to 

utter words, but to live by them. 

 John F. Kennedy 

 

In the course of the years passed,  I had the privilege and honor of having the support of many people 

and  institutions,  whose  contribution  was  decisive  for  the  completion  of  the  work  here  presented. 

Without them, none of it would have been possible. To all of you, I present my deepest appreciation, in 

particular to: 

 

Aos meus  orientadores  Professor  João  Carlos  Lima  e  Professor  Pedro  Viana  Baptista,  por me  terem 

ensinado como um aluno e discutido ideias como um par. Pela vossa incansável disposição e dedicação à 

minha  formação  científica.  Pela  porta  sempre  aberta.  Pelas  palavras  de  apreço  nas  victórias,  pela 

sensatez nos infortúnios e pelos berros na deriva. Por terem embarcado neste projecto. 

 

We are what we repeatedly do. Excellence then, is not an act, but a habit. 

Aristotle 

 

Ao meu amigo João Carlos, pelas infindáveis conversas acerca de tudo e mais alguma coisa, dentro e fora 

do laboratório. Por me ter ensinado a verdadeira essência da ciência. Por ter sido sempre o contra‐peso 

em qualquer situação explosiva e me ensinar a lidar com isso. Por ter sido um oásis de excelência que me 

ensinou a “ser arrogante o suficiente para acreditar em mim e humilde o suficiente para aprender com 

os melhores”. Por ter sido o contra‐peso que equilibrou a balança. 

 

I am easily satisfied with the very best.  

Winston Churchill 

 

Ao meu amigo Pedro, por nunca estar satisfeito, por toda a exigência e intransigências, que fizeram não 

mais do que me conduzir a ser mais, maior e melhor. Pelas infindáveis conversas e discussões, por vezes 

VIII  

acesas,  acerca  de  política,  bola  ou  temas menos  elevados.  Por  ter  sido  o  peso  que  desiquilibrou  a 

balança. 

 

À Fundação para a Ciência e Tecnologia, pelo apoio  financeiro  (SFRH/BD/24276/2005) que permitiu a 

condução  dos  trabalhos  realizados  e  o  patrocínio  à  participação  em  conferencias  nacionais  e 

internacionais. 

 

Ao  Departamento  de  Quimica  e  ao  Departamento  de  Ciências  da  Vida,  Faculdade  de  Ciencias  e 

Tecnologia,  Universidade  Nova  de  Lisboa  e  aos  seus  membros  pelo  apoio  e  por  disponibilizar  as 

condições  necessárias  à  execução  dos  trabalhos  realizados.  Em  particular  ao  Zé  Luis, Ricardo  Franco, 

Jorge  Caldeira,  João  Paulo  Noronha,  Filipe  Folgosa,  Luz,  Rosario,  Vitor,  Idalina  e  Conceição,  César, 

Maggie, Ana Paula, Sofia, João, Dora, Renato, Marco e Carla. 

 

Ao Grupo de Fotoquímica e Quimica Supramolecular, por ter sido a minha escola de Química, e aos seus 

membros que me acompanharam desde o  inicio da minha  licenciatura, em particular, Carlos Pinheiro, 

Leticia,  Laura, Carlos  Lodeiro, César, Alexandre, Márcia, Avó, Yoan e Raquel. Uma palavra especial  ao 

Professor  Pina  por me  ter  acolhido  e  por  tudo  o  que me  ensinou.  À  Ana Marta,  pela  sua  profunda 

amizade, contagiante boa disposição e atenção que fazia o trabalho valer a pena. À Raquelita, por todos 

os cigarros e terapia, pela realidade nua e crua, pela tão querida amizade. Ao Bruno por ter sido o meu 

parceiro  de  cowboiada  fora  do  laboratório,  em  tantos  momentos  de  trabalho.  Uma  palavra  de 

agracedimento em particular ao Professor Jorge Parola, ao meu orientador não oficial, por todo o apoio 

durante os vários projectos. Por me  ter ensinado as artes obscuras da síntese orgânica. Pela sensatez 

durante o delírio colectivo. 

 

Ao Centro de  Investigação de Genética Molecular Humana, Pólo 1, por ter sido a minha escola de bio‐

coisas e aos seus membros, em particular, Maria, Ana, Quaresma, Red, Larguinho, Conde, Goku, Tavares, 

Inês, Veigas, Rita, Chang, Solange, Madalena e Carina, por todos os momentos imortais que tornaram o 

315 a minha segunda casa durante os quatro anos de trabalho experimental. Um grande bem‐haja ao 

Revolt e Crossfire por todos os momentos de trabalho árduo que proporcionaram. 

 

Uma  palavra  em  particular  ao Gonçalo, meu  parceiro  de  tormentas  e  calmarias,  por  toda  atenção  e 

contribuições  ao meu  trabalho.  Pela  amizade  dentro  e  fora  do  laboratório,  nas  aulas,  na  gestão  do 

IX  

laboratório e seus colaboradores, pelo apoio incondicional. Uma palavra em particular ao Rosinha, Man, 

pelas  infindáveis conversas dentro e  fora do  laboratório e do campo de  futebol. À Marta por todos os 

vidros partidos, pelos cigarros e msn, pela amizade que 7500 km não mudaram. 

 

Às meninas da Conservação e Restauro, minhas colegas e amigas, por todos os momentos de diversão e 

por me  terem  concedido  guarida  durante  tempos  de  escrita.  Em  particular  à  Joana,  Ana,  Catarina, 

Micaela e Ana. 

 

Ao João Pina e ao Professor Sergio Seixas de Melo, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade de 

Coimbra, por toda a ajuda e medição dos tempos de vida. 

 

Ao Zé Inácio e à Professora Isabel Sá Nogueira, Instituto de Tecnologia Química e Biológica, Universidade 

Nova de Lisboa, pelo auxílio nas experiencias de transcrição  in vitro usando nucleótidos marcados com 

radioactividade. 

 

To  Professor Milan  Stojanovic,  Columbia  University,  for  the  amazing  opportunity  to  join  the  spider 

project and his valuable contributions regarding work and much more. To Professor Hao Yan, Biodesign 

Institute, for the opportunity to join his lab, learn DNA structural nanotechnology and for allowing me to 

continue the spider project while writing my thesis. To my Biodesign colleagues,  in particular to Ashok 

and Chad,  for  their  friendship  that went beyond work. A  special  thank  to  Jeanette  for  the  long AFM 

hours, helpful scientific discussions, mutual therapy and her precious friendship. 

 

To my  American  friends,  Lauren,  Ashley,  Twig,  Doug,  Kelly,  Kylie,  Derrick,  Brian,  Zach,  Katie,  Lellee, 

Amanda, Johna, Jennifer and Tiffany. A special thank to Caity for being my friend and family in a strange 

land, so far away from home. For taking care of me and opening the doors to her life. “It isn’t a big thing. 

It’s the million little things”. 

 

A todos os meus amigos, em particular, Nucha, Quico, Cardoso, Tiago, Joana, Mario, Sara, Artur, Pedro, 

Tiago, Nuno, Pierre, Rato, Pitcher, Ruben e Rita, por terem contribuído de forma decisiva para que esta 

etapa tenha sido fantástica. Uma palavra especial para a Mariana pela companhia e gostos em comum 

que poucos partilham. À Joaninha, pela extraordinária amizade a sensatez, que me iluminou incontáveis 

vezes  o  caminho.  À  Ana  Diniz,  pelo  apoio  incondicional  e  força  que  me  deu  durante  uma  parte 

X  

considerável do doutoramento. Ao Gonçalo, o meu primo acima de todos os outros, pela ajuda mutua 

nos  tempos difíceis e  comemoração nas victórias, pelo  respeito e  conselho que  sempre procuro para 

decisões dificeis. Ao Terrinha von Dudster, por todos os tempos que passamos  juntos, a  fazer tudo ou 

nada, pelas nades, balázios, giros sem destio, torranço na praia e raquetada, por estar sempre presente 

em todos os momentos. Ao Caldas, e à sua família, pela amizade e carinho que nutriram desde o inicio 

da minha vida. 

 

À minha família, em particular à Tia Xanda e o meu Padrinho, às minhas irmãs, cunhado e sobrinhos, e 

em  especial  aos meus pais, pelo  apoio  incondicional, por  terem  sempre  acreditado em mim, por me 

terem guiado, por tudo o que sou e serei. Sem eles nada disto teria sido possível. 

 

My deepest appreciation for the help and contribution to this journey that is now getting to its end. 

 

Thank you! 

 

Andre 

XI  

XII  

 

   

XIII  

SUMÁRIO  

O principal objectivo da  tese aqui apresentada  foi a criação e desenvolvimento de um sistema para a 

síntese  enzimática  de  ácidos  nucleicos  controlados  por  luz.  A  ideia  baseia‐se  na  funcionalização  de 

nucleótidos com grupos protectores fotolábeis (ou nucleótidos engaiolados), que não são reconhecidos 

como substratos pelas polimerases. Através da absorção de luz, o grupo protector fotolábil é removido e 

o  nucleótido  liberto,  sendo  de  seguida  incorporado  na  cadeia  de  ácido  nucleico  a  ser  sintetizada.  A 

libertação específica do nucleótido desejado, de entre uma mistura de nucleótidos, é conseguida através 

da  funcionalização  de  cada  tipo  de  nucleótido  com  um  grupo  protector  diferente,  apresentando  um 

espectro  de  absorção  distincto.  Utilizando  radiação  monocromática  o  nucleótido  é  liberto 

inequivocamente,  levando à sua  incorporação. A sequência de  irradiação definiria, em ultima análise, a 

sequência da cadeia a ser sintetizada. De modo a ultrapassar a dependência de uma cadeia molde na 

síntese de ADN  (ou ARN),  foi utilizada uma polimerase de ADN que não necessita de  cadeia molde – 

Terminal deoxinucleotidil Transferase. 

 

Derivados  da  4‐metilcumarina  foram  escolhidos  como  grupos  protectores  fotolábeis  e  a  síntese  de 

nucleótidos  engaiolados  foi  alcançada  com  sucesso.  A  caraterização  fotofísica  e  fotoquímica  da  

[7‐dietilcumarina‐4‐il]metil fosfato (DEACM‐P) foi efectuada. Foi observada uma dependência entre o pH 

e  a  fotoquímica de  libertação da DEACM‐P,  e um novo modelo para  a  fotoquímica dos derivados da  

4‐metilcumarina foi proposto. Este modelo tem em conta a concentração do ião hidóxilo na formação do 

fotoproduto 4‐hidroximetilcumarina. A caracterização fotofísica e fotoquímica da P3‐[7‐dietilcumarina‐4‐

il]metil adenosina trifosfato  (DEACM‐ATP), P3‐[7‐dietilcumarina‐4‐il]metil guanosina trifosfato (DEACM‐

GTP),  P3‐[7‐metoxycumarina‐4‐il]metil  adenosina  trifosfato  (MCM‐ATP)  e  P3‐[7‐metoxycumarina‐4‐

il]metil guanosina trifosfato (MCM‐GTP) foi efectuada. Os grupos DEACM e MCM apresentam espectros 

de absorção em regiões distintas (λmax = 390 nm e 325 nm, respectivamente), permitindo a irradiação e 

libertação selectiva desejada. 

 

 

 

XIV  

Nucleótidos  engaiolados  foram  utilizados  em  reacções  de  trancrição  in  vitro.  Níveis  residuais  de 

transcrição foram observados quando utilizados nucleótidos derivados com um grupo cumarínico. Após 

irradiação foram obtidos produtos de transcrição completos e específicos, demonstrando que a luz pode 

ser utilizada para  a  activação da  síntese de  ácidos nucleicos. Ambos os derivados de DEACM e MCM 

foram usados  como grupos protectores, apresentando um  comportamento  semelhante. Derivados de 

ATP e GTP foram usados com sucesso como actuadores na síntese de ARN activada por luz, embora não 

foi  possível  obter  transcritos  quando DEACM‐GTP  foi  utilizado.  A  incorporação  de  nucleótidos  numa 

cadeia de  ácido nucleic  em  síntese  activada  por  luz  foi  conseguida  com  sucesso utilizando  a  T7 RNA 

Polimerase  e  a  Terminal  deoxinucleotidil  Transferase.  Foi  observado  um  efeito  inibitório  devido  à 

presença  do  produto  de  fotólise  7‐dietilamino‐4‐hidroximetilcumarina  (DEACM‐OH)  sob  a  T7  RNA 

Polimerase.  No  entanto,  o  efeito  inibitório  pôde  ser  parcialmente  suprimido  através  da  adição  de  

β‐ciclodextrina à reacção de transcrição in vitro. 

 

 

 

   

XV  

ABSTRACT 

 

The main  objective  of  this  thesis was  the  design  and  development  of  a  system  for  the  enzymatical 

synthesis of nucleic acids  controlled by  light. The overall  concept  is based on  the  functionalization of 

nucleotides with photoremovable protecting groups  (or caged‐nucleotides),  that cannot be  recognized 

as substrates by the polymerases. Upon light absorption, the photo‐protecting group is cleaved and the 

nucleotide released, thus being incorporated in a growing nucleic acid chain. The specific release of the 

desired nucleotide, from a nucleotide mixture, is achieved functionalizing each type of nucleotide with a 

different  caging  group,  presenting  a  distinct  absorption  spectrum.  Through  irradiation  with 

monochromatic  light,  the  specific  nucleotide  can  be  released  unambiguously,  leading  to  its 

incorporation.  The  irradiation  sequence  would,  ultimately,  define  the  sequence  of  the  strand  being 

formed.  In order  to overcome  the  template‐directed DNA  (or RNA) synthesis, a  template‐independent 

DNA polymerase was used – Terminal deoxynucleotidyl Transferase. 

 

Derivatives of 4‐methylcoumarin were chosen as photoremovable protecting groups and the successful 

synthesis of caged‐nucleotides was achieved. The photophysical and photochemical characterization of 

[7‐diethylaminocoumarin‐4‐yl]methyl  phosphate  (DEACM‐P)  was  performed.  A  dependence  of  the 

DEACM‐P  photochemistry  on  pH  was  found,  and  a  new  model  for  4‐methylcoumarin  derivatives 

photochemistry  was  proposed.  This  model  accounts  for  the  hydroxyl  concentration  in  the  

4‐hydroxymethylcoumarin  photoproduct  formation.  The  photophysics  and  photochemistry 

characterization of P3‐[7‐diethylaminocoumarin‐4‐yl]methyl adenosine  triphosphate  (DEACM‐ATP), P3‐

[7‐diethylaminocoumarin‐4‐yl]methyl guanosine triphosphate (DEACM‐GTP), P3‐[7‐methoxycoumarin‐4‐

yl]methyl  adenosine  triphosphate  (MCM‐ATP)  and  P3‐[7‐methoxycoumarin‐4‐yl]methyl  guanosine 

triphosphate (MCM‐ATP)   was performed. The DEACM and MCM groups present absorption spectra  in 

different regions (λmax = 390 nm and 325 nm, respectively), allowing for the desired selective irradiation 

and cleavage. 

 

 

XVI  

Caged‐nucleotides  were  applied  to  in  vitro  transcription  reactions.  When  the  nucleotide  was 

functionalized with a coumarin derivative, only residual RNA product formation could be detected. After 

irradiation,  full  size  specific  transcription  product  was  obtained,  showing  that  light  can  be  used  to 

activate the synthesis of nucleic acids. Both DEACM and MCM derivatives were used as caging groups, 

presenting  similar  behavior.  Both  ATP  and  GTP  were  successfully  used  as  actuators  for  the  light‐

controlled  synthesis of RNA, although no  transcription was attained when DEACM‐GTP was used. The 

light‐activated incorporation of nucleotides in a growing nucleic acid strand was successfully performed 

using  the  T7  RNA  Polymerase  and  the  Terminal  deoxynucleotidyl  Transferase.  It was  found  that  the  

7‐diethyl‐4‐hydroxymethylcoumarin (DEACM‐OH) photoproduct presented an  inhibitory effect over the 

T7  RNA  Polymerase,  but  that  the  inhibition  could  be  partially  suppressed  through  the  addition  of  

β‐cyclodextrin to the reaction.   

XVII  

SYMBOLS AND NOTATIONS  

3’‐OH – 3’‐hydroxyl 

f – Mataga solvent polarity 

ε ‐ molar extinction coefficient (in M‐1cm‐1) 

μ ‐ dipole moment 

ν ‐ frequency 

Φf – fluorescence quantum yield 

Φchem – photochemical quantum yield  

τ ‐ lifetime 

A – absorbance 

Abs ‐ absorption 

ADP – adenosine diphosphate 

AMP – adenosine monophosphate 

AMPA ‐ α‐amino‐3‐hydroxy‐5‐methyl‐4‐isoxazolepropionic acid 

anti‐hh – anti‐head‐to‐head 

anti‐ht – anti‐head‐to‐tail 

ATP – adenosine triphosphate 

BAPTA ‐ 1,2‐bis(o‐aminophenoxy)ethane‐N,N,N’N’‐tetraacetic acid 

Bhc – 6‐bromo‐7‐hydroxycoumarin 

BSA – bovine serum albumin 

cAMP – cyclic adenosine monophosphate 

cGMP – cyclic guanosine monophosphate 

CM – coumarin 

CNS – central nervous system 

CTP – cytidine triphosphate 

dATP – deoxyadenosine triphosphate 

dCTP – deoxycytidine triphosphate 

DEACM – 7‐diethylamino‐4‐methylcoumarin 

DEACM‐ATP – P3‐[7‐diethylaminocoumarin‐4‐yl]methyl adenosine 5’‐triphosphate 

DEACM‐GTP ‐ P3‐[7‐diethylaminocoumarin‐4‐yl]methyl guanosine 5’‐triphosphate 

DEACM‐OH – 7‐diethylamino‐4‐hydroxymethylcoumarin 

DEACM‐P – [7‐diethylaminocoumarin‐4‐yl]methyl phosphate 

dGTP – deoxyguanosine triphosphate 

DMB ‐ 3’,5’‐dimethoxybenzoin group 

DMNB – dimethoxy‐2‐nitrobenzyl group 

DMNPE ‐ 1‐(4, 5‐dimethoxy‐2‐nitrophenyl)ethyl group 

DNA – deoxyribonucleic acid 

dNTP – deoxyribonucleotide 

DTT – dithiothreitol 

dTTP – deoxythymidine triphosphate 

E. coli – Escherichia coli 

EDTA – ethylenediamine tetraacetic acid 

EGTA – ethylene glicol tetraacetic acid 

FISH – fluorescence in situ hybridization  

XVIII  

GTP – guanosine triphosphate 

GFP – green fluorescent protein 

HEPES ‐ 4‐(2‐hydroxyethyl)‐1‐piperazineethanesulfonic acid 

HMPA – hexamethylphosphoramide 

HOMO – highest occupied molecular orbital 

HPLC – high performance liquid chromatography 

Ka – association constant 

kchem – photochemical rate constant 

kIC – internal conversion rate constant 

kISC – intersystem crossing rate constant 

kf – fluorescence rate constant 

knr – non‐radiative rate constant 

LUMO – lowest unoccupied molecular orbital 

MCM – 7‐methoxy‐4‐methylcoumarin 

MCM‐ATP – P3‐[7‐methoxy‐4‐hydroxymethyl‐4‐yl]methyl adenosine 5’‐triphosphate 

MCM‐GTP – P3‐[7‐methoxy‐4‐hydroxymethyl‐4‐yl]methyl guanosine 5’‐triphosphate 

MCM‐OH – 7‐methoxy‐4‐hydroxymethylcoumarin 

MCM‐P – [7‐methoxy‐4‐hydroxymethyl‐4‐yl]methyl phosphate 

mRNA – messenger ribonucleic acid 

NB – nitrobenzyl group 

ncPNA – negatively charged peptide nucleic acid 

NMDA – N‐methyl‐d‐aspartate 

NMR – nuclear magnetic resonance 

NPE – nitrophenylethyl group 

NSF – N‐ethylmaleimide sensitive factor 

NTP (or rNTP) – ribonucleotide 

OD – optical density 

qPCR – quantitative polymerase chain reaction 

PAGE – polyacrylamide gel electrophoresis 

PCR – polymerase chain reaction 

pHP ‐ p‐hydroxyphenacyl group 

PL – photocleavable linker 

RISC – RNA induced silencing complex 

RNA – ribonucleic acid 

rRNA – ribosomal ribonucleic acid 

RT‐PCR – reverse transcription polymerase chain reaction 

SDS – sodium dodecyl sulphate 

siRNA – small interference ribonucleic acid 

Sn – singlet excited state n 

syn‐hh – syn‐head‐to‐head 

syn‐ht – syn‐heat‐to‐tail 

TAE – tris acetate EDTA 

TBE – tris borate EDTA 

TdT – terminal deoxynucleotidyl transferase 

THF – tetrahydrofuran 

TICT – twisted intramolecular charge transfer 

TLC – thin layer chromatography 

XIX  

Tn – triplet excited state n 

Tris – tris(hydroxymethyl)aminomethane 

tRNA – tranfer ribonucleic acid 

TTP – thymidine triphosphate 

UTP – uridine triphosphate 

UV – ultra‐violet 

 

 

 

 

 

 

   

XX  

   

XXI  

TABLE OF CONTENTS  

 ACKNOWLEDGEMENTS ............................................................................................................. VII 

SUMÁRIO ................................................................................................................................. XIII 

ABSTRACT ................................................................................................................................ XV 

SYMBOLS AND NOTATIONS .................................................................................................... XVII 

TABLE OF CONTENTS ............................................................................................................... XXI 

FIGURE INDEX ......................................................................................................................... XXV 

TABLE INDEX ......................................................................................................................... XXIX 

CHAPTER 1. General Introduction ................................................................................................ 1 

1.1. Light to Synthesize Nucleic Acids ........................................................................................................3 

1.2. Nucleic Acids Synthesis .......................................................................................................................3 

1.2.1. Nucleic Acids Structure ................................................................................................................3 

1.2.2. Synthesis of Nucleic Acids in vivo .................................................................................................7 

1.2.3. Nucleic Acids Polymerases ...........................................................................................................9 

1.2.4. In vitro synthesis of Nucleic Acids ............................................................................................. 18 

1.2.5. Light Control of RNA Synthesis ‐ What component should be controlled? .............................. 21 

1.3. Caged Molecules .............................................................................................................................. 22 

1.3.1. Caged Compounds .................................................................................................................... 22 

1.3.2. Caged Compounds in Bio‐Applications ..................................................................................... 23 

1.3.3. Photolabile Protecting Groups .................................................................................................. 30 

1.4. Photophysics and Photochemistry of Coumarins ............................................................................ 35 

1.4.1. Introduction to Photochemistry ................................................................................................ 35 

1.4.2. Coumarin Ground‐State and Photophysical Properties ............................................................ 45 

1.4.3. Coumarin Photochemical Properties ........................................................................................ 52 

1.5. Light‐controlled Nucleic Acids Typewriter – an Overview ............................................................... 59 

CHAPTER 2. Materials and Methods .......................................................................................... 63 

2.1. General Information ......................................................................................................................... 64 

2.2. Synthesis of Coumarin Derivatives ................................................................................................... 64 

2.2.1. Synthesis of 7‐diethylamino‐4‐methylhydroxycoumarin (DEACM‐OH) .................................... 64 

2.2.2. Synthesis of [7‐diethylaminocoumarin‐4‐yl]methyl di‐tert‐butyl phosphate (DEACM‐tBut) ... 65 

XXII  

2.2.3. Synthesis of [7‐diethylaminocoumarin‐4‐yl]methyl phosphate (DEACM‐P) ............................. 66 

2.2.4. Synthesis of P3‐[7‐diethylaminocoumarin‐4‐yl]methyl adenosine 5’‐triphosphate 

(DEACM‐ATP) ....................................................................................................................................... 66 

2.2.5. Synthesis of 7‐methoxy‐4‐methylhydroxycoumarin (MCM‐OH) .............................................. 67 

2.2.6. Synthesis of [7‐methoxycoumarin‐4‐yl]methyl di‐tert‐butyl phosphate (MCM‐tBut) .............. 68 

2.2.7. Synthesis of [7‐methoxycoumarin‐4‐yl]phosphate (MCM‐P) ................................................... 68 

2.2.8. Synthesis of P3‐[7‐methoxycoumarin‐4‐yl]methyl adenosine 5’‐triphosphate (MCM‐ATP) and  P3‐[7‐methoxycoumarin‐4‐yl]methyl guanine 5’‐triphosphate (MCM‐GTP) ...................................... 69 

2.2.9. Synthesis of P3‐[7‐diethylaminocoumarin‐4‐yl]methyl guanine 5’‐triphosphate 

(DEACM‐GTP) ....................................................................................................................................... 69 

2.3. Photophysical and Photochemical Characterization ........................................................................ 70 

2.3.1. Absorption and Emission Titrations .......................................................................................... 70 

2.3.2. Fluorescence and Photochemical Quantum Yield Determinations ........................................... 72 

2.3.3. Time‐Resolved Fluorescence Spectroscopy Measurements ..................................................... 74 

2.3.4. Flash Photolysis Experiments .................................................................................................... 74 

2.3.5. DEACM‐ATP Irradiation Profiles ................................................................................................ 75 

2.4. Light‐controlled in vitro Synthesis of Nucleic Acids .......................................................................... 75 

2.4.1. Transcription Template Cloning and Purification ...................................................................... 75 

2.4.2. In vitro Transcription ................................................................................................................. 76 

2.4.3. Reverse Transcription (RT) and Real‐Time PCR Reaction .......................................................... 77 

2.4.4. Light Activated Polymerization Using Terminal deoxynucleotidyl Transferase ........................ 77 

2.5. DEACM‐OH Inhibition Experiments .................................................................................................. 78 

2.5.1. DEACM‐OH Inhibition Effect ...................................................................................................... 78 

2.5.2. DEACM‐OH Inhibition Suppression: β‐lactoglobulin ................................................................. 79 

2.5.3. DEACM‐OH/β‐Cyclodextrin Association Constant Determinations .......................................... 79 

2.5.4. DEACM‐OH Inhibition Suppression: β‐cyclodextrin .................................................................. 79 

CHAPTER 3.  Photophysical  and  Photochemical Characterization of DEACM Derivatives .......... 81 

3.1. Synthesis of P3‐[7‐diethylaminocoumarin‐4‐yl]methyl adenosine 5’‐triphosphate 

(DEACM‐ATP) ........................................................................................................................................... 82 

3.2. Ground State Properties of DEACM‐OH and DEACM‐P .................................................................... 86 

3.3. Dependence of DEACM‐OH and DEACM‐P Photophysics and Photochemistry on pH .................... 89 

3.4. Flash Photolysis Studies of DEACM‐H, DEACM‐OH and DEACM‐P ................................................. 101 

XXIII  

3.5. Characterization of DEACM‐ATP Caged Nucleotide ....................................................................... 108 

CHAPTER 4. Light Activated in vitro Transcription Reactions .................................................... 117 

4.1. Using Light to Control the Synthesis of RNA .................................................................................. 118 

4.1.1. DEACM‐ATP Irradiation Profiles .............................................................................................. 119 

4.1.2. Light Activated in vitro Transcription ...................................................................................... 120 

4.1.3. Inhibition Effect of DEACM‐OH ............................................................................................... 123 

4.2. Suppression of DEACM‐OH Inhibition in Light‐controlled in vitro Transcription Reactions .......... 126 

4.2.1. β‐Lactoglobulin ........................................................................................................................ 127 

4.2.2. Cyclodextrins ........................................................................................................................... 129 

4.3. Light Activated Polymerization Using Terminal deoxynucleotidyl Transferase ............................. 136 

CHAPTER 5. Light Controlled Synthesis of Nucleic Acids Using Multi‐Wavelength Excitation .... 143 

5.1. Synthesis of 7‐methoxy‐4‐methylcoumarin Derivatives ................................................................ 144 

5.2. Photochemical Characterization of DEACM‐GTP, MCM‐ATP and MCM‐GTP ................................ 150 

5.3. Light‐activated in vitro Transcription Reactions Using DEACM‐ and MCM‐Caged Nucleotides .... 153 

5.4. Light‐Input, RNA‐Output Logic Gates ............................................................................................. 155 

CHAPTER 6. Conclusions and Future Perspectives .................................................................... 161 

REFERENCES ............................................................................................................................ 169 

 

   

XXIV  

   

XXV  

FIGURE INDEX  

Figure 1.1 – Chemical structure of nucleotides ..............................................................................................4 

Figure 1.2 – Natural occurring nitrogen bases in DNA and RNA ....................................................................5 

Figure 1.3 – The DNA double helix .................................................................................................................7 

Figure 1.4 – Central dogma in genetics ..........................................................................................................8 

Figure 1.5 – Schematic representation of the polymerization of a DNA strand .......................................... 10 

Figure 1.6 –Crystal structure of Taq DNA polymerase I .............................................................................. 11 

Figure 1.7 – Crystal structure of the RNA Polymerase/DNA template complex .......................................... 14 

Figure 1.8 – Schematization of the transcription bubble complex in RNA Polymerase .............................. 15 

Figure 1.9 – Proposed structure of the Terminal deoxynucleotidyl Transferase ......................................... 17 

Figure 1.10 – Polymerase Chain Reaction ................................................................................................... 19 

Figure 1.11 – The first photo‐activated biomolecule to be called “caged”: Caged‐ATP with a nitrobenzyl 

group ........................................................................................................................................................... 23 

Figure 1.12 – Photocleavage mechanism of nitrophenil protecting group. ................................................ 31 

Figure 1.13 – Photocleavage mechanism of benzoin protecting group ...................................................... 32 

Figure 1.14 – Photocleavage mechanism of p‐hydroxyphenancil protecting group ................................... 33 

Figure 1.15 – Franck‐Condon principle and vertical transitions .................................................................. 38 

Figure 1.16 – The Jablonski diagram ........................................................................................................... 39 

Figure 1.17 – The solvatochromic effect ..................................................................................................... 41 

Figure 1.18 – Photophysical and photochemical processes ........................................................................ 44 

Figure 1.19 – Coumarin moiety and some common derivatives ................................................................. 45 

Figure 1.20 – Absorption and emission spectra of the coumarin derivatives shown in Figure 1.19 ........... 46 

Figure 1.21 – Absorption and emission spectra of ClMMC ......................................................................... 48 

Figure 1.22 – Photophysical deactivating processes in 7‐aminocoumarin derivatives ............................... 51 

Figure 1.23 – Effect of the solvent polarity on the non‐radiative rate constant (knr) of DEACM ................ 52 

Figure 1.24 – Structures of coumarin dimers .............................................................................................. 53 

Figure 1.25 – Mechanism of (coumarin‐4‐yl)methyl photochemistry proposed by Schade and  

co‐workers ................................................................................................................................................... 56 

Figure 3.1 – Synthesis of 7‐diethylamino‐4‐hydroxymethylcoumarin (DEACM‐OH) ................................... 83 

Figure 3.2 – Synthesis of [7‐diethylaminocoumarin‐4‐yl]methyl di‐tert‐butyl phosphate (DEACM‐tBut) .. 84 

Figure 3.3 – Synthesis of [7‐diethylaminocoumarin‐4‐yl]phosphate (DEACM‐P) ........................................ 84 

XXVI  

Figure 3.4 – Activation of ADP precursor ..................................................................................................... 85 

Figure 3.5 – Synthesis of P3‐[7‐diethylaminocoumarin‐4‐yl]methyl adenosine triphosphates  

(DEACM‐ATP) ............................................................................................................................................... 86 

Figure 3.6 – A) DEACM‐OH and DEACM‐P structure ................................................................................... 87 

Figure 3.7 – Spectrophotometric titration of DEACM‐OH and DEACM‐P .................................................... 88 

Figure 3.8 – Fluorimetric titration of DEACM‐OH and DEACM‐P ................................................................ 89 

Figure 3.9 – DEACM‐OH  and DEACM‐P  acid‐base equilibria ..................................................................... 90 

Figure 3.10 – Photochemical and fluorescence quantum yields of DEACM‐P as function of pH ................. 91 

Figure 3.11 – Time resolved fluorescence measurements of DEACM‐OH and DEACM‐P as  

function of pH .............................................................................................................................................. 92 

Figure 3.12 – Overall deactivating rate constant of DEACM‐HPO4– species as function of hydroxyl anion 

concentration. ............................................................................................................................................. 95 

Figure 3.13 – Kinetic model for the photochemistry of DEACM‐P involving a pH dependent equilibrium  

affecting 1[CP] .............................................................................................................................................. 95 

Figure 3.14 ‐ Overall deactivating rate constant of DEACM‐HPO4– based on the kinetic model presented in 

Figure 3.13. .................................................................................................................................................. 97 

Figure 3.15 – Kinetic model for the photochemistry of DEACM‐P involving buffer quenching of 1[CP] ...... 97 

Figure 3.16 ‐ Overall deactivating rate constant of DEACM‐HPO4– based on the kinetic model presented in 

Figure 3.15 ................................................................................................................................................... 98 

Figure 3.17 ‐ Kinetic model for the photochemistry of DEACM‐P involving a nucleophilic attack to an 

intermediary formed from 1[CP] state. ........................................................................................................ 99 

Figure 3.18 – Flash Photolysis transient spectroscopy of DEACM‐P .......................................................... 101 

Figure 3.19 – Effect of the pH on the DEACM‐P transient intermediary species ....................................... 102 

Figure 3.20 – Transient spectra of Coumarin 1 and DEACM‐OH ............................................................... 103 

Figure 3.21 – Effect of oxygen on the transient spectra of Coumarin 1, DEACM‐OH and DEACM‐P ........ 106 

Figure 3.22 – Transient absorption spectra of 6,7‐dimethoxycoumarin ................................................... 107 

Figure 3.23 – Absorption and emission spectra of DEACM‐OH, DEACM‐P and DEACM‐ATP solutions ..... 108 

Figure 3.24 – DEACM‐ATP spectrophotometic titration in 10 mM Tris‐phosphate buffer ........................ 109 

Figure 3.25 – Acid‐base equilibria of adenosine triphosphate .................................................................. 110 

Figure 3.26 – DEACM‐ATP fluorimetric titration in 10 mM Tris‐phosphate buffer ................................... 111 

Figure 3.27 – Photochemical quantum yield of DEACM‐ATP disappearance and DEACM‐OH production as  

function of pH ............................................................................................................................................ 114 

XXVII  

Figure 3.28 – Photochemical quantum yields of DEACM‐ATP disappearance, and DEACM‐OH and  

ATP appearance ........................................................................................................................................ 115 

Figure 4.1 – Photolysis of DEACM‐ATP and ATP release ........................................................................... 118 

Figure 4.2 – Irradiation profiles of four different concentrations of DEACM‐ATP in water, pH 7.0 .......... 120 

Figure 4.3 – In vitro transcription using DEACM‐ATP ................................................................................ 121 

Figure 4.4 – Relative quantification of full‐length transcription products as function of ATP released after  

DEACM‐ATP irradiation ............................................................................................................................. 122 

Figure 4.5 – Effect of DEACM‐OH in transcription reactions ..................................................................... 123 

Figure 4.6 – Effect of DEACM‐OH presence in transcription reactions...................................................... 124 

Figure 4.7 – Molecular structure of Clorobiocin, Novobiocin and Coumermycin A1 ................................. 125 

Figure 4.8 – Crystal structure of β‐lactoglobulin complexed with a cholesterol molecule ....................... 128 

Figure 4.9 ‐ Effect of the presence of β‐lactoglobulin in transcription reactions ...................................... 129 

Figure 4.10 – DEACM derivatives involved in a light controlled in vitro transcription reaction (DEACM‐OH 

and DEACM‐ATP) and β‐cyclodextrin ........................................................................................................ 130 

Figure 4.11 – Effect of the presence of β‐cyclodextrin in transcription reactions ..................................... 131 

Figure 4.12 – Formation of DEACM‐OH/β‐cyclodextrin complex .............................................................. 132 

Figure 4.13 – DEACM‐OH fluorescence emission intensity at 570 nm as function of  β‐cyclodextrin  

concentration ............................................................................................................................................ 133 

Figure 4.14 – β‐Cyclodextrin and reduction of inhibition .......................................................................... 135 

Figure 4.15 – Incorporation of deoxyribonucleotides to a 20‐mer oligonucleotide by the Terminal 

deoxynucleotidyl Transferase .................................................................................................................... 138 

Figure 4.16 – Incorporation of ribonucleotides to a 20‐mer oligonucleotide by the Terminal 

deoxynucleotidyl Transferase .................................................................................................................... 140 

Figure 4.17 – Effect of the presence of DEACM‐OH in a template independent TdT‐catalyzed ATP addition 

to a single stranded 20‐mer oligonucleotide ............................................................................................. 141 

Figure 4.18 – Light activated template independent TdT‐catalyzed ATP addition to a single stranded 20‐

mer oligonucleotide ................................................................................................................................... 142 

Figure 5.1 – Structure of coumarins with strong electro‐donating groups in the 7‐ position and/or electro‐

withdrawing groups in the 3‐ position ...................................................................................................... 145 

Figure 5.2 – Synthesis of the (7‐methoxycoumarin‐4‐yl)methyl acetate .................................................. 146 

Figure 5.3 – Synthesis of the 7‐methoxy‐4‐hydroxymethylcoumarin (MCM‐OH) ..................................... 147 

Figure 5.4 – Synthesis of MCM‐tBut .......................................................................................................... 147 

XXVIII  

Figure 5.5 – Synthesis of (7‐methoxycoumarin‐4‐yl)methyl phosphate (MCM‐P) .................................... 148 

Figure 5.6 – Synthesis of MCM‐ATP and MCM‐GTP .................................................................................. 149 

Figure 5.7 – Synthesis of DEACM‐GTP ....................................................................................................... 149 

Figure 5.8 – Absorption and emission spectra of DEACM‐ATP and DEACM‐GTP ...................................... 150 

Figure 5.9 – Absorption and emission spectra of MCM‐ATP and MCM‐GTP ............................................ 151 

Figure 5.10 – Selective excitation and photochemistry of DEACM and MCM caging groups ................... 152 

Figure 5.11 – Light‐activated in vitro transcription reaction using DEACM‐ATP, DEACM‐GTP, MCM‐ATP  

or  MCM‐GTP ............................................................................................................................................. 154 

Figure 5.12 – Truth tables for AND, OR and NOT logic gates .................................................................... 157 

Figure 5.13 – Design of a light‐input/RNA‐output OR logic gate .............................................................. 157 

Figure 5.14 ‐ Design of a light‐input/RNA‐output AND logic gate ............................................................ 158 

Figure 5.15 – Design of a light‐input/RNA‐output NOT logic gate ............................................................ 159 

   

XXIX  

TABLE INDEX   

Table 1.1 – Photophysics of common coumarins as function of solvent polarity ....................................... 47 

Table 1.2 – Photophysics of ClMMC as function of solvent polarity ........................................................... 49 

Table 1.3 – Effect of acid moiety in the photophysical and photochemical properties of  

7‐methoxy‐4‐methylcoumarin ester derivatives ......................................................................................... 57 

Table 1.4 – Photophysical and photochemical properties of cyclic adenosine monophosphates esters of 

differently substituted (coumarin‐4‐yl)methyl alcohols .............................................................................. 58 

Table 2.1 –  Intensity of  irradiation  setup used  for determination of photochemical quantum yields and 

nucleotide release as function of the excitation wavelength and slit width ............................................... 72 

Table 3.1 – Photophysical and photochemical properties of DEACM‐OH and DEACM‐P ........................... 93 

Table 3.2 – Decay times of DEACM‐ATP as function of pH ....................................................................... 112 

   

XXX  

 

1  

 

 

CHAPTER 1. General Introduction      

2  

     

3  

1.1. Light to Synthesize Nucleic Acids  

In 2004, my supervisors and I discussed for the first time a system in which light would be used to control 

the  enzymatic  synthesis  of  nucleic  acids.  The  idea  was  born  under  the  context  of  supramolecular 

chemistry,  the  field of  chemistry  that makes use of  the  known properties of molecules  to produce  a 

desired molecular  event. We were  aware  that  the  process  of  in  vitro  DNA  and  RNA  polymerization 

depends on a DNA template that determines the sequence of the forming strands, and that customized 

DNA  synthesis  is,  thus  far, only possible via  chemical  synthesis. A  system  that  could put  together  the 

efficiency  and  simplicity  of  enzymatic  polymerization  of  nucleic  acids  and  a  means  to  control  the 

sequence would be of great relevance to molecular biology and supramolecular chemistry. Based on our 

photochemistry  expertise, we  immediately  thought  of  using  light  to  achieve  this  control.  Light  as  a 

“reagent” would present several advantages, namely to eliminate the addition of mass to the system in 

each cycle avoiding, theoretically, the necessity of purification steps. 

 

The first step was to perform a careful analysis of natural and in vitro polymerization processes of nucleic 

acids  to  identify  its  key elements, evaluate  the parameters upon which we would need  to  actuate  in 

order  to  obtain  sequence  control.  Also,  the  essential  and  common  components  of  RNA  and  DNA 

synthesis should be analyzed to assess the possibility of extending this system to custom RNA synthesis. 

 

 

1.2. Nucleic Acids Synthesis  

1.2.1. Nucleic Acids Structure  

The  genome  of  all  living  organisms  is  constituted  by  deoxyribonucleic  acid  (DNA), where  the  genetic 

information is stored. DNA may then be transcribed into ribonucleic acid (RNA) that, if suitable, can then 

be  translated  into  protein.[1]  Cellular  processes  of  nucleic  acids  “management”  (processing, 

DNA/RNA/protein  interaction  and  elimination)  are  complex,  stimulating  and  of  crucial  importance  to 

understand life and Nature. However, they are also beyond the scope of this work. 

 

 

4  

DNA  and  RNA  are  chemically  very  similar  ‐  both  present  a  linear  primary  structure  composed  of 

monomers  called  nucleosides.  All  nucleosides  present  a  common  structure:  a  pentose  linked  to  a 

nitrogen base at the 1’ position (Figure 1.1).  In RNA, the pentose  is ribose;  in DNA,  it  is deoxyribose. A 

nucleotide is formed when a phosphate group is linked to the 5’ position of the pentose.  

 

 

  

Figure 1.1 – Chemical structure of nucleotides. The presence or absence of a –OH group at  the 2’ position  in a ribose sugar ring distinguishes between ribose (upper right) or 2’‐deoxyribose (down right). When a nitrogen base is attached to the 1’ position in the (deoxy)ribose a nucleoside is formed (left). When a phosphate group is present at the 5’ position of the (deoxy)nucleoside a nucleotide is attained (left). Figure adapted from [2]. 

 

 

 The bases adenine, guanine, and  cytosine are  found  in both DNA and RNA;  thymine  is only  found  in 

DNA, and uracil is only found in RNA. Adenine and guanine are purines, which contain a fused pyrimidine 

and imidazole rings; cytosine, thymine, and uracil are pyrimidines, containing a single ring (Figure 1.2).  

 

Nucleotides  can  have  one,  two,  or  three  phosphate  groups  esterified  at  the  5‐hydroxyl  forming 

nucleotide monophosphates, diphosphates or triphosphates, respectively. The nucleotide triphosphates 

are used in the synthesis of nucleic acids.[2] 

 

 

5  

  

Figure  1.2  – Natural  occurring  nitrogen  bases  in DNA  and  RNA.  The  adenine  and  guanine  nitrogen  bases  are purines, comprising a fused pyrimidine and imidazole rings (up). The cytosine, thymine and uracil are composed by a  single  pyrimidine  ring  (down).  In  gray  are  represented  the  nitrogen  atom  from  which  the  coupling  to  the (deoxy)ribose sugar is made to form a nucleoside. 

 

 

The way these nucleotides are organized into the DNA double helix ‐ the secondary structures ‐ was first 

described in 1953 by J. Watson and F. Crick.[3] I have to me this description as one of the most important 

papers in Life Sciences and, therefore, deserves to be remembered in its original version: 

 

“We wish  to  put  forward  a  radically  different  structure  for  the  salt  of  deoxyribose  acid.  This 

structure  has  two  helical  chains  each  coiled  round  the  same  axis. We  have made  the  usual 

chemical  assumption,  namely,  that  each  chain  consists  of  phosphate  diester  groups  joining  

β‐D‐deoxyribofuranose  residues  with  3’,5’  linkages.  The  two  chains  (but  not  their  bases)  are 

related by a dyad perpendicular  to  the  fibre axis. Both  chains  follow  right‐handed helices, but 

owing to the dyad the sequences of the atoms in the two chains run in opposite directions. Each 

chain loosely resembles Furberg’s model No. 1; that is, the bases are on the inside of the helix and 

the phosphates on the outside. The configuration of the sugar and the atoms near  it  is close to 

Furberg’s  standard  configuration,  the  sugar being  roughly perpendicular  to  the attached base. 

6  

There is a residue on each chain every 3.4 Å in the z‐direction. We have assumed an angle of 36° 

between adjacent residues  in the same chain, so that the structure repeats after 10 residues on 

each chain, that is, after 34 Å. The distance of a phosphorus atom from the fibre axis is 10 Å. As 

the phosphates are on the outside, cations have easy access to them. (…) The novel feature of the 

structure is the manner in which the two chains are held together by the purine and pyrimidines 

bases. The planes of  the bases are perpendicular  to  the  fibre axis. They are  joined  together  in 

pairs, a single base from the other chain being hydrogen‐bonded to a single base from the other 

chain,  so  that  the  two  lie  side by  side with  identical  z‐co‐ordinates. One of  the pair must be a 

purine and the other a pyrimidines  for bonding to occur. (…)  If  it  is assumed that the base only 

occur  in the structure  in the most plausible tautomeric forms (that  is, with the keto rather than 

the enol configurations) it is found that only specific pairs of bases can bond together. These pairs 

are:  adenine  (purine) with  thymine  (pyrimidines),  and  guanine  (purine) with  (pyrimidines).  In 

other  words,  if  an  adenine  forms  one  member  of  a  pair,  on  either  chain,  then  on  these 

assumptions  the  other  member  must  be  thymine;  similarly  for  guanine  and  cytosine.  The 

sequence of bases on a single chain does not appear to be restricted in any way. (…)  It has been 

found  experimentally  that  the  ratios  of  the  amounts  of  adenine  to  thymine,  and  the  ratio  of 

guanine to cytosine, are always very close to unity for deoxyribose nucleic acid”. 

 

As a small additional note regarding DNA double helix base pairing, adenine forms two hydrogen bonds 

with  thymine,  and  guanine  three  hydrogen  bonds  with  cytosine  (see  Figure  1.3).  Regarding  RNA 

structure, and depending on the type of RNA, the structure can vary significantly between  linear single 

stranded  chains  (mRNA),  small  single‐stranded  chains  with  secondary  structures  (tRNA)  or  complex 

secondary structures associated with proteins (rRNA). 

 

 Figurepolarinitrog

 

 

1.2.2 

1.2.2 

The  c

essen

inform

but 

congl

term

begin

Then 

e  1.3  –  The ization of the gen base pairs

. Synthesis o 

.1. Replicati

cellular  proc

ntial  that  its

mation as th

as  a  gener

lomerate  of

ination. Initi

ns, the paren

  synthesis o

DNA  doubletwo strands ls responsible f

of Nucleic Ac

on 

cess  through

s  genome  is

he parental o

ral  consider

f  enzyme  ac

ation  involve

ntal strands 

of daughter 

e  helix.  A)  Sleads to the fofor the forma

cids in vivo 

h which DNA

  duplicated 

one. The rep

ation,  replic

ctivities.  The

es recognitio

must be sep

strands  can 

Schematic  repormation of ation of the do

A  is  synthes

so  each  of 

plication pro

cation  of  d

ere  are  thre

on of an orig

parated and 

be  initiated

presentation a major and mouble helix. Fig

sized  is  calle

the  daught

cess  is differ

duplex  DNA 

e  stages  in 

gin by a com

(transiently

d. Elongation

of  a  DNA  dminor groove. gure B adapte

ed  replicatio

ter  cells  can

rent in proka

is  a  comp

replication:

mplex of prot

) stabilized  i

n  is underta

double  helix. B) Hydrogen ed from [2]. 

n.  For  a  cel

n  contain  th

aryotic and e

plex  endeav

  initiation,  e

teins. Before

n the single

ken by  anot

 

The  anti‐parbonding betw

ll  to  divide 

e  same  gen

eukaryotic c

vor  involvin

elongation, 

e DNA synth

‐stranded st

ther  complex

rallel ween 

it  is 

netic 

ells, 

g  a 

and 

hesis 

tate. 

x of 

 

proteins tha

the end of 

taken  when

involved, su

stress. Any 

chemical  co

systems  tha

replication a

 

1.2.2.2. Tra 

As referred 

of RNA are 

 

 

 Figure 1.4 – genome. In tis then proceribosomes oc

at moves alo

the  replicat

n  the  cell  n

uch as DNA r

event  that 

onstitution  o

at  recognize

apparatus its

nscription 

above, the i

produced du

Central dogmthe presence essed and traccur. Figure a

ong DNA, un

tion  site,  join

needs  to  div

repair mecha

introduces a

of  its  nitrog

e  and  correc

self, which in

information 

uring the tra

ma  in geneticof a Transcripansported to tdapted from 

nwinding par

ning and/or 

vide,  but  are

anisms. Dam

a deviation 

en  bases  is 

ct  these  dam

ndicates the

stored in DN

nscription pr

cs. The DNA rption complexthe cytoplasm[4]. 

rental strand

termination

e  also  other

mage in DNA 

from  the us

a  threat  to

mages.  The 

ir importanc

NA is passed 

rocess.  

replication dux comprising tm  (in eukaryo

d, while dau

n  reactions a

r  processes 

can occur w

sual double‐

o  the  cell.  In

repair  syste

ce for surviva

 on to RNA (

uring cell divisthe RNA Polymtes), where t

ghter strand

are necessar

in  which  D

hen a cell is 

helical  struc

njuries  in  DN

ems might  b

al.[4] 

(Figure 1.4) a

sion yields twmerase, RNA he Translatio

ds are synthe

ry. Replicatio

NA  polymer

subjected to

cture of DNA

NA  are mini

be  as  comple

and all differ

wo copies of tis synthesizedn  into protein

esized. At 

on  is only 

rization  is 

o external 

A and  the 

imized  by 

ex  as  the 

rent types 

 

he original d. The RNA ns through 

9  

Transcription  is  also  the  first  stage  in  gene  expression,  and  the main  step  at which  it  is  controlled. 

Regulatory  proteins  determine whether  a  particular  gene  is  available  to  be  transcribed  by  the  RNA 

polymerase (enzyme that connects the nucleotides to form a strand). The initial (and often the only) step 

in regulation is the decision of whether to transcribe a gene or not. Transcription initiation requires the 

binding of several proteins which are called transcription factors.[4,5] The presence of cellular signals to 

these  protein  complexes  determine  the  existence  of  transcription  (as  an  on/off  state),  but  also  its 

transcription rate. This modulation of gene expression is crucial for cell function since it regulates which 

proteins are being synthesized at what rate, and defines how the cell interacts with external medium. In 

prokaryotic cells, which have no nuclei, translation of an mRNA into protein can begin from the 5’ end of 

the mRNA even while  the 3’ end  is  still being  synthesized.  In eukaryotic  cells not only  is  the nucleus 

separated  from  the  cytoplasm where  translation  occurs,  but  also  the  primary  transcripts  of  protein‐

coding  genes  are  precursor mRNAs  (pre‐mRNAs)  that must  undergo  several modifications  to  yield  a 

functional mRNA, termed RNA processing. This mRNA must then be exported to the cytoplasm before it 

can be translated into protein.[2]  

 

 

1.2.3. Nucleic Acids Polymerases  

The control of replication and transcription processes  in the cell requires many protein complexes with 

different  functions. Although the proteins present  in each process vary  from each organism, there  is a 

type of enzyme that is not only the core of both DNA and RNA synthesis processes, but also present in all 

living organisms: the polymerases. 

 

1.2.3.1. DNA Polymerases  

DNA  polymerases  are  enzymes  that  catalyze  the  synthesis  of  deoxyribonucleic  acid  in  a  template‐

dependent process that results in a faithful copy of the original DNA molecule. Based on their functions, 

DNA  polymerases  can  be  broadly  classified  into  two  groups:  replicative  DNA  polymerases  (DNA 

replicases),  that  are  responsible  primarily  for  duplicating  genomic DNA  and  repair  polymerases,  that 

primarily  fix damaged DNA strands. Replicative DNA polymerases must synthesize extended  lengths of 

DNA with high speed and accuracy to ensure that each daughter cell receives a true copy of the genome 

upon  cell  division.  In  general,  these DNA  replicases  are  complex  assemblies  of  several  proteins  that 

10  

function  together  for efficient DNA  replication. Polymerases dedicated  to DNA  repair generally have a 

simpler architecture and appear designed for DNA synthesis localized to areas of DNA damage.[6]  

 

 

  Figure 1.5 – Schematic representation of the polymerization of a DNA strand. A) The polymerization requires the presence of a template (long chain) and a primer (short chain) with a free 3’‐OH group. B) In the presence of a free nucleotide that forms a Watson‐Crick base pair with the template’s nucleotide, the addition catalysis might occur. C)  Upon  catalysis,  the  formation  of  a  phosphodiester  bond  between  the  n  nucleotide  and  the  n+1  incoming nucleotide occurs, leading to the release of a pyrophosphate. 

 

 

Polymerases  are  unusual  enzyme  catalysts  since DNA  is  not only  a  substrate  (template) but  also  the 

product. In order to make a copy of DNA, these enzymes are designed to:  

 

 

 

Chem

the  n

pyrop

 

 

 Figureis  in  cClosedthe ac[6]. 

 

1) Recogn

template 

2) Recogn

to form a

3) Catalyz

on the pr

4) Reposi

mically, polym

nucleotide  t

phosphate is

e 1.6 –Crystalcontact with d Conformatictive site. The

nize and bin

for synthesi

nize and bind

 base pair 

ze nucleotidy

rimer and the

tion the new

merases cata

o  be  added

s released (Fi

l structure of bulk  solutionon  (right) clae closed confo

nd a partially

is  

d a deoxynu

yl transfer in

e incoming d

wly extended

alyze  the nu

d  to  the  gro

igure 1.5). 

Taq DNA poln, allowing  fomps the  temormation is ach

y single stra

cleoside 5'‐t

n which a cov

dNTP 

d DNA polym

ucleophilic at

owing  chain.

ymerase I. Inr  the diffusioplate, growinhieved after a

nded  (or pri

triphosphate

valent link is

mer for the ne

ttack of a pr

.  A  n+1  olig

 the Open Con of  free nucng strand and a rotation of t

imed) DNA  s

e (dNTP) and

s formed bet

ext cycle of n

rimer 3’‐OH 

gonucleotide

onformation (lcleotides  in aincoming nuhe fingers sub

strand, whic

d match it wi

tween the 3'

nucleotidyl tr

end  to  the 

e  chain  is  ge

left) the polymnd out of  thecleotide, sealb‐domain. Fig

ch  serves as 

th the temp

‐hydroxyl gr

ransfer 

α‐phosphate

enerated  an

 

merase activee active  site. ling the accesure adapted f

11 

the 

plate 

roup 

e of 

nd  a 

e site The ss of from 

12  

From  a  structural  point  of  view,  the  shape  of  the  polymerase  is  by  far  the most  prominent  feature 

common to all the polymerase structures determined to date. As described first for the Klenow fragment 

from E. coli DNA Pol  I,  the polymerase  resembles a half‐open  right hand with  the  "palm"  sub‐domain 

forming  a  cleft  that  is  flanked by  the  "fingers"  and  "thumb"  sub‐domains.[6] Together,  the  three  sub‐

domains hold the primer‐template DNA and position the incoming dNTP for incorporation into DNA. The 

palm  sub‐domain  contains  the  catalytic  site where  nucleotidyl  transfer  takes  place.  The  fingers  sub‐

domain  interacts with and positions the template DNA strand and the  incoming dNTP. The thumb sub‐

domain  primarily  binds  the  duplex DNA  in  a  sequence‐independent manner  along  the minor  groove 

(Figure 1.6).[6,7] 

 

The active site contains several acidic and polar amino acid residues as well as two metal cations (usually 

Mg2+)  that  are  essential  for  catalysis.  In  particular,  two  aspartate  residues  are  absolutely  conserved 

between the polymerase families, and these provide the carboxylate oxygens that coordinate the metal 

ions. Ion A is located near the 3'‐ hydroxyl group of the DNA primer and the α‐phosphate of the incoming 

dNTP. In this location, ion A is ideally positioned to lower the pKa of the hydroxyl group and facilitate the 

formation of a hydroxide anion, which can  initiate nucleophilic attack on the α‐phosphate of  incoming 

dNTP. Metal ion B co‐ordinates oxygen in all three phosphate groups of the dNTP, likely helping align the 

triphosphate moiety for attack by the 3'‐hydroxyl, as well as stabilizing the charge on the transition state. 

Other  polar  residues  in  the  active  site,  and  possibly  ion  B,  help  stabilize  the  charged  pyrophosphate 

group as it dissociates from the polymerase after nucleotidyl transfer is complete.[7‐9] 

 

The ability of a DNA polymerase to faithfully complement a DNA template depends on how well it selects 

for correct pairing between the template and the incoming nucleotide. The dNTP‐binding site is located 

in a narrow junction between the fingers and thumb domains. The 3’‐end of the primer lies right next to 

the dNTP‐binding site, and together with residues  from  the  fingers domain  forms a highly constrained 

binding pocket for the new base pair .[8,10‐12] DNA polymerases can select for correct Watson‐Crick base 

pairs and reject distorted mismatched base pairs when the  incoming dNTP  initially fits  into the binding 

pocket. The dissociation constant  for  interaction between polymerase and the correct nucleotide  is 20 

μM versus 4 to 8 mM for nucleotides that do not match the DNA template.[9,10] The nucleotide binding 

site in DNA polymerases can also discriminate between dNTPs and rNTPs (ribonucleoside triphosphates) 

such  that  the polymerase synthesizes DNA, not RNA. This selection  is possible due  to  the presence of 

13  

phenylalanine or tyrosine residues that work as a steric gate. The longer –OH group in NTPs present then 

much lower association constants in template‐polymerase complex.[9] 

 

When the correct dNTP  is  inside the catalytic site, the polymerase can change from an open to a close 

conformation, where the nucleotidyl transfer can occur  (Figure 1.6). This conformational change  is the 

rate  limiting step  in the nucleotide addition  reaction. A 10‐fold  increase  in the association constant of 

the correct dNTP‐template‐polymerase complex is observed, as a consequence of the clamping down of 

the catalytic site, due to the conformational change. Also, the closed conformation permits the correct 

alignment of  the  incoming dNTP  triphosphate moiety  for nucleophilic  attack. After  catalysis,  an open 

conformation  is taken,  from which  the pyrophosphate product  is released. Then, dissociation between 

the  polymerase  and  the  template  (now  with  n+1  nucleotides)  may  happen,  although  it  is  usually 

prevented either through interaction with other proteins, or in the case of processive DNA polymerases, 

by the thumb domain forming a clamp‐like structure that wraps the double stranded DNA. This way, it is 

more  likely  the  polymerase  to  slide  to  the  new  incorporation  position  than  releasing  the  template 

strand.[7‐9] 

 

1.2.3.2. RNA Polymerases  

DNA‐dependent  RNA  polymerases  are  responsible  for  the  vital  process  of  synthesis  of  RNA  from  a 

double‐stranded  DNA  template.  Although  nuclear  transcription within  eukaryotes  is  performed  by  a 

complicated multi‐enzyme RNA polymerase machine, most mitochondria, chloroplast and bacteriophage 

genes  are  transcribed  by  a  homologous  family  of  smaller  nucleus‐encoded  RNA  polymerase.[4] While 

larger  cellular  RNA  polymerases  present multiple  subunits  related with  regulation  and  proof‐reading 

functions,  single‐subunit  RNA  polymerases  share  many  of  the  biochemical  characteristics,  including 

catalytic  specifications. These  single‐unit RNA polymerases  (Figure 1.7)  resemble DNA polymerases  in 

structure and catalysis mechanism, but the process of RNA synthesis is conceptually more complex.[13‐16]  

 

 

 

 Figure 1.7 – C

 

 

As a major d

RNA polym

the  recogni

double stra

polymerase

a  template

sequence w

 

 

Crystal struct

distinction, b

erases do no

ition of a  sp

nd is perfor

e recognizes 

  for  the  RN

with the othe

ture of the RN

besides the o

ot require a 

pecific  seque

med by the 

the specific 

NA  synthesis

er DNA strand

NA Polymeras

obvious diffe

primed tem

ence – prom

enzyme so t

promoter se

s.  The  RNA 

d, which is c

e/DNA templ

erence in stru

plate to init

moter –  to  st

that one of t

equence in o

is  thus  com

alled the cod

late complex.

ucture of the

iate polymer

tart  transcrip

the chains ca

one of the do

mplementary

ding strand (

 

. Figure adapt

e nucleotide

rization.[17,18

ption. The u

an be used a

ouble helix s

y  to  this  stra

Figure 1.8).[1

ted from [14].

s (rNTP vs. d] However, i

nwinding of

as template.

strands that 

and,  and  id17] 

14 

 

dNTP), the 

t involves 

f  the DNA 

 The RNA 

is used as 

entical  in 

15  

  Figure 1.8 – Schematization of the transcription bubble complex. The unwinding of the double helix is essential for the hybridization of the incoming ribonucleotides and the DNA template strand, forming a bubble. Incorporation of the successive ribonucleotides leads to the formation of a RNA chain that becomes single‐stranded upon rewinding of the duplex DNA strands.  

 

 

Transcription can be divided  into  four stages,  in which a bubble  is  created, RNA  synthesis begins,  the 

bubble moves along the DNA and finally is terminated:[4,15,18‐21] 

 

1) Template  recognition begins with  the binding  of RNA  polymerase  to  the double‐stranded 

DNA at  the promoter  to  form a "closed complex". Then  the DNA strands are separated  to 

form  the  "open  complex"  that makes  the  template  strand  available  for base  pairing with 

ribonucleotides. 

 

2) Initiation describes the synthesis of the first nucleotide bonds  in RNA. The enzyme remains 

at the promoter site while it synthesizes the first ~9 nucleotide bonds. The initiation phase is 

often protracted by  the occurrence of  abortive  events,  in which  the  enzyme makes  short 

transcripts, releases them, and then starts synthesis of RNA again. The initiation phase ends 

when the enzyme succeeds in extending the chain downstream of the promoter region. 

 

16  

3) During elongation the enzyme moves along the DNA and extends the growing RNA chain. As 

the enzyme moves,  it unwinds  the DNA helix to expose a new segment of the  template  in 

single‐stranded  condition. Nucleotides  are  covalently  added  to  the  3'  end  of  the  growing 

RNA chain, forming an RNA‐DNA hybrid in the unwound region. Behind the unwound region, 

the DNA template strand pairs with its original partner to reform the double helix. The RNA 

emerges as a free single strand. 

 

4) Termination involves recognition of the point at which no further bases should be added to 

the chain. When the last base is added to the RNA chain, the transcription bubble collapses 

as the RNA‐DNA hybrid  is disrupted, the DNA reforms  in duplex state, and the enzyme and 

RNA  are  both  released.  The  sequence  of  DNA  required  for  these  reactions  defines  the 

terminator. 

 

The catalysis of nucleotidyl  transfers  is very similar to the one observed  in DNA polymerases  involving 

two divalent  cations  (usually Mg2+).[22] Recognition of  ribonucleotides  as  substrate  and differentiation 

from their deoxy‐ analogues is believed to be due to the interaction of a tyrosine residue which interacts 

specifically with the 2’‐OH from the nucleotide’s ribose sugar, as opposed to the bulky residue present in 

DNA polymerases. The differentiation of  the correct nitrogen base  is achieved by  the  same “close‐fit” 

model as  in DNA polymerases.[23] The nature of the changes from  initiation to elongation complex that 

allow  translocation of  the enzyme along  the  template, away  from  the promoter,  is not known.  It has 

been  suggested  that  the non‐template  strand may play  an  important  role  in  the elongation  complex, 

perhaps in RNA displacement.[14] 

 

1.2.3.3. Terminal deoxynucleotidyl Transferase  

Deoxynucleotidyl transferases belong to the only family of DNA polymerases that elongates DNA strands 

in a template independent manner. Unlike any other polymerase, Terminal deoxynucleotidyl Tranferase 

(TdT) has only minor preference for the incorporation of deoxyribo‐ over ribonucleotides on DNA strands 

in  vitro.  However,  incorporation  of  ribonucleotides  by  TdT  leads  to  premature  termination  of  chain 

elongation.[24]  All  known  nucleotidyl  tranferases  contain  a  catalytic  domain  which  is  topologically 

different from the structures of other DNA polymerases. Despite these topological differences, the local 

structure of  the catalytic site  is made of  three carboxylate side chains and  two divalent cations  in  the 

 

same

palm 

bindi

 

 

 Figure

 

 

The p

absen

incor

group

 

Altho

the m

for Td

addit

gene

adapt

e spatial arra

domain con

ng of the DN

e 1.9 – Propos

presence of a

nce  of  activ

porated  is  t

ps of nucleot

ough TdT wa

most poorly u

dT remained

tion  of  nuc

rating subtle

tation of the

ngement. Fu

ntaining the 

NA primer an

sed structure 

a lasso‐like 1

ity  over  3’‐O

thought  to d

tide’s ribose 

s one of the

understood e

d elusive for 

leotides  to 

e  randomiza

e vertebrate 

urthermore, 

catalytic car

nd nucleotide

 of the Termi

16 amino aci

OH  recessed

derive  from 

group.[25]  

e first DNA po

enzymes tha

several deca

single‐stran

tion of  this 

immune syst

the hand m

rboxylate tri

e (Figure 1.9

nal deoxynuc

d loop impe

d DNA  chain

the  lack  of 

olymerase a

at catalyzes D

ades. It is now

nded  DNA 

genetic mat

tem (for a re

etaphor use

iad and a fin

).  

cleotidyl Trans

edes the pres

ns.  The  lack 

interactions

ctivities iden

DNA synthes

w recognized

during  V(D)

terial, TdT p

eview see [29

d in DNA po

nger and thu

sferase. Figur

sence of a te

of  specificit

s between  t

ntified in ma

is. Indeed, th

d that TdT is

)J  recombin

plays a crucia

9] and refere

olymerases h

umb domain

 

re adapted fro

emplate stra

ty  towards  t

he protein  a

ammals,[26] it

he specific p

 responsible

nation.[27,28] 

al  role  in  the

ences therein

olds true wi

  involved  in 

om [25]. 

nd, showing

the  sugar  be

and  2’ or  3’

t remains on

hysiological 

 for the rand

By  delibera

e evolution 

n). 

17 

th a 

the 

 the 

eing 

‐OH 

e of 

role 

dom 

ately 

and 

18  

1.2.4. In vitro synthesis of Nucleic Acids  

In vivo synthesis of nucleic acids is a complex phenomenon which involves a multitude of enzymes and 

regulators. However,  it  is possible to mimic these processes  into a much more simplified system  for  in 

vitro applications. 

 

1.2.4.1. Primer Extension Reaction  

As referred in the above section, DNA polymerase requires a primed template for addition of subsequent 

nucleotides. That is, a region of double stranded DNA with a free 3’‐OH extremity for the synthesis of the 

growing  chain.  From  a  biochemical  point  of  view,  for  the  synthesis  of  DNA  it  is  only  essential  the 

presence of a substrate (template strand and a complementary primer), the catalyst (DNA polymerase) 

and  free  triphosphate nucleotides, or dNTPs.  It  is also necessary a buffer  for  controlled pH and  ionic 

strength, and magnesium  (or manganese) as co‐factor  for  the polymerase.[8] As a consequence of  the 

absence of all the replication control proteins and enzymes, the processetivity of the free polymerase is 

reduced,[7,9]  which  decreases  dramatically  the  number  of  bases  that  can  be  added. Moreover,  the 

template region where the  incoming nucleotide  is to be added must be single‐stranded per se.  In vivo 

replication machinery possesses  special enzymes  that unwind  the  template double helix  to overcome 

this requirement.  In vitro systems only present the polymerases theirselves, so special conditions must 

be met regarding template/primer hybridization for DNA synthesis. 

 

In  primer  extension  reactions,[30‐32] polymerization  is  achieved over  a  sticky  end  at  the  5´  end  of  the 

template strand (Figure 1.5), and polymerization continues until the polymerase successfully reaches the 

5’ end of  the  template  strand, producing a  full double  stranded molecule. The most  thoroughly used 

DNA polymerase for primer extension reactions  is the Klenow fragment of E. coli DNA polymerase  I.[33] 

The Klenow fragment possesses the 5’‐3’ transferase activity and also a 5’‐3’ exonuclease activity, which 

confers the ability to remove nucleotides present downstream of polymerization direction. 

 

Primer extension reactions are widely used for sticky end filling  in genetic engineering or  incorporation 

of  labeled  nucleotides  in  double  stranded  DNA  molecules.  It  is  also  the  simplest  in  vitro  DNA 

polymerization reaction. 

 

19  

1.2.4.2. Polymerase Chain Reaction (PCR)  

The polymerase chain reaction (PCR) technique was devised by Mullis and co‐workers[34] for the in vitro 

amplification  of  specific  DNA  sequences  by  the  simultaneous  primer  extension  of  complementary 

strands of DNA. The PCR uses the same principle as the base extension  for the polymerization of new 

DNA strands, but employs  two primers  (short oligonucleotides with known sequence and a  free 3’‐OH 

extremity  that allow  for  the addition of nucleotides), each  complementary  to opposite  strands of  the 

target DNA region, which have been denatured by heating. The primers are arranged so that each primer 

extension  (usually  called  forward  and  reverse) directs  the  synthesis of DNA  towards  the other but  in 

complementary  strands  (Figure 1.10‐A). Thus  forward primer directs  the  synthesis of a  strand of DNA 

towards the other which can be primed by reverse primer and vice‐versa, resulting  in the synthesis of 

the region of DNA flanked by the two primers.[35,36] 

 

 

  Figure 1.10  – Polymerase Chain Reaction. A)  Temperature  steps  in a PCR  reaction  ‐ denaturing,  annealing  and extension. After the denaturing of the template DNA, the annealing of the primers occurs. The extension step then allows  for  the primer extension  reaction.  The  three phases are  repeated  in  several  cycles  to attain  exponential amplification. B) Progression of the product size and number with n polymerization cycles. Each PCR cycle allows for the exponential increase of primer‐truncated products. 

 

 

20  

The  PCR  technique  comprises  three  steps,  which  repeated  in  a  cyclic  fashion  leads  to  exponential 

amplification of  the  target  region.  The  first  is  the denaturing  step, usually  at 95°C, necessary  for  the 

separation of the two complementary DNA strands. Next, in the annealing step the primers are allowed 

to specifically hybridize to its target sequence  in each complementary strand. The temperature used  in 

this step depends critically on the primer size, sequence, GC composition or type of PCR technique used, 

although  for  most  common  applications  the  temperature  used  is  the  average  primer  melting 

temperature (temperature at which 50% of the primers are hybridized to the template). The final step is 

the extension, when the polymerase extends  the primed strand to a  fully double stranded DNA chain. 

The most widely spreaded DNA polymerase for PCR use is the Taq Polymerase from Thermus aquaticus, 

which  optimal  activity  temperature  is  74°C.  This  allows  not  only  repetitive  denaturing‐annealing‐

extension  cycles,  but  also  annealing  at  higher  temperatures  than  regular  polymerases,  increasing 

sequence specificity.[35,36] 

 

With each cycle being repeated, there is an exponential increase of the DNA product flaked by the two 

primers, until one of the reagents (nucleotides or one of the primers) become limiting (Figure 10‐B).[35,36] 

The expression relating the number of product copies per amplification cycle is given by Equation 1. 

 

1    Equation 1 

 

Where Xn is the number of target DNA copies in the cycle n, X0 is the initial number of target DNA copies 

and E is the amplification efficiency (between 0 and 1).[37] Nowadays there are countless PCR variants for 

a myriad of applications,  such as asymmetric PCR,[38,39] hot‐start PCR,[40,41] methylation‐specific PCR,[42] 

nested PCR,[43,44] quantitative PCR (qPCR)[45,46] or reverse transcription PCR (RT‐PCT).[47]   All of them are 

based in the same basic product amplification principle here presented. 

 

1.2.4.3. In vitro Transcription Reaction  

As previously seen for DNA, requirements for in vivo RNA synthesis[5,48] can be conveniently simplified for 

in  vitro  applications.  RNA  Polymerases  require  a  double  stranded  promoter  region  for  RNA 

polymerization (see section 1.2.3.2). Also, most  in vitro transcription reactions use phage T7, T3 or SP6 

RNA  polymerases  for  two  reasons:  i)  these  polymerases  have  simple  structures  with  considerable 

processivity that do not require extra transcription factors; and ii) the promoter regions are well known 

21  

and  easily    available  for  other  techniques,  such  as  cloning  vectors,  sequencing  and  other  classic 

molecular biology techniques.[49,50] In vitro transcription reactions are commonly applied to the synthesis 

of RNA probes  for hybridization  (some Northern Blot applications and  standards,[51‐53] Fluorescence  in 

situ  Hybridization  (FISH),[54‐57]  etc.),  RNase  protection  assays,[58‐60]  antisense  RNAs,[61‐63]  RNA 

interference,[64‐66] RNA  secondary  structure or RNA‐protein  interaction  studies.[50]  In our work,  in vitro 

transcription  reactions were  also used  for  the proof of  concept of  light‐activated  synthesis of nucleic 

acids. 

 

For the  in vitro synthesis of a certain RNA molecule, a DNA template with the T7, T3 or SP6 promoter 

sequence  upstream  of  the  target  sequence must  be  present.  Cloning,  restriction  enzyme  digestion  / 

fragment ligation or PCR can be used to fuse the phage promoter to the template, although special care 

must be taken regarding strand orientation, since only one of the DNA template strands  is going to be 

transcribed.[50]  Upon  incubation  of  promoter‐template  DNA  strand,  ribonucleotides  and  phage  RNA 

polymerase, at 37°C, the synthesis of a RNA strand is achieved. 

 

 

1.2.5. Light Control of RNA Synthesis ‐ What component should be controlled?  

After  a  careful  analysis  of  the DNA  and  RNA  polymerization  processes,  I  learned  that  the  control  of 

nucleic  acids  synthesis  might  be  achieved  though  control  of  one  of  three  main  components:  DNA 

template, polymerase or nucleotides.  

 

i) The DNA  template  ‐  it  requires  the presence of a control point at each base composing  the 

template in order to achieve selection over each incoming nucleotide. Also, the size of the “controlling” 

template would limit the strand size. 

 

ii) The polymerase  ‐ seemingly  the more straightforward means  to achieve  the goal. However, 

one would require not only the  insertion of photo‐responsive elements  inside the enzyme to modulate 

the ON/OFF state, but also to discriminate which nucleotide  is to be  incorporated. This was  judged an 

unrealistic solution due to human resources and budget. 

 

22  

iii) The nucleotides ‐ every nucleotide can be used as an ON/OFF modulator, since in the absence 

of nucleotides  there  is no  reaction. Through  the use of  four different photo‐responsive elements  it  is 

theoretically  possible  to  activate  the  insertion  of  the  desired  nucleotide  in  a  stepwise  fashion. 

Nucleotides are also independent of template size and polymerase. The chemistry of ribonucleotides and 

deoxyribonucleotides  is very  similar, which seemed an advantage  for applying  the same strategies  for 

DNA and RNA synthesis.  

 

Having carefully evaluated the possibilities, the choice was to use the nucleotides as an effective process 

to exert control over the polymerization reaction. Therefore, the next step was to find a proper way to 

control the selective insertion of nucleotides through light. 

 

 

1.3. Caged Molecules  

1.3.1. Caged Compounds  

The  term  caged  compound  refers  to  a  biomolecule  rendered biologically  inert  through derivatization 

with a photoremovable protecting group.[67] After  light  irradiation, the protecting group  is cleaved and 

the  target  molecule  released,  changing  it  to  an  active  state  that  can  lead  to  further  signaling  or 

interactions. Caged compounds are biologically useful because  illumination can be easily controlled  in 

timing, location, and amplitude. Therefore, abrupt or localized changes in concentration of active species 

can  be  generated  with  controlled  amplitudes.[68]  This  capability  is  particularly  valuable  when  rapid 

mechanical mixing is impractical, for example inside a more‐or‐less intact cell, tissue, or protein crystal, 

or when microscopic  spatial gradients are desired. Photolysis of  caged  compounds  is one of  the best 

techniques  to  examine  the  fast  kinetics  or  spatial  heterogeneity  of  biochemical  responses  in  such 

systems.[69] Caged molecules  for biological applications were  first reported  in 1978 when Hoffman and 

co‐workers[70]    at  Yale  University  synthesized  an  ATP  analogue  functionalized  with  a  nitrobenzyl 

protecting group that could be removed upon UV  light  irradiation. By that time, photolabile protecting 

groups  for  synthetic  purposes  were  already  known  but  the  breakthrough  was  to  apply  them  in 

biochemical reactions with spatial‐temporal control (Figure 1.11). 

 

 

23  

  Figure 1.11 – The  first photo‐activated biomolecule to be called “caged”: Caged‐ATP with a nitrobenzyl group. After irradiation with UV light the bond between the nitrobenzyl group and the triphosphates tail is cleaved leading to the release of ATP. 

 

 

Caged  compounds must be biologically  inert before photolysis, which means  that  the caged molecule 

should not trigger any response under the concentrations used  in the biological preparation.[71] Also,  if 

kinetics is an essential part of the study, the process of uncaging must be faster than the process being 

studied. The speed requirement is dependent on the process under study: “slower” uncaging processes 

may be applied to in vivo expression studies, but may be unsuitable to calcium activated channels study 

in  neurons.[67]  Regarding  uncaging  efficiencies,  a  photolabile  protecting  group  should  present  high 

photochemical quantum yields, high extinction coefficients, or a combination of both. This enables the 

target  molecule  to  be  quantitatively  released  under  low  irradiation  times  and  intensities.  Another 

characteristic  to be accounted  for  is the wavelength used to activate the desired molecule.  Irradiation 

with UV light can lead to deleterious effects in biological samples. Finally, the released protecting group 

should not interfere with the system under study.[72] 

 

Therefore, caged compounds provided the strategy to selectively activate a compound in homogeneous 

medium through light irradiation. 

 

 

1.3.2. Caged Compounds in Bio‐Applications 

1.3.2.1. Neurotransmitters  

The  spatially well‐defined  and  rapid  change  in  the  concentration  of  caged  agonists  or  antagonists  of 

neuronal  receptors  induced  by  flash  photolysis  is  of  great  value.  Therefore,  caging  technology  was 

applied  to  various  neurotransmitters,  including  glutamate,  dopamine,  carbamoylcholine,  and  other 

neuroactive  amino  acids,  such  as  glutamate  (for  a  review,  see  [67]  and  references  therein).  Caged 

N

N

N

N

NH2

OO

OHOH

P

O

O-

P

O

O

O-

O

O-

O

O

P

NO2 R

N

N

N

N

NH2

OO

OHOH

P

O

O-

P

O

O

O-

O-

O-

O

O

PO

NO2 R

+hν

R = H, Met

24  

glutamate has been applied to address different questions regarding the kinetics of neuronal signaling 

and highly regulated spatiotemporal events. It has been used for the analysis of receptor kinetics of ion 

channels gated by glutamate in different neuronal cell lines;[73] the localization of the excitatory synaptic 

input  in  CA1  pyramidal  cells;[74]  the  agonistic  effects  of  caged  glutamate  on  N‐methyl‐d‐aspartate 

(NMDA).[75]  Photolabile  protecting  groups were  also  used  to  study  the  kinetics  of metabotropic  and 

ionotropic  receptors,  for  example  NMDA,  and  α‐amino‐3‐hydroxy‐5‐methyl‐4‐isoxazolepropionic  acid 

(AMPA)  receptors,  with  respect  to  glutamate.[76,77]  In  another  study,  caged  glutamate  was  used  to 

investigate the pharmacology and kinetics of mitral cell glutamate receptors.[78] Hess et al.[79] described 

the  synthesis  of  caged  serotonin.  Lee  et  al.[80]  synthesized  caged  dopamine  for  the  analysis  of  the 

influence  of  dopamine  concentration  on  the  endogenous  dopamine  release  and  they  showed  that 

endogenous dopamine  release could be  repressed by photoinduced dopamine concentration  jumps. A 

caged  peptide‐based  inhibitor  of  N‐ethylmaleimide  sensitive  factor  (NSF)  was  used  by  Kuner  and 

colleagues[81]  in  order  to  study  the  effect  of  NSF  on  the  interaction  between  presynaptic  terminal, 

synaptic  vesicles  and  neurotransmitters  release.  The  ultra‐fast  response  obtained  prior  to 

neurotransmitter release was only possible due to the application of localized in vivo light release of NSF. 

 

1.3.2.2. Caged Calcium  

Several  studies  report  the  application  of  caged  compounds  for  the  release  of  calcium,  for  its  great 

relevance as second messenger in cell physiology (see [82‐86] and references therein). Because Ca2+ does 

not  form  covalent bonds  in  aqueous  solution,  it  cannot be  caged by  simple derivatization  as  in most 

other caged species.  Instead Ca2+  is sequestered by a chelator that changes from high (but not  infinite) 

affinity to a much  lower affinity upon photolysis. Depending on  the complexity of these equilibria and 

the  presence  of  other  buffers  and  Ca2+  transporting  systems,  pulsed  photolysis  can  generate  step 

increases or pulses, or more complicated waveforms of Ca2+ concentration change.[69]  

 

The  general  strategy  of  calcium  uncaging  has  been  applied  in  two  different  ways.  One  based  on 

photochemical  modification  of  the  buffering  capacity  of  1,2‐bis(o‐aminophenoxy)ethane‐N,N,N’N’‐

tetraacetic acid (BAPTA) derivatives (nitr‐5 or azid‐1),[87,88] and the other based on photochemical scission 

of the backbone of either EDTA (dimethoxy (DM)‐nitrophen)[89] or EGTA (nitrphenyl (NP)‐EGTA).[90]  For a 

review on the use of calcium chelators activated by light, please refer to [72] and references therein. 

 

25  

1.3.2.3. Caged Peptides and Proteins  

Thus  far,  caged  peptides  are  small  inhibitory  peptides  that  can  be  used  to  disrupt  an  important 

intracellular  protein‐protein  interaction.[91‐93]  Caged  enzymes  are  macromolecule  counterparts  of 

standard  caged  compounds,  in which  the  catalytic  function  of  the  enzyme  is  blocked  by  the  caging 

chromophores. Such syntheses are often more challenging as peptides seem to be  inherently unstable. 

However, the development and use of caged peptides is important because they provide another means 

of  controlling  the  fate  of  a  cell  that  is  conceptually  distinct  from  the  uncaging  of  small‐molecules, 

especially  given  that many  cellular  processes  are  not  regulated  by  essential  co‐factors  but  simply  by 

protein‐protein interactions.[72] 

 

Cages and  light‐activated photo‐switches can be  introduced  into proteins by different methods.  In the 

simplest, caging can be achieved by statistically modifying a protein through the reactivity of functional 

groups of amino acid side chains with caging agents. One such approach makes use of cysteine residues 

of proteins and the sulfhydryl groups of caging agents.  In another approach, synthetic peptides can be 

generated  bearing  a  caged  moiety  at  a  desired  position  and  replace  the  wild‐type  counterpart,  in 

heterodimeric proteins.[67] Another elegant approach was introduced by Schultz et al.,[94,95] as they used a 

nonsense‐codon and a corresponding tRNA, loaded with the desired caged amino acid. Slightly earlier an 

artificial  four‐base  codon  approach  had  been  used  by  Endo  et  al..[96]  Both  these  methods  allow 

introducing  caged  amino  acids  into  larger  proteins  in  a  site‐directed  manner.  The  irreversible 

photoactivation  of  proteins  has  been  described  for  several  protein  classes  including  hydrolases, 

proteases, kinases, nucleases, toxins, cell‐matrix proteins, receptors, serum proteins, galactosidase, and 

antibodies (for a review, please see [67,72]).  

 

The state of the art  in photo‐activated proteins showed  that  functionalization of a certain polymerase 

with  a photo‐actuator was not  the most  viable  strategy.  The  ability  to  control  a polymerase ON/OFF 

state would be  challenging enough. To  specifically achieve  the  selection of  the  substrate at  the  same 

time  (adenine,  guanine,  thymine,  cytosine  or  uracil  nucleotides)  continued  to  appear  an  unrealistic 

approach. 

 

 

 

26  

1.3.2.4. Caged Nucleic Acids  

The applicability of caged‐ technology to nucleic acids  is broad,  involving various conceptual principles. 

For this reason, I have decided to divide this section in several classes of caged nucleic acids applications.  

 

1.3.2.4.1. Gene Expression Systems  

Here are presented several reports on the control of gene expression. As referred above, for a gene to be 

translated,  the  information  has  to  pass  on  from DNA  to  RNA  and  further  transcribed  into  functional 

proteins. Gene  expression  and  regulation  is of  critical  importance  in  cell  function,  so  light  controlled 

expression is a potentially powerful tool for cell studies.  

 

Like  peptides  and  proteins,  the  strategy  for  turning  a DNA  or  RNA  strand  into  a  photo‐active  one  is 

different from caging small molecules. One of the existing strategies for the preparation of caged nucleic 

acids  relies  on  what  could  be  called  “statistical  backbone  caging”:  In  a  pioneering  investigation  by 

Haselton et al. [97] plasmid DNAs coding for luciferase or GFP were modified with Nv‐groups. Owing to the 

unselective nature of these conditions, the plasmids were modified with caging groups with a statistical 

distribution of  positions —presumably mainly  at  backbone  phosphate  groups.  The modified  plasmids 

were  introduced  into  either  rat  skin  cells  or  HeLa  cells,  and were  transcriptionally  inactive  prior  to 

activation  with  light.  Irradiation  with  a  laser  at  355  nm  induced  transcription  in  a  dose‐dependent 

fashion. However, full transcriptional activity could not be restored.  

 

The same strategy of backbone caging was pursued by Okamoto and co‐workers[98] using a 6‐bromo‐7‐

hydroxycoumarin  (Bhc) caged GFP‐mRNA (ca. 30 sites per 1 kb RNA). Bhc‐caged mRNA was  injected  in 

the one‐cell stage of zebrafish embryos and turned out to be remarkably stable. The modified mRNA was 

almost translationally inactive prior to uncaging. Again, upon irradiation, the translational activity could 

be partly recovered in the irradiated part of the embryo, despite the fact that mRNA injected in the one 

cell stage is distributed ubiquitously in the whole embryonic body. 

 

Friedman et al.  [99] have recently applied the strategy of statistical backbone phosphate caging to small 

interfering  RNA  (siRNA).  siRNA  molecules  are  a  powerful  and  broadly  applicable  gene  regulatory 

technique. The double‐stranded  siRNA  interacts with  the RNA  induced  silencing  complex  (RISC) which 

will  then degrade  cellular mRNA with  the  same  sequence  as one of  the  siRNA  strands. The  rationale 

27  

behind  the  suggested  approach  is  to prevent  the  interaction between  the  caged  siRNA  and  the RISC 

complex.  In  this  study,  the  caged  siRNA  contained  an  average  of  1.4  caging  groups  per duplex. As  a 

model  system,  the  silencing  of  GFP  expression  in  HeLa  cells  was  used.  The  caged  siRNA  was  not 

completely  inactive but could be  fully activated upon  irradiation. An  increase  in  the number of caging 

groups made the siRNA inactive but then the full activity could no longer be restored by irradiation. The 

elegance of  this  approach of  statistical backbone  caging  clearly  lies  in  its  simplicity of preparation.[67] 

However  ‐ at  least with  the modifying reactions and the caging groups used to date  ‐ a clean ON/OFF 

reaction is not yet possible. 

 

An alternative to the statistical backbone caging approach is the direct functionalization of a determined 

base with a caging agent. Mikat and co‐workers, [100] followed a different approach for siRNA, where the 

influence  of  functionalizing  photolabile  protection  groups  at  nucleobases  surrounding  the  mRNA 

cleavage site between the 10th and 11th nucleotides on siRNA activity was assessed. The designed siRNAs 

were  completely  inactive.  By  irradiation with  UV  light  (366  nm)  they  could  be  fully  reactivated  and 

showed the same activity as their unmodified siRNA counterparts. It was suggested that the photolabile 

NPP group used masks the Watson–Crick interaction capability of the nucleobases to create a temporary 

bulge  region  in  the siRNA:mRNA duplex of  the RISC, which can be completely  removed by  irradiation. 

This direct  functionalization was also applied to the control of autocatalytic nucleic acids. Chaulk et al. 

[101]  presented  a  hammerhead  self‐cleaving  ribozyme  caged  at  the  2’‐OH  of  a  critical  nucleotide  for 

catalysis. After laser photolysis, full ribozyme activity was recovered. A similar approach was also used by 

Lusic  and  co‐workers[102]  to  a  trans‐cleaving  deoxyribozyme.  In  this  case,  the  caging  group  was 

functionalized  directly  to  thymine  rings  of  the  deoxyribozime.  Each  thymine  present  in  the 

deoxyribozyme  was  individually  functionalized  with  a  caging  group  and  its  effect  on  the  catalytic 

properties was assessed. This system was based on hydrogen bonding disruption between critical base 

pairs that  impede the formation of secondary structures necessary for catalysis. However, full catalytic 

properties were not achieved after irradiation. 

 

An  anti‐sense  oligonucleotide  gene  silencing  was  recently  proposed  by  Tang  et  al.[103]  Anti‐sense 

approach  uses  an  oligonucleotide  relatively  larger  than  siRNA  (30  ‐  40  nt  long)  in which  one  of  the 

strands is complementary to a target mRNA. Upon hybridization the RNA‐DNA hybrid can be cleaved by 

RNase H, leading to suppression of the desired gene. In the referred work, a double‐stranded antisense 

oligonucleotide was used, with  the two strands covalently attached via a photocleavable  linker  (PL) to 

28  

partially  complementary 20‐mer  sense  strand.  This way,  the melting  temperature of  the  conjugate  is 

highly  increased,  impairing  hybridization with  target mRNA. Upon  photolysis  the  duplex  conjugate  is 

cleaved, the antisense oligonucleotide released and a 10‐fold increase in mRNA digestion was obtained. 

In a similar approach, a chain of negatively charged peptide nucleic acid (ncPNA) was covalently attached 

to a partially complementary oligonucleotide via a photolabile linker. After release, the ncPNA hybridize 

to target mRNA forming an ultra‐stable duplex that impairs ribosome translation.[104] 

 

1.3.2.4.2. In vitro Nucleic Acid Synthesis Systems 

 

With  the  exception  to  the work  of Monroe[97]  and  its  caged  plasmid  DNA,  all  the  above mentioned 

applications for gene expression control are based on interaction with mRNA molecules. None applies a 

direct  control  of  nucleic  acid  synthesis  through  DNA  or  RNA  polymerase.  Krock  and  co‐workers[105] 

presented  a  DNA  template  for  in  vitro  transcription  showing  single  and  multi‐base  targeted 

functionalization with a caging group so as to disrupt base pairing between template strands. In this way, 

RNA polymerase recognition of  its substrate was  impeded. Once again, multi‐base caging revealed that 

full release was slow and did not achieve the same transcription  levels as single‐base functionalization. 

Moreover,  a  phosphoramidite  synthesis  method  proved  that  this  strategy  can  be  applied  to  every 

oligonucleotide  synthesis  for  directed  functionalization with  a  caging  group.  In  a  different  approach, 

Tang et al.  [106] presented the control of DNA synthesis by Klenow polymerase through steric hindrance. 

The template strand was functionalized with a caging group in the nucleotide adjacent to 3’‐OH terminal 

of the growing strand, creating a bulky obstacle to Klenow docking or efficient catalysis and only after 

photolysis primer extension could be observed. A similar strategy was used by Tanaka and co‐workers[107] 

for  controlling  PCR  reactions  to  provide  sticky  ended  products  that  after  cleavage  could  be  used  for 

simpler cloning procedure. 

 

These strategies present a way to activate in vitro nucleic acid synthesis through template derivatization. 

However, only the first ON/OFF state can be achieved, impeding stepwise activation. The state of the art 

at the beginning of this project confirmed that control through template would not be viable to achieve 

selection of a desired nucleotide for every incorporation position. 

 

 

29  

1.3.2.5. Caged Nucleotides  

Nucleotides were  the  first  class  of molecules  chosen  for  caging  applications  by  the  pioneer work  of 

Hoffman and co‐workers.[70] Their  importance, particularly cyclic nucleotides,  is related to the fact that 

they  are  second  messengers  involved  in  many  biological  processes.  Harz  et  al.[108]  generated  an 

intracellular concentration gradient of cAMP by irradiating the growth cones of chicken sensory neurons 

with UV  light at distinct positions in order to turn off the growth cones. Yoshimura and Kato[109] used a 

caged  cAMP  derivative  in  neurons  to  analyze  the  synaptic  up‐  or  down‐regulation  of  after‐potentials 

after  an  increase  of  cAMP  in  neurons.  Scott  et  al.[110]  compared  the  inward  currents  activated  in  rat 

neurons  by  the  cellular  increase  in  cGMP  levels, maintained  by  the  flash  photolysis  of  caged  cyclic 

guanine monophosphate (cGMP) precursors.  In another study, Takeuchi and Kurahashi[111] investigated 

secondary‐messenger‐based signal‐transduction pathways  in the olfactory receptor system using caged 

cNMP molecules. 

 

Several studies by Hagen and co‐workers[112] have shown the use and development of coumarin‐based 

caging  groups  and  their  application  in  the  study  of  cyclic  nucleotide‐gated  channels.  In  one  of  their 

studies,  cAMP  and  cGMP  were  functionalized  with  coumarines  as  ultra‐fast  and  highly  efficient 

phototriggers  for activation of cAMP‐gated and cGMP‐gated channels.  [112]  In a more recent study, the 

same  cyclic  nucleotide‐gated  channels  were  studied  using  8‐bromo  derivatives  of  cAMP  and  cGMP 

nucleotides,  as  they  present  a  higher  biological  efficacy.[113] With  the  aim  of maximizing  the  release 

effect, more soluble coumarin‐derivatized cyclic nucleotides were also reported.[114] The range of caged 

nucleotides was extended to cytidine 5’‐diphosphate for the study of ribonucleotide reductases[115] and 

coumarin‐caged AMP, ADP and ATP derivatives.[116] Furuta and co‐workers[71] also developed coumarin‐

functionalized  cyclic  monophosphates  nucleotides  with  the  possibility  of  two‐photon  excitation  for 

cAMP‐mediated transduction channels in olfactory receptor cells and cAMP‐mediated motility responses 

in epidermal melanophores  in scales  from medaka  fish. All  the studies presented above are based on 

functionalization  of  the  respective  nucleotides  at  the  phosphate  groups.  This  strategy  is  rather 

interesting since, apart  from Watson‐Crick base pairing with  the  template, phosphate groups’ position 

and  interaction with metal  ion  co‐factors  are  critical  for  catalysis.  Inactivation of nucleotides  through 

derivatization on phosphate groups might also lead to loss of polymerase activity. 

 

30  

Curiously,  although  nucleotides  are  used  as  second  messengers  in  biological  processes,  their  main 

function in cells  is the  integration  into nucleic acids. The application of caged groups to control directly 

the synthesis of DNA molecules was only described in a work by Ju’s and Turro’s at Columbia University. 

[116‐121]  They  devised  a  system  in which  sequencing  by  synthesis  strategy was  coupled  to  the  use  of 

photolabile  reversible  terminator  in  DNA  chips.  Modified  nucleotides  were  used  as  reversible 

terminators,  in which a different fluorophore with a distinct fluorescent emission was  linked to each of 

the  four bases  through  a photocleavable  linker. Also,  the 3’‐OH  group  is  capped by  a  small  chemical 

moiety. This way, the DNA polymerase only incorporates a single‐nucleotide analogue complementary to 

the base on a DNA template covalently linked to a surface. After incorporation, the unique fluorescence 

emission  is  detected  to  identify  the  incorporated  nucleotide,  and  the  fluorophore  is  subsequently 

removed photochemically. The 3’‐OH group  is  then chemically  regenerated, allowing  the next cycle of 

the polymerase reaction to proceed (for a review see [121] and references therein). 

 

This sequencing by synthesis proposed by  Ju and Turro  is  in principle,  the direct opposite of  the work 

proposed within the present thesis. They use a reversible terminator of DNA synthesis, acting chemically 

on the nucleotides as a STOP signal; whereas in this project, light is supposed to be the START signal for 

synthesis. In another point, they use different emission wavelengths to distinguish which nucleotide was 

added to the growing sequence; within this project the aim is to use different absorption features to use 

light of different wavelengths as different inputs, rather than as output.  

 

To achieve the task of controlling DNA/RNA polymerization one would need four different caging groups 

with  distinct  absorption  bands,  and  to  functionalize  each  nucleotide  in  order  to  obtain  selective 

excitation/cleavage. Through monochromatic excitation, the start signal would select which nucleotide 

was to be incorporated in the growing strand. The next step was to choose a suitable collection of caging 

groups. 

 

1.3.3. Photolabile Protecting Groups  

There  are  few  described  classes  of  photolabile  protecting  groups,  each  with  several  structural 

modifications, but conserving the intrinsic release mechanism and photochemical properties: o‐alkylated 

nitrophenil, benzoin, p‐hydroxyphenacil and coumarins.[69,74,122] 

 

31  

1.3.3.1. ortho‐Alkyl Nitrophenil Group  

The ortho‐alkylated nitrophenil group was the first photolabile protecting group to be applied  in caged 

compounds  and  is  nowadays  the  most  extensively  used  (for  review,  see  [67,69,72,123,124]  and 

references  therein). The deprotection mechanism  (Figure 1.12)  involves mainly  three steps  in aqueous 

solution at neutral pH: first, the methyl proton of the ether is released by rapid ionization of nitro group 

leading  to  the  formation of  an  aci‐nitro  tautomer  (step 1). A  fast  irreversible  cyclization  can  then be 

achieved  (step 2)  and  in  the  subsequent,  slower  reaction  (step 3),  the  free biomolecule and  the  side 

product nitrosoacetophenone are formed concomitantly.[125]  

 

 

  Figure 1.12 – Photocleavage mechanism of nitrophenil protecting group. 

 

 

A  major  problem  of  the  unsubstituted  2‐nitrobenzyl  (NB)  group  (R  =  H)  is  the  photoproduct,  2‐

nitrosobenzaldehyde,  which  may  react  with  the  released  compound  or  other  components  of  the 

preparation,  leading  to  deleterious  effects  in  biological  samples.[67]  The  ortho‐nitrophenylethyl  (NPE) 

group  (R = Me) generates  less‐reactive acetophenone. However, both NB and NPE groups only absorb 

weakly at wavelengths greater than 340 nm (ε347 = 500 M‐1cm‐1) considerably  limiting photolysis  in the 

more convenient range of 350 to 400 nm. The 4,5‐dimethoxy‐2‐nitrobenzyl derivative (DMNB) has much 

higher absorbance in this region (ε360 = 5000 M‐1cm‐1), but has a low quantum yield of photocleavage, so 

the sensitivity to long‐wave UV improves by less than tenfold. The 1‐(4,5‐dimethoxy‐2‐nitrophenyl)ethyl 

group  (DMNPE),  which  combines  both  modifications  of  the  NPE  and  DMNB  groups,  has  been 

investigated,  but  failed  to  show  fast  release  kinetics with ATP  or  amino  acids.  The NPE  and DMNPE 

groups are  chiral, property  that  is disadvantageous because  coupling  to  chiral biomolecules produces 

diastereomers. These pairs of compounds may have different biological and photochemical properties, 

yet the enantiomeric separation is cumbersome.[69] 

R

N+

OX

H

O-

O

R

N+

OX

O-

OhνH2O

+ H+

R

NO

O-

OX

Fast

R

NO

O + OH XRate Lim.

R = H or Met

X = Biomolecule

32  

1.3.3.2. Benzoin Group  

Benzoin  has  interesting  properties  as  a  photolabile  protecting  group.  The  advantages  include  high 

quantum yields, fast rates of release, and formation of an inert benzofuran by‐product [Figure 1.13].  

 

 

  Figure 1.13 – Photocleavage mechanism of benzoin protecting group 

 

 

Its strong absorption centered at 300 nm allows convenient monitoring of the reaction progress by UV 

spectroscopy.  On  the  other  hand,  this  characteristic  may  be  a  drawback  (light  absorption  by  the 

product).  The  same  can  be  said  for  the  strong  fluorescence  exhibited  by  the  benzofuran.  The  3’,5’‐

dimethoxybenzoin (3’,5’‐DMB) acetate present an efficient and clean cleavage to give the corresponding 

benzofuran with  a  quantum  yield  of  0.64.  Other  substitution  patterns were  synthesized  in  order  to 

optimize quantum yield and product distribution, which also strongly depend on the  leaving group. At 

this point, there  is no clear knowledge of the general photocleavage mechanism of  these compounds. 

Either the photochemistry processes from a short‐lived triplet state or directly from the singlet excited 

state.  From  this  singlet  excited  state  an  heterolytic  cleavage  has  been  suggested,  but  also  radical 

intermediates and even photochemistry  through exciplex  formation has been proposed  [for a  review, 

see [124]. 

 

1.3.3.3. para‐Hydroxyphenacil Group  

Several features render the p‐hydroxyphenacyl (pHP) cage one of the most promising alternatives to the 

nitrobenzyl  derivatives.[124]  A  straightforward  synthetic  route  from  commercially  available  p‐

X

OR1

R2

R = H or OMet

hνO

R2

R1

+ H X

X = Biomolecule

33  

hydroxyacetophenone yields  the protected  compounds. The derivatives are  soluble  in aqueous media 

and stable in biological buffers for over 24 h. The main by‐product, p‐hydroxyphenylacetic acid, is water‐

soluble and non‐toxic. Moreover, the UV absorption of p‐hydroxyphenylacetic acid  is blue‐shifted with 

respect  to  that  of  its  precursor.  Therefore,  if  the  irradiation  wavelength  is  chosen  properly,  the 

photoproduct does not  interfere with  light absorption, allowing for quantitative conversion. Unlike the 

benzoin or 2‐nitrobenzil derivatives (NPE and DMNPE), binding of the pHP group to the substrate does 

not  introduce  a  chiral  centre,  avoiding  the  problem  of mixtures  of  diastereomers when  dealing with 

chiral compounds. Last, but not  least, the release is remarkably fast, occurring in the 10‐8 second range 

from a triplet state [Figure 1.14].  

 

 

  Figure 1.14 – Photocleavage mechanism of p‐hydroxyphenancil protecting group 

 

 

A disadvantage of the pHP protecting group  is  its  low absorption coefficient at wavelengths above 320 

nm. A pHP derivative ‐ 3,5‐dimethoxy‐pHP – is described as an attempt to shift the absorption to longer 

wavelengths, which absorbs light of wavelengths up to 400 nm. However, the quantum yield of release is 

reduced to 0.03–0.04 and the reaction follows a different path.[124] 

 

 

 

 

OH

O

Xhν

O-

O

X

+ H+

3*

O

CH2

O

+ HX

3*

O

O

H2O

OH

OH

O+ HX

X = Biomolecule

34  

1.3.3.4. Coumarin Group  

A short description of this class of caging groups  is presented, focused mainly on  its origins and recent 

applications.  A  detailed  photochemical  and  photophysical  description  of  coumarin  derivatives  is 

presented in section 1.4. 

 

Coumarin  (1,2‐Benzopyrone  or  2H‐1‐benzopyran‐2‐one)  and  its  derivatives  (coumarins)  are  widely 

distributed  throughout  nature  and  many  exhibit  useful  and  diverse  biological  and  pharmacological 

activities.[126‐130] Coumarins occur as secondary metabolites in the seeds, roots and leaves of many plant 

species,  notably  in  high  concentration  in  tonka  bean.[131]  Their  function  is  far  from  clear,  although 

suggestions include plant growth regulations, fungistasis, bacteriostasis and even, waste products. Some 

naturally  occurring  coumarin  derivatives  include  warfarin,  umbelliferone  (7‐hydroxycoumarin), 

aesculetin (6,7‐ dihydroxycoumarin), herniarin (7‐methoxycoumarin), psoralen and imperatorin.[131,132]  

 

Now the diversity of coumarin derivatives, both natural and synthetic, has grown. Coumarin derivatives 

have been  found  to have numerous  therapeutic applications  including photochemotherapy, antitumor 

and anti‐HIV therapy, and as central nervous system (CNS) stimulants, antibacterials, anti‐inflammatory, 

anti‐coagulants, activity against breast  cancer and dyes.  In addition,  coumarins  are  known  to be  lipid 

lowering agents with moderate triglyceride  lowering activity. The pattern of substitutions on the basic 

chemical structure is said to influence both the coumarin’s pharmacological and biochemical properties, 

including the therapeutic applications, and can beneficially affect toxicity (for review see [127,131‐133] 

and references therein). 

 

From  a  chemical point of  view,  the  spectral  range of  coumarin derivatives  absorption extends  to  the 

visible region. The substituent pattern of the coumarinic core is important to regulate the absorption and 

emission  spectra,  photophysical  properties,  photochemical  reactivity  and  hydrophilicity  of  the 

compound.  The  quantum  yields  observed  in  4‐methylcoumarin  derivatives  are  up  to  0.25  at most, 

nevertheless they present much higher absorption coefficients when compared to other caging groups. 

Also,  the  fast  rate  of  photorelease makes  this  system  suitable  for  a  number  of  applications,  such  as 

photorelease  of  carboxylic  acids,  phosphates  and  sulfonates.  Recently,  4‐methylcoumarin  derivatives 

have also been applied  to  the  caging of alcohols and phenols,[134] aldehides and ketones,[135] diols,[136] 

amines,[68,98]  carboxylates[134]  and  carbonyls.[137]  The  coumarinyl  group  is  also  suitable  for  two‐photon 

35  

excitation experiments,  thanks  to  its  relatively high  two‐photon  excitation  cross  section.[71]  The more 

relevant characteristics of this class are not only the possibility  to  irradiate  in  the visible  region of the 

spectrum but also the tunable absorption properties of the coumarin molecules through the substitution 

pattern. Furthermore, the previous work of Hagen and colleagues described the synthesis of a coumarin‐

caged ATP through derivatization of phosphate group.[116]   

 

Due to all the mentioned characteristics, coumarins were considered the most suitable caging group for 

application to the light control of nucleic acids presented in this Thesis. 

 

 

1.4. Photophysics and Photochemistry of Coumarins  

1.4.1. Introduction to Photochemistry  

Before  proceeding  to  the  state  of  the  art  of  coumarin’s  photophysics  and  photochemistry,  this  sub‐

chapter presents a short introduction to some general Photochemistry principles that are related to this 

work. 

 

1.4.1.1. Absorption of Radiation  

K. K. Rohatgi‐Mukherjee[138] presents a simple and clear explanation of this subject: 

 

“When electromagnetic radiation falls on an atom or molecule, the electric field of the radiation 

tends  to disturb  the charge cloud around  the atom or  the molecule.  (…) The oscillating electric 

field of the electromagnetic radiation (…) creates an oscillating dipole in the atom or the molecule 

with which  it  is  interacting. The dipole  is generated  in the direction of the electric vector of the 

incident radiation. 

 

From  electrodynamics,  it  is  known  that when  a  positive  and  a  negative  charge  oscillate with 

respect to each other, it becomes a source of electromagnetic radiation. The radiation emanating 

from the source is propagated in all directions like a sound from a ringing bell. A similar situation 

36  

applies  to  the  present  case.  The  disturbed  molecule  becomes  a  source  of  electromagnetic 

radiation of the same frequency as the frequency of the incident radiation. This is the mechanism 

of  scattering of  radiation by a particle of molecular dimensions.  The  secondary  radiation  thus 

scattered uniformly  in all directions  interferes with  the primary  incident  radiation. As a  result, 

radiation waves are cancelled out by destructive  interference  in all directions except that of the 

reflection or refraction. 

 

As long as the frequency of incident radiation νi is not close to that of the natural frequency νn of 

the molecule as given by  its  energy  states,  the oscillations are due  to  forced distortion of  the 

molecule  by  the  electromagnetic  wave.  But  when  νi  ≈  νn,  and  the  resonance  condition  is 

established between the two interacting partners (the photon and the molecule), the oscillations 

classically become “free”. Under this condition a quantum of radiation or a photon is absorbed by 

the  atom  or molecule,  promoting  it  to  a  higher  energy  state. An  oscillating  dipole moment μ 

(defined by  the product of  charge e  times  the distance of  separation  r between  the centers of 

gravity of positive and negative charges) is created and designated as the transition moment.” 

 

Quantitatively,  the  intensity of  absorption  for  an electronic  transition  is  the probability of  absorption 

between  two  given  energy  states.  Experimental determination of  intensity of  absorption  is based on 

Lambert‐Beer  law. When the radiation of frequency ν  is  incident on an absorbing system composed of 

atoms  or molecules,  the  fractional  decrease  in  intensity  on  passage  through  the  solution  of molar 

concentration C and layer thickness dl can be expressed as 

 

          Equation 2 

 

αν is the proportionality constant and is a function of incident light frequency ν. On integration over the 

path length l and converted to decimal logarithm the expression becomes 

 

        Equation 3 

 

37  

where I0 is the incident intensity at L = 0, and I is the transmitted intensity at L=L. Hence εν expresses the 

probability of absorption per unit time per unit concentration per unit  length of the optical path. For a 

range of frequencies 

 

           Equation 4 

 

where A  is the molar  integrated  intensity over  the absorption band. The simplified version and widely 

applied Lambert‐Beer equation  refers  to  the  relation between absorbance A at a discrete wavelength, 

molar concentration C, optical path l and molar extinction coefficient ε at the same wavelength 

 

               Equation 5 

 

For more than one absorbing components, optical density, or absorbance is given by AT=lΣiενiCi.[138] 

 

Concerning electronic transitions that occur upon photon absorption, the types of electronic orbitals that 

may be present  in organic molecules are σ, π, n, π* and σ*  (respectively, by ascending energy order), 

which originate from the overlap of atomic s and p orbitals. Also, according to molecular orbital theory, 

most  organic molecules  are  closed‐shell molecules  in which  the  highest  occupied molecular  orbitals 

(HOMO) are bonding (σ or π) or non‐bonding (n) orbitals. On excitation, an electron may be promoted to 

the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) which is usually an anti‐bonding (σ* or π*) orbital. The 

n π* and π π* transitions are the most characteristic transitions  in organic molecules since they are 

generally  observed  in  the  near UV  and  visible  regions  of  the  spectrum.[139]  Among  some  differences 

between both transition types, the more pronounced is the intensity of the absorption band. Transitions 

of  n π*  type  usually  present  smaller  transition  probabilities  (and  consequently,  smaller  extinction 

coefficients) due to the poor overlap of the wave functions describing the initial and final states.[138] 

 

1.4.1.2. Photophysical Processes in Electronic Excited Molecules  

The electronic transition  induced by the electromagnetic radiation occurs rapidly  (10‐15 s) compared to 

nuclear motion (≈10‐13 s). Thus, the nuclei remain essentially frozen at the equilibrium configuration of 

the ground state molecule during transition. Since the electronically excited state thus generated is likely 

38  

to have very different charge distribution compared to the ground state,  it  is expected that changes  in 

the nuclear  configuration  take place only  at  later  times,  after  transition occurred.  This  is  the  Franck‐

Condon principle (Figure 1.15).[139] 

 

 

  Figure 1.15 – Franck‐Condon principle and vertical  transitions. The potential energy curves of ground‐state  (E0) and the first excited state (E1) are represented as function of the relative nuclear coordinates. The energy minima in each curve represent the inter‐nuclear equilibrium distance for each energy state. Transition between the ground state and excited state (or vice versa) occurs between the lowest vibrational state and the vibrational state in the upper level (or lower level) at the same nuclear distance. 

 

 

The  operation  of  the  Franck‐Condon  principle  often means  that  electronically  excited molecules  are 

“born” with some vibrational excitation. In solution phase, it can be assumed that collision between the 

excited molecule and solvent molecules rapidly remove the vibrational excitation, and lead the molecule 

to the lowest vibrational level of the electronically excited state. From this point, there are a number of 

different possible physical de‐excitation pathways and the ones that are most favorable depend on the 

39  

type  of molecule  and  the  nature  of  the  electronic  states  involved.  These  de‐excitation  pathways  are 

often characterized by very rapid rates, and may be classified into three broad categories: radiative, non‐

radiative and bi‐molecular (quenching) processes.[139] 

 

The several de‐activation pathways can be summarized conveniently on a Jablonski diagram, which  is a 

simplified  energy  level  diagram  on which  the  transitions  are  indicated  by  arrows.  Also  the  different 

energy levels and rate constants associated to each deactivating process are indicated (Figure 1.16). 

 

 

  Figure 1.16 – The Jablonski diagram. Ground state (S0), the two first excited states (S1 and S2) and the first excited triplet  state,  and  correspondent  vibrational modes,  are  represented  in  a  simplified  fashion. Absorption  and  the several photophysical deactivation processes are represented as arrows,  indicating the changes  in the molecule’s energy state. 

 

 

Radiative transitions occur when an excited state molecule emits electromagnetic radiation as it returns 

to  the  ground  state.  There  are  two  different  types  of  radiative  transitions  ‐  fluorescence  and 

phosphorescence.  Fluorescence  is  the  radiative  emission  from  an  excited  state  of  the  same  spin 

multiplicity  as  the  ground  state.  Excitation  to  the  S1  state  of  an  organic molecule  in  solution might 

40  

therefore be followed by the emission of fluorescence accompanying the S1 S0 transition (Figure 1.16). 

Since  there  is  no  change  of  spin multiplicity,  the  transition  is  spin‐allowed.  In  the  absence  of  other 

factors  that  might  make  the  transition  forbidden  (orbital  symmetry,  for  example),  fluorescence  is 

strongly allowed with the result that  it occurs on relatively fast timescales. Typical timescales  lie  in the 

nanosecond  (10‐8  ‐ 10‐9  s)  range.  If  the  spin multiplicity of  the emitting  state differs  from  that of  the 

ground  state,  the mission  is  referred  to  as  phosphorescence.  Thus,  if  the  T1  state  is  populated  by 

intersystem crossing from the S1 state (or by any other means), the subsequent T1 S0 transition is spin 

forbidden  (Figure  1.16).    Typical  timescales  for  phosphorescence  lie  in  the  microsecond  to  second 

range.[139] 

 

Non‐radiative  transitions  involve  the  conversion of  one molecular  quantum  state  to  another without 

emission  of  radiation.  In  one  sense,  all  transitions  that  do  not  yield  emission  are  non‐radiative 

transitions,  including  the  removal  of  vibrational  excitation  by  solvent  molecules  mentioned  above. 

However,  the  term  non‐radiative will  be  used  to  imply  an  intramolecular  photophysical  process  –  a 

transition  that occurs between  the quantum  states of  an  individual molecule – without  the need  for 

external perturbations such as collisions with other molecules. If radiative transitions are imagined to be 

“vertical” due to Franck‐Condon principle, non‐radiative transitions are “horizontal”. The implication of a 

horizontal transition is that it occurs between quantum states of the same energy. Two different types of 

non‐radiative transitions can be identified according to the spin multiplicities of the participating states. 

Internal conversion involves the transfer of population between electronic states of the same multiplicity 

and  intersystem  crossing  involves  the  transfer  of  population  between  states  of  different  spin 

multiplicity.[139] 

 

Bi‐molecular  processes  (de‐excitation  through  quenching)  involve  the  encounter  and  collision  of  the 

excited state molecule and a second molecule, or quencher. A quenching process is defined as one which 

competes with  the  spontaneous  emission  process  and  thereby  shortens  the  lifetime  of  the  emitting 

molecule. Basically, these quenching reactions fall into one of the three main categories: energy transfer, 

electron transfer or proton transfer.[138] These processes are widely studied and fascinating, but are also 

out of the scope of this work. 

 

 

41  

1.4.1.3. Effect of Solvent in Absorption and Emission Spectra  

Due to the differences  in electron distribution  in the different electronic states, an  interaction with the 

environment affects differentially the states of a molecule. Considering the more common transitions in 

organic molecules, the electron charge distribution of a (π,π*) excited state is more extended than that 

of  the  ground  state,  and  therefore more  polarizable.  Change  from  a  non  polar  to  a  polar  solvent 

increases the solvent  interaction with both states, but the corresponding decrease  in energy  is greater 

for  the excited  state,  resulting  in a  red  shift  in absorption  (Figure 1.17). On  the other hand,  in n π* 

transitions, non‐bonding  lone pair on the heteroatom might be hydrogen bonded  in the ground state. 

This results in a greater decrease in ground state energy for more polar and hydrogen bonding solvents. 

The excited state is not much depressed, as the promotion of the n‐electron into the π*‐orbital reduces 

the hydrogen bonding forces in the excited state. The result is a blue shift in absorption. Charge transfer 

states  can have  a much  greater dipole moment  than  the  ground  state  (if  the  transition moment  lies 

parallel  to  the  ground  state  dipole moment)  and,  therefore,  change  to  a  polar  solvent  result  in  a 

considerably larger red shift due to preferential excited state stabilization (Figure 1.17).[138] 

 

 

  Figure 1.17 – The  solvatochromic effect. The  simplified energy  levels  show  the  shift between ground  state and excited state, upon solvent change with different polarity. When  the overall energy difference between  the  two states  is decreased a  red  shift  is observed  (left). When  the overall energy difference  is  increased a blue  shift  is obtained (right). 

42  

1.4.1.4. Lifetime and Quantum Yield  

If  the  radiative process  is  considered alone,  after a  concentration of electronically excited molecules, 

[M*],  is  formed  in  the excited  state,  it decays  to  zero  as  a  function of  time due  to  the  spontaneous 

emission of radiation. Spontaneous emission is a random process, following first‐order kinetics: 

 

            Equation 6 

 

i.e. the rate of removal of M* depends on the first power of [M*]. The rate coefficient kr0 characterizes 

the  rate of  the  spontaneous emission process and  is determined by  the nature and properties of  the 

emitting state. Integration of Equation 5 gives: 

 

         Equation 7 

 

and hence the concentration of M* decays exponentially to zero from some  initial concentration [M*]0 

at  t = 0. However, additional deactivating processes are generally present  in organic molecules.  If we 

take as an example  the existence of radiative,  internal conversion and  intersystem crossing processes, 

the rate of decay of [M*] is given by: 

 

           Equation 8 

 

where  kf  is  the  radiative  rate  constant,  kIC  is  the  internal  conversion  rate  constant  and  kISC  is  the 

intersystem crossing rate constant. The decay of [M*] still obeys first‐order kinetics: 

 

          Equation 9 

 

The time that a population of molecules takes to decay [M*]0 to 1/e of its original value is called lifetime 

(τ), and is defined as the reciprocal of the sum of all deactivating processes: 

 

             Equation 10 

 

43  

Under  circumstances where  the additional photoprocesses  compete effectively with  fluorescence,  the 

lifetime of a certain compound will be reduced. Since  fewer excited molecules actually emit radiation, 

the  intensity of fluorescence  is also reduced compared to that obtained  in the absence of competition. 

This leads naturally to the idea of quantum yields. 

 

The quantum yield of fluorescence, for example, is the ratio between the number of emitting molecules 

(per unit of time per unit of volume) and the number of molecules that absorb a photon (per unit of time 

per unit of volume). A quantum yield of a certain process can also be defined as the ratio between the 

process  rate  constant  and  the  sum  of  all  deactivating  processes’  rate  constants.  In  the  fluorescence 

quantum yield case: 

 

Φ               Equation 11 

 

 

1.4.1.5. Photochemical Deactivation  

All  excited  state  deactivation  processes mentioned  above  have  one  characteristic  in  common:  after 

deactivation,  the  initial molecule  is  obtained. Upon  excitation  of  an  organic molecule,  an  electron  is 

promoted  from a bonding  (or non‐bonding) orbital  to an anti‐bonding orbital. Bonds between certain 

atoms become weaker, depending on electron density changes that occur during excitation, which leads 

to  increased  reactivity. Since nuclei are often more weakly bound  in  the excited  state  than  in ground 

state,  the molecule may  be  subjected  to  dissociation,  if  excited  to  the  repulsive  state  (anti‐bonding 

state). Also, because of the Franck‐Condon principle, different vibrational and rotational modes may be 

excited which can facilitate reactions normally impossible in the ground state.[138] 

 

As a result, either  intramolecular or  intermolecular photoreaction can occur,  leading to the creation of 

new species. Organic photochemistry  reactions are as vast as organic  chemistry  itself. Focusing  in  the 

scope of this work, for coumarins there are two main photochemical reactions described – dimerization 

(reacting either from singlet or triplet excited state)[70,140‐143] and heteroatom sigma bond break (reacting 

from singlet excited state)[144]. Both these processes are described in more detail in section 1.4.3. 

 

44  

Kinetically,  photochemistry  can  be  treated  as  an  additional  deactivating  process,  competing  with 

photophysical processes (Figure 1.18).  

 

 

  Figure  1.18  –  Photophysical  and  photochemical  processes.  The  photochemical  process  can  be  treated  as  an additional deactivating process, as the other photophysical deactivating processes intrinsic to the molecule. 

 

 

The lifetime will thus be described as: 

 

               Equation 12 

 

in  which  kchem  is  the  global  photochemical  rate  constant  and  k’  is  the  sum  of  all  photophysical 

deactivation processes’  rate  constants.  The photochemical  reaction  can  either be  intramolecular  (cis‐

trans  isomerization,  rearrangements,  intramolecular  coupling,  cyclization,  sigma  bond  break,  etc)  or 

intermolecular (dimerization, photoadditions, substitutions, etc), and consequently the complete kinetics 

treatment  of  each  reaction  type must  be  considered  on  a  case  by  case  basis.  Yet,  a  photochemical 

quantum yield can be simply defined as the ratio between the number of product molecules formed (per 

unit of volume per unit of time) and the number of photons absorbed  (per unit of volume per unit of 

time), or: 

 

Φ               Equation 13 

 

45  

in  which  kchem  is  the  global  photochemical  rate  constant  and  k’  is  the  sum  of  all  photophysical 

deactivation  processes’  rate  constants.  In  cases  in which  several  stepwise  reactions  occur  until  final 

product is formed, kchem represents the overall observed rate constant. 

 

 

1.4.2. Coumarin Ground‐State and Photophysical Properties  

Spectral  properties  of  coumarin  derivatives  are  largely  dependent  on  the  substituent  pattern  of  the 

coumarinic  core.  In  Figure  1.19  is  depicted  the  basic  coumarin  chromophore  structure  and  some 

common derivatives, and in Figure 1.20 their absorption and emission spectra.  

 

 

  Figure  1.19  –  Coumarin  moiety  and  some  common  derivatives.  C:  coumarin;  ClC:  2‐chlorocoumarin;  MMC: 7‐methoxy‐4‐methylcoumarin; ClMMC: 2‐chloro‐7‐methoxy‐4‐methylcoumarin. 

 

 

Most  coumarins  present  large  absorption  coefficients  in  the  near UV/visible  region  of  the  spectrum, 

characteristic of the typical (π π*) transition.  Increasing electron donating substituents  in 7‐ (and also 

6‐)  position,  or  electron  withdrawing  substituents  in  3‐  position  leads  to  a  red‐shift  of  the  longer‐

wavelength absorption band. This push‐pull effect  is also observed by the increasing absorptivity of the 

coumarin derivatives, indicating that the (π π*) transition is associated to some intramolecular charge 

transfer character.[146] In the presence of an electron donating substituent in the 7‐ position (or electron 

withdrawing  in  3‐  position)  and  upon  excitation,  the molecule’s  electron  density  is  shifted  into  the 

coumarinic core. Since the dipolar transition moment is proportional to the polarization due to electron 

46  

density shift,  increasing electron donor capabilities promote higher transition moments, which  leads to 

higher  absorption  coefficients.  It  is  then  possible  to  tune  the  long‐wavelength  absorption  band  of  a 

coumarin molecule through derivatization of the coumarinic core with suitable substituents, taken  into 

account its electron donating/withdrawing capabilities. Moreover, not only the absorption band position 

can be modulated, but also its absorptivity.  

 

 

  Figure 1.20 – Absorption (A) and emission (B) spectra of the coumarin derivatives shown in Figure 1.19.   Figure adapted from [145]. 

 

 

Excited‐state  photophysical  properties  of  coumarins  are  also  dependent  on  the  substituent  pattern. 

Seixas  de  Melo  and  co‐workers[145]  have  shown  the  presence  of  a  lowest  lying  1(n,π*)  state  for 

unsubstituted  coumarin  and  other  coumarin  derivatives.  Upon  coumarin  excitation  and  fast  Franck‐

Condon relaxation, the lowest energy state 1(n,π*) is populated, in the cases where this state lies lower 

than  the  1(π,π*)  state.  Due  to  the  small  energy  difference  between  1(π,π*)  and  1(n,π*)  states, 

substituents and solvent medium affect the relative energy of both states, producing dramatic changes 

in fluorescence quantum yields and lifetimes (Table 1.1). 

 

Addition  of  electron donating  substituents  in  7‐  (or  electron withdrawing  in  3‐) position  stabilize  the 

1(π,π*) state, as  revealed by  the  red‐shift  in absorption. As  the  1(n,π*) and  1(π,π*) states get closer  in 

energy,  a mixture  between  the  two  states  occur  and  the  (π* n)  transition  becomes  less  forbidden. 

Curiously,  the  excited  state  lifetime  and  fluorescence  quantum  yield  are  increased with  addition  of 

47  

electron donating substituents in the 7‐ position, while the radiative decay remains constant. The major 

responsible  for  this  behavior  is  then  a  drastic  reduction  in  kIC. When  1(n,π*)  and  1(π,π*)  states  are 

separated,  a  vibronic  coupling  between  S1  and  S0  leads  to  an  efficient  internal  conversion  which 

increases the non‐radiative pathway.[147] As 1(n,π*) and 1(π,π*) states get closer in energy, a change in S1 

potential energy curve and therefore  its vibration modes occurs. As a result, the energy barrier for the 

vibronic coupling  increases. This way, a decrease  in  1(n,π*) and  1(π,π*) separation produces a mixture 

between both  states  that  lead  to  reduction  in kIC,  leading  to  longer  lifetimes and higher  fluorescence 

quantum yields. 

 

 

Table  1.1  –  Photophysics  of  common  coumarins  as  function  of  solvent  polarity.  Experimental  values  of  the 

Fluorescence  Quantum  Yields  (Φf),  Lifetimes  (τf),  and  Radiative  (kr)  and  Radiationless  (knr)  rate  constants  in cyclohexane (Cx), dioxane (Dx), and dioxane:water mixture of 1:4 (Dx:H2O, 1:4) of coumarin (C), 3‐chlorocoumarin (ClC), 7‐methoxy‐4‐methylcoumarin (MMC), and 3‐chloro‐7‐methoxy‐4‐methylcoumarin (ClMMC). Data taken from [145]. 

Compound  Solvent  Φf  τf (ns)  kf (ns‐1)  knr (ns

‐1)  τf0 (ns) a) 

Cx  0.0003  < 0.10  > 0.003  > 10.0  < 330 Dx  0.0003  < 0.10  > 0.004  > 10.0  < 250 

Dx:H2O, 1:4  0.0020  0.10  0.020  10.0  50 

ClC 

Cx  0.0004  < 0.1  > 0.004  10.0  < 250 Dx  0.0026  0.10  0.026  10.0  39 

Dx:H2O, 1:4  0.0220  0.31  0.071  3.2  14 

MMC 

Cx  0.0014  0.10  0.014  10.0  71 Dx  0.0140  0.13  0.110  7.6  9.1 

Dx:H2O, 1:4  0.62  1.70  0.360  0.22  2.8 

ClMMC 

Cx  0.12  0.64  0.190  1.40  5.3 Dx  0.51  2.40  0.210  0.19  4.8 

Dx:H2O, 1:4  0.83  3.90  0.210  0.06  4.8 

a) τf0 = 1/kf 

 

 

Another  important  and  rather  predictable  parameter  that  affects  coumarin  photophysics  is  solvent 

polarity.[146‐149] For many coumarins (except 7‐alkylamino derivatives that will be addressed particularly), 

the solvent effect will find their parallel in the substituent effect. With increasing solvent polarity a red‐

shift in absorption and emission bands is observed (Figure 1.21).  

 

48  

  Figure 1.21 – Absorption and emission spectra of ClMMC  in cyclohexane  (full  line) and dioxane:water mixture, 1:4 (dashed lines). Figure taken from [147]. 

 

 

This  indicates  that, as expected, as we move  from an apolar solvent  (hexane) to a more polar solvent 

(water), the  1(π,π*) state  is  increasingly stabilized, promoting the mixture with the  lowest  lying 1(n,π*) 

state. Once more, this mixture between the two states leads to an increase of the activation barrier for 

vibronic coupling, and a decrease of kIC in almost 500 times. This way, a higher lifetime and fluorescence 

quantum yield are observed (see Table 1.2), with only small changes in kf.[147] 

 

For 7‐amino and 7‐alkylamino coumarin derivatives, the solvent effect for extreme polarities is somehow 

unusual. In moderate to higher polarity solvents, properties such as Stokes’ shifts, fluorescence quantum 

yields, fluorescence lifetimes and radiative and non‐radiative rate constants follow a more or less linear 

correlation with  the  solvent  polarity.  Solvent  polarity,  defined  according  to  Lippert‐Mataga  function 

(Equation 14).[152‐154]  

 

Δ                 Equation 14 

 

in which ε is the solvent dielectric constant and n is the solvent refraction index.  

 

 

 

49  

Table  1.2  –  Photophysics  of  ClMMC  as  function  of  solvent  polarity.  The  fluorescence  quantum  yields  (Φf), 

fluorescence  lifetimes (τf), radiative rate constant  (kf), non‐radiative rate constant  (knr), and emission wavelength 

maxima (λemmax) for ClMMC in 24 solvents plus nine dioxane:water mixtures, at 20 °C. Data taken from [147]. 

Solvent  ET(30)a)  λem

max (nm)  Φf  τf (ns)  kf (109 s‐1)  knr (10

9 s‐1) 

Methylcyclohexane    383.0  0.132  0.59  0.22  1.47 

Cyclohexane  30.9  383.0  0.12  0.64  0.19  1.38 

n‐pentane  31  381.0  0.08  0.474  0.18  1.93 

n‐hexane  31  381.0  0.12  0.56  0.22  1.57 

n‐heptane  31.1  381.0  0.11  0.59  0.19  1.51 

iso‐octane    382.0  0.10  0.54  0.19  1.66 

n‐hexadecane    384.0  0.18  0.785  0.23  1.05 

CCl4  32.4  388.0  0.32  1.37  0.23  0.50 

Toluene  33.9  390.5  0.52  2.21  0.24  0.217 

Benzene  34.3  388.0  0.51  2.19  0.23  0.224 

Dioxane  36.0  388.0  0.53  2.4  0.22  0.196 

Chlorobenzene  36.8  388.0  0.55  2.72  0.20  0.165 

Tetrahydrofuran  37.4  389.5  0.51  2.45  0.21  0.20 

Chloroform  39.1  386.0  0.82  3.06  0.27  0.059 

Dichloromethane  40.7  387.0  0.74  2.9  0.25  0.091 

1,2‐dichloroetaneb)  41.3  388.0  0.65  2.8  0.23  0.125 

Dimethylformamide  43.8  394.0  0.73  3.19  0.23  0.085 

DMSO  45.1  395.0  0.65  2.68  0.24  0.131 

Dx:H2O 9:1  46.7  389.5  0.66  3.1  0.21  0.11 

Propanol‐2  48.4  390.0  0.81  3.24  0.25  0.059 

Dx:H2O 8:2  49  391.5  0.68  3.3  0.21  0.097 

Butanol‐1  50.2  390.0  0.84  3.3  0.26  0.049 

Dx:H2O 7:3  50.9  393.5  0.76  3.47  0.22  0.069 

Ethanol  51.9  392.0  0.75  3.28  0.23  0.076 

Dx:H2O 6:4  52.3  393.5  0.78  3.58  0.22  0.062 

Dx:H2O 5:5  53.6  393.5  0.84  3.7  0.23  0.043 

Methanol  55.4  393.5  0.77  3.63  0.21  0.063 

Dx:H2O 4:6  55.6  404.5  0.83  3.8  0.22  0.045 

Formamide  56.6  389.0  0.81  3.42  0.24  0.056 

Dx:H2O 3:7  57.2  405.0  0.84  3.9  0.22  0.041 

Dx:H2O 2:8  58.6  405.0  0.83  3.9  0.21  0.044 

Dx:H2O 1:9  61.6  405.0  0.82  3.94  0.21  0.046 

Water  63.1  405.5  0.88  3.93  0.22  0.031 

50  

a) ET(30) values dioxane:water mixtures were taken from [150]. All the others from [151]. b) For this particular solvent single exponential behavior was not found. Two component decay is obtained, being the lifetime obtained the one with the major contribution to the overall decay. DMSO ‐ Dimethylsulfoxide; CCl4 ‐ Carbon tetrachloride; Dx:H2O ‐ dioxane:water mixture.  

 

In non polar solvents  like cyclohexane, methylcyclohexane, 3‐methylpentane and decalin, however, all 

the above‐mentioned properties show unusual deviation. Pal and co‐workers[148,149] found that 7‐amino‐

4‐methylcoumarin (ACM) presents decreased fluorescence quantum yields, accompanied by a decrease 

in  lifetime  in  the  referred  solvents.  These  authors  suggest  the  presence  of  a  fast  non‐radiative 

deactivation  channel  for  the  dye’s  S1  state  in  these  solvents,  not  related  to  intersystem  crossing 

processes. Comparing the absorption and fluorescence maxima and Stokes’ shifts  in different solvents, 

they have inferred that in moderate to higher polarity solvents, the dye exists in a planar intramolecular 

charge  transfer  (ICT)  configuration,  whereas  in  non  polar  solvents  the  dye  exists  in  non‐planar 

configurations, with  its 7‐NH2 group not participating  in resonance with  the coumarin moiety. Since  in 

the non‐planar  configurations  the  ‐NH2  group  is  very  flexible due  to  loss of  some π  character,  it  can 

undergo flip‐flop motions and thereby coupled to the solvent modes to efficiently deactivate the excited 

state.  In other solvents, due to the  ICT structure, the flexibility of the ‐NH2 group  is strongly restricted, 

and thus, the non‐radiative constant decreased (Figure 1.22‐A). This hypothesis would also explain the 

flip‐flop mechanism temperature dependence. The same authors shown that substituting the ‐NH2 group 

for  a  ‐ND2  analogue,  the  kIC  is  considerably  decreased.  Moreover,  ethylamino‐  and  diethylamino‐ 

analogues show opposite properties in non polar solvents[146] – higher fluorescence quantum yields and 

longer  lifetimes.  They  rationalize  these  observations  by  suggesting  that  increase  in  size/mass  of  the 

amino  substituents hampers  the  flip‐flop motion,  increasing  the  activation energy barrier  for  vibronic 

coupling, thus reducing non‐radiative deactivation (Figure 1.22‐B).[146] 

 

 

51  

  Figure  1.22  –  Photophysical  deactivating  processes  in  7‐aminocoumarin  derivatives,  as  function  of  solvent polarity.  A)  Non‐radiative  rate  constant  (knr)  and  radiative  rate  constant  (kf)  of  7‐amino‐4‐methylcoumarin  as function  of  solvent  polarity.[148]  An  asymptotic  increase  in  the  non‐radiative  rate  constant  is  observed  with decreasing solvent polarity. B) Non‐radiative rate constant (knr) of 7‐diethylamino‐4‐methylcoumarin as function of solvent polarity.[146] A decrease in the non‐radiative decay is observed for decreasing solvent polarity. 

 

 

For high polarity and protic solvents, the photophysical properties of 7‐diethylamine‐4‐methylcoumarin  

(DEACM) dye  is seen  to display a sharp decrease  in  its Φf and τf values as  the Lippert‐Mataga solvent 

polarity  parameter  Δf[154]  (Equation  14)  exceeds  a  value  of  ≈  0.28.[155‐157]  In  all  the  solvents  studied, 

including  those having Δf higher than 0.28, however,  the Stokes shifts  is seen to vary  linearly with Δf. 

This suggests that the fluorescent state of the dye remains the same, with considerable ICT character. In 

high polar solvents, the sudden decrease  in Φf and τf values  indicate the participation of an additional 

non‐radiative  de‐excitation  channel  for  the  excited  dye.  This  is  further  supported  by  the  fact  that  in 

solvents with Δf > 0.28, the τf values of the dye are strongly temperature‐dependent. The authors infer 

that  the  enhancement  in  the  non‐radiative  de‐excitation  process  for  DEACM  in  high  polarity  protic 

solvents  (Figure  1.23)  is  due  to  the  participation  of  a  non‐fluorescent  twisted  intramolecular  charge 

transfer  (TICT) state.  In this TICT state, a charge transfer between the amino‐ group and the coumarin 

ring occurs. There is the formation of a large dipole moment due to the charge transfer, accompanied by 

a 90° rotation of the amino group. The complete orthogonality between amino n‐orbital and coumarin 

ring π‐orbital leads to a complete charge separation and formation of a zwiterionic‐like transition state. 

Through  vibronic  coupling  with  S0  state,  an  efficient  non‐radiative  decay  process  is  obtained.  A 

comparison of the photophysical parameters of DEACM dye in protic and aprotic solvents for similar Δf 

values  indicates  that  the stabilization of  the TICT  state  for  the dye  is effectively due  to  the combined 

effect of the higher solvent polarity and the solute–solvent hydrogen bonding interaction.[158‐160] 

52  

  Figure  1.23  –  Effect  of  the  solvent  polarity  on  the  non‐radiative  rate  constant  (knr)  of  DEACM.  A  significant increase in knr is observed for high polarity solvents. Figure adapted from [157]. 

 

 

Amino‐coumarin derivatives are of particular importance to this work since their absorption spectra are 

shifted  to  longer wavelengths  than  any  other  coumarin  derivatives,  owing  to  their  particularly  high 

electron donating capabilities. The presence of a TICT efficient deactivating pathway in water might be a 

considerable drawback in photochemical efficiency for caging applications. 

 

Although  intersystem  crossing  processes  are  unquestionably  important  in  several  organic  dyes,  their 

influence  in coumarin photophysics  is of minor  importance. ISC  is, however, crucial to coumarin photo‐

dimerization, the most well characterized and studied coumarin photochemical reaction. For this reason, 

ISC will be addressed in the next sub‐chapter and under this thematic point of view. 

 

 

1.4.3. Coumarin Photochemical Properties  

1.4.3.1. Coumarin Dimerization  

Coumarin dimmers were reported for the first time by Silber[161] in 1902, but only 60 years later the first 

full  stereochemical  product  characterization  was  performed  and  a  photodimerization  mechanism 

proposed.[141] Ainet  and  co‐workers[141]  shown  that  the  photodimer  of  coumarin  produced  in  ethanol 

solution have the syn‐head‐to‐head cyclobutane structure I (Figure 1.24).  

53  

 

 

  Figure  1.24  –  Structures  of  coumarin  (R  =  H  or  alkyl)  dimers.  Coumarin  dimers  are  formed  upon  UV  light irradiation. Depending  on  the  solvent  or  presence of  triplet  sensitizers,  four  coumarin  dimer  structures  can be obtained:  syn‐head‐to‐head  (syn‐hh),  anti‐head‐to‐head  (anti‐hh),  syn‐head‐to‐tail  (syn‐ht)  or  anti‐head‐to‐tail (anti‐ht). 

 

 

Irradiation of coumarin solution  in the presence of benzophenone  leads to the formation of anti‐head‐

to‐head dimer (Figure 1.24 – Structure II).[142] In a study conducted by Morrison[143]  on the solvent effect, 

the  photodimer  anti‐head‐to‐head  seemed  to  be  the  major  product  in  non  polar  solvents.  With 

increasing solvent polarity, the percentage of syn‐head‐to‐head structure increases, and even dominates 

in methanol. Concentration  revealed  to be  an  important parameter  in  coumarin dimerization  ‐ dilute 

solutions increase the anti‐head‐to‐head dimer percentage, while concentrated solutions (0.3 M) lead to 

the  formation  of  the  syn‐head‐to‐head  dimer.  However,  no  concentration  effect  on  ground‐state 

absorption was observed. Traces of anti‐head‐to‐tail photoproduct (Figure 1.24 – Structure IV) were also 

identified together with anti‐head‐to‐head dimer, when conditions  for the  formation  for  the  latter are 

present. Peperylene quenches anti‐head‐to‐head dimer formation, while no interference in syn‐heat‐to‐

head  formation  is  found.  These  findings  led  the  authors  to  propose  a mechanism  in  which  singlet 

excimer formation produces the syn dimers, while the anti dimers are formed through monomeric triplet 

54  

state.[142,143]  Polar  solvents  are  able  to  enhance  the  stabilization  of  the  highly  polar  excited  state 

coumarin,  that  in  high  concentrations  form  exciplexes.  The  exciplex  geometry  set  up  the  exclusive 

formation of syn‐head‐to‐head dimer. For non polar solvents excimer formation is disfavored, and dilute 

solutions  present  a  double  effect.  On  one  hand,  lower  concentrations  decrease  the  bimolecular 

encounter probability between S1 coumarin and a ground‐state one, and on the other hand decreases 

triplet  excited  state  coumarin  quenching.[70] Works  describing  photodimerization  of  6‐alkylcoumarin 

derivatives led to higher dimerization yields, but qualitatively presented the same results.[140] 

 

Cyclobutane  coumarin  dimers  are  formed  through  [2+2]  cycloaddition  between  the  C3‐C4  of  two 

coumarin molecules.  In  what  our  work  is  concerned,  4‐methylcoumarin  derivatives  will  be  used  as 

photolabile protecting groups which makes coumarin dimerization an important factor to consider. Will 

4‐methylcoumarin derivatives present the same dimerization properties? Our first guess was that the 4‐

methyl group (with bulky leaving groups) would prevent such dimerization reaction. In a work presented 

by Guo and co‐workers[162], Langmuir and Langmuir‐Schaefer  (LS)  films of two coumarin derivatives, 4‐

octadecyloxylcoumarin (4‐CMC18) and 7‐octadecyloxylcoumarin (7‐CMC18) were synthesized, and their 

interfacial  assemblies  were  investigated.  Owing  to  the  different  substituent  position  of  the  long 

octadecyloxy chain in the coumarin parent, the two compounds showed completely different behaviors 

in the interfacial assemblies. While coumarin groups stacked in a face‐to‐face arrangement  in 7‐CMC18 

film,  they  stacked  in  a  head‐to‐tail manner  in  4‐CMC18  film.  Furthermore,  distinct  properties  of  the 

multilayer  films  were  observed.  It  was  revealed  that  a  reversible  [2+2]  photodimerization  and 

photocleavage could be induced in the LS film of 7‐CMC18 under photo‐irradiation with UV light of 365 

and  254  nm,  respectively.  No  photodimerization  occurred  in  the  4‐CMC18  film.  However,  some 

coumarins derivatives  like psolarens are also known to produce photodimers with thymine rings[163‐165] 

through  similar  [2+2]  cycloaddition.  Kanne  and  co‐workers[165]  present  the  dimerization  of  4‐

methylpsolarens with  thymine, mostly  under  the  form  of  thymine‐psolaren‐thymine  photodiadducts. 

Although the monoadduct formation was also observed, the four different psoralens studied (TMP, HMT, 

8‐MOP, and Pso) reveal that the predominant event is photoaddition at the 4‘,5‘ furan double bond. The 

reaction  is also extremely region‐ and stereo‐specific, yielding only cis‐syn structures, attributed to the 

psolaren and thymine docking in high molecular weight double stranded DNA. At this point, we thought 

that coumarin dimerization might be a relevant  factor and a possible drawback  in the system devised, 

although intrinsic to it and unable to be overcome in a practical sense. 

 

55  

1.4.3.2. Esters of 4‐methylcoumarin Derivatives  

In 1995, Furuta and co‐workers[166] introduced a 4‐methylcoumarin derivative (the 7‐methoxy ‐MCM) as 

a  caging  group,  where  higher  photochemical  release  yields  and  higher  dark  hydrolysis  stability  in 

physiological medium were reported.  In a  latter work, the same authors studied the effect of halogen 

substituents  for  two‐photon excitation  applications.[68]  Two  relevant  conclusions were  taken:  the  first 

was that 6‐bromo‐7‐hydroxy‐4‐methylcoumarin (Bhc) derivative presented high two‐photon absorption 

cross section at 740 nm, suitable  for  in vivo applications; the second was that the substitution pattern 

from 6‐chloro to 6‐bromo to 3,6,8‐tribromo increased the quantum yield of substrate release. Although 

the mechanism of Bhc photolysis was not analyzed, experiments on the related 7‐methoxycoumarin‐4‐

ylmethyl  diethylphosphate,  taken  together with  the  halogen  substitution  effect,  lead  the  authors  to 

propose that the solvolysis occurs via the triplet state with a  lifetime of about 1 μs (T.F., M. Kanehara, 

and M.  Iwamura, unpublished data)[68].  The  experimental  evidence  for  this proposed mechanism was 

never published, probably due to the release in the same year of Schade’s work[167] on the “Deactivation 

Behavior and Excited‐State Properties of (Coumarin‐4‐yl)methyl Derivatives”. This German group aimed 

to  clarify  the photochemical  cleavage mechanism of 4‐methylcoumarin derivatives,  since  they did not 

believe  that  a  triplet  intermediate was  present,  that would  lead  to  homolytic  bond  cleavage.  Their 

arguments were  that no phosphorescence of  these derivatives was observed,  and  that  if  a  bi‐radical 

intermediate  was  present,  hydrogen  atom  abstraction  from  the  solvent  should  be  observed.  They 

observed that only 0.5% of the irradiation products were 7‐methoxy‐4‐methylcoumarin, which indicated 

that  the  major  photochemical  pathway  should  occur  through  singlet  state  and  non‐radicalar 

intermediates.  

 

The  irradiation product of 4‐methylcoumarin phosphate esters derivatives are  the  corresponding  free 

phosphate  and  the  4‐methylhydroxycoumarin  alcohol.[68,166,168,169]  Schade  and  co‐workers[167]  tried  to 

answer  the  question  of whether  the  heterolytic  bond  cleavage  proceeded  through  a  photo‐SN1  or  a 

photosolvolysis. A photo‐SN1 reaction would involve the CH2‐PO bond breakage in the excited state, while 

a photosolvolysis would involve water (or –OH) nucleophilic attack to the phosphorous atom, also in the 

excited  state. Water  with  O18  isotope  was  used  as  solvent  in  the  photochemical  reaction,  yielding 

exclusively the coumarin alcohol photoproduct with O18 isotope. From this experiment, and considering 

the bi‐radical mechanism negligible, an ion‐pair 1[CM+ A‐] intermediate was postulated.[167] The following 

mechanism was then proposed (Figure 1.25): 

56  

  Figure 1.25 – Mechanism of (coumarin‐4‐yl)methyl photochemistry proposed by Schade and co‐workers.[167] 

 

 

After absorption of a photon by CM‐A, relaxation to the lowest excited singlet state (S1), 1[CM‐A]*, takes 

place. Deactivation of 1[CM‐A]* occurs by fluorescence and non‐radiative processes with rate constants 

kf and knr, respectively, and competes with heterolytic bond cleavage forming the singlet  ion pair 1[CM+ 

A‐] with rate constant k1  in  the  initial  reaction step. Recombination of  1[CM+ A‐]  leads back  to ground‐

state  (S0) CM‐A with rate constant krec. Product  formation  is proposed to happen  in two steps: Escape 

from  the  solvent  cage  affords  first  the  solvent‐separated  ions  CM+  and  A‐.  Then,  the  (coumarin‐4‐

yl)methyl cation CM+  reacts with water and undergoes a very  fast deprotonation  to yield  the product 

alcohol CM‐OH and H+ in addition to the acid anion A‐. The respective first‐order and pseudo‐first‐order 

rate constants are kesc and khyd.[167,170‐172] 

 

Ground‐state properties  (absorption maximum wavelength, band  shape  and molar  absorbtivity) of  4‐

methylcoumarin ester derivatives are not influenced considerably by the nature of the leaving group, or 

caged  molecule  (Table  1.3).  Comparison  between  MCM‐OH  and  the  other  ester  derivatives 

demonstrates that the exchange of OH‐ by A‐ leads only to a slight red shift of 7 nm without any further 

change in the S0 S1 absorption band. An even lesser effect is observed when the different acidic groups 

are  compared.  These  observations  led  to  the  conclusion  that  no  ground‐state  effects  or  associations 

were present, and there was no effective orbital conjugation between the coumarin ring and the leaving 

group.[167,172]  

 

57  

Table  1.3  –  Effect  of  acid  moiety  in  the  photophysical  and  photochemical  properties  of  7‐methoxy‐4‐methylcoumarin ester derivatives. Photophysical and photochemical data collected in 30:70 (vol/vol) CH3CN/H2O‐HEPES buffer (pH = 7.2). Data taken from [172].  

Caged Compound λmax (nm) 

εmax (M‐1cm‐1)  Φf  Φchem  k1 /10

9 (s‐1)  τf 

7‐MCM‐HEP  324  13500  0.37  0.0043  0.32  0.98 7‐MCM‐MB  324  13600  0.42  0.0045  0.2  1.1 7‐MCM‐B  324  13000  0.43  0.0052  0.18  1.1 7‐MCM‐CB  324  13700  0.08  0.0064  4  0.21 7‐MCM‐MS  325  13000  0.007  0.081  52  0.02 7‐MCM‐DEP  324  13900  0.052  0.037  6.6  0.14 

7‐MCM‐cAMP (ax)  328  13200  0.03  0.13  5.9  0.16 7‐MCM‐cAMP (eq)  325  13300  0.04  0.07  4.4  0.22 

7‐MCM‐OH  317  13300  0.65  ‐‐‐  ‐‐‐  3.5 HEP – n‐heptanoate; MB – 4‐methoxy‐benzoate; B – 4‐benzoate; CB ‐ 4‐cyano‐benzoate; MS – methanesulphonate; DEP – diethylphosphate; cAMP – cyclic adenine monophosphate, axial (ax) and equatorial (eq) isomers; 7‐MCM‐OH – 7‐methoxy‐4‐methylhydroxycoumarin 

 

 

Effect  of  the  leaving  group  on  photochemistry  is  however  remarkable.  Schade  and  co‐workers[167,172] 

related the  increasing photochemical efficiency with  leaving group  increasing acidity, obtaining a direct 

relation between the two factors. It appears that the strength of the photoreleased acid  influences the 

rate constant k1 independently of the (coumarin‐4‐yl) substituent, i.e., independently of the stabilization 

of  the  carbocation. A  decreasing pKa,  and hence  decreasing basicity  of  the  anion,  results  in  a  strong 

increase in k1. 

 

The  coumarin  ring  substituent effect on photochemistry was also analyzed. Contrary  to  leaving group 

effect (and as expected), variation of the (coumarin‐4‐yl)methyl substituents strongly affect the S0 S1 

transition,  as  is  illustrated  by  the  data  in  Table  1.4.  Both  λmax  and  εmax  vary  considerably  with  the 

electron‐donating  ability  of  the  substituents,  i.e.,  with  the  electron  density  in  the  aromatic 

system.[112,113,170,172] 

 

Analysis  of  data  in  Table  1.4  also  indicates  that  the  pronounced  red  shift  of  this  absorption  is 

accompanied by a strong increase of k1. The increase of electron density stabilizes the carbocation CM+ 

that is a component of the primary intermediate of photocleavage, the singlet ion pair 1[CM+ A‐]. 

 

58  

Table  1.4  –  Photophysical  and  photochemical  properties  of  cyclic  adenosine  monophosphates  esters  of differently substituted  (coumarin‐4‐yl)methyl alcohols.  In CH3OH/H2O‐HEPES buffer  (pH = 7.2). Data  taken  from [172]. 

Caged Compound λmax (nm) 

εmax (M‐1cm‐1)  Φf  Φchem  k1 /10

9 (s‐1)  τf 

6‐MCM‐cAMP (ax)a  346  4500  0.008  0.03  7.1  0.13 

7‐MCM‐cAMP (ax)a  328  13200  0.030  0.13  5.9  0.16 

DMCM‐cAMP (ax)a  349  11000  0.021  0.04  5.5  0.17 

DMACM‐cAMP (ax)b  394  17200  0.0085  0.28  11  0.09 

DEACM‐cAMP (ax)b  402  18600  0.0055  0.21  15  0.06 

6‐MCM‐cAMP (eq)a  345  4200  0.0085  0.02  6.7  0.14 

7‐MCM‐cAMP (eq)a  325  13300  0.040  0.07  4.4  0.22 

DMCM‐cAMP (eq)a  346  11500  0.023  0.04  5  0.19 

DMACM‐cAMP (eq)b  387  16100  0.0007  0.26  14  0.07 

DEACM‐cAMP (eq)b  396  20200  0.0006  0.23  14  0.07 a 20:80 (vol/vol); b 50:50 (vol/vol); 6‐MCM – (6‐methoxycoumarin‐4‐yl)methyl; 7‐MCM ‐ (7‐methoxycoumarin‐4‐yl)methyl; DMCM ‐ (6,7‐dimethoxycoumarin‐4‐yl)methyl; DMACM ‐ (7‐dimethylaminocoumarin‐4‐yl)methyl; DEACM ‐ (7‐diethylaminocoumarin‐4‐yl)methyl 

 

 

The  effect  of  coumarin  substitution  pattern  and  leaving  group  on  photochemistry  are  seen  by  the 

authors  as  evidence  that  photo‐SN1  is  the  major  mechanism  present  in  4‐methylcoumarin  ester 

photocleavage.  A  significant  weakening  of  the  CM‐A  ester  bond  takes  place  upon  excitation  of  the 

(coumarin‐4‐yl)methyl ester  to  S1  if both  components of  the  singlet  ion pair  1[CM+ A‐]  are  stabilized. 

Stabilization  of  the  carbocation  CM+  is  achieved  by  use  of  substituents with  strong  electrondonating 

abilities;  stabilization of anions A‐  is achieved by  selection of anions with  low basicities and  large pKb 

values.  Furthermore,  the  factors  that  accelerate  heterolytic  bond  cleavage  slow  down  the  ion‐

recombination reaction. Therefore, stabilization of the ion pair 1[CM+ A‐] has a two‐fold positive effect on 

the photocleavage of (coumarin‐ 4‐yl)methyl esters: (i) increasing  the rate of the initial reaction step and 

(ii)  increasing  the  efficiency  of  product  formation.[172]  Curiously,  the  hypothesis  of  a  photo‐SN2 

mechanism was never contemplated. 

 

From a kinetic point of view, the coumarin‐caged product photo‐release occurs in the nanosecond range, 

which makes 4‐methylcoumarin esters  the  fastest  releasing protecting groups. For  the photochemical 

rate constants calculations, the German group[112,171] made the following assumptions: (i) the alcohol and 

ester derivatives of  the  same  coumarin  group present negligible differences  in  absorptivity,  and  little 

59  

differences in absorption maximum wavelength, which indicates that radiative decay should be the same 

for  both  derivatives,  and  thus,  kfOH  =  kf

A  =  kf;  (ii)  the  electronic  conjugation  decoupling  between  the 

coumarin ring and leaving group indicates that the non‐radiative decay should also be the same for the 

alcohol  and  ester  derivatives,  thus  knrOH  =  knr

A  =  knr.  Under  these  considerations,  k1  values  were 

calculated, finding values between 109‐1010 s‐1. The kinetic separation between krec, kesc and khyd was not 

possible  with  the  available  experimental  data,  so  a  global  product  formation  k2  rate  constant  was 

considered, and values between 108‐109 s‐1 were found, which showed that the rate limiting step in CM‐

A photochemistry  is not the bond cleavage, but rather the  ion effective separation and/or carbocation 

solvatation. Additionally, H2O molecules present in the inner surface of the cage surrounding the ion pair 

can  act  as  potential  reaction  partners  of  Cou‐CH2+.  Therefore,  product  formation  could  occur  in 

competition with recombination directly in the reaction of the Cou‐CH2+ cation with a neighboring water 

molecule  followed by a very  fast deprotonation step; that  is, the distinction between cage escape and 

hydrolysis  reaction  could  well  be  meaningless.  Moreover,  the  German  group  stated  that  the  H2O 

concentration is 53 M, and at pH 7.4 (the pH value used for all their experiments) the OH‐ concentration 

is 9 orders of magnitude smaller, and thus [OH‐] is not important for CM‐OH formation. 

 

 

1.5. Light‐controlled Nucleic Acids Typewriter – an Overview  

After  thorough analysis,  the  final objective of  the work here presented was  to build a  light controlled 

nucleic acids typewriter in the following manner:  

 

• Addition of a nucleotide will be impaired by the presence of a photolabile protecting group  

• 4‐Methylcoumarin esters derivatives will be used to cage the nucleotides.  

• After light irradiation, nucleotides will be released and incorporated in the growing DNA or RNA 

strand.  

• Each of the four nucleotides will be caged with a different coumarin, each coumarin presenting 

different absorption spectrum.  

• To select the nucleotide to be incorporated, the correspondent light wavelength should be used, 

releasing specifically the desired nucleotide.  

• To  overcome  the  template  dependency  on  DNA  or  RNA  synthesis,  the  Terminal  Nucleotidyl 

Transferase will be used. 

60  

Albeit  elegant,  this  approach  still  presented  some  problems  (even  considering  that  everything went 

according  to  plan).  After  almost  5  years,  and  several  proof‐of‐concept  accomplished,  some  of  these 

problems  continue  to  lack  a  completely  satisfactory  solution.  The  first  question  regards  the  spectral 

separation  between  four  different  absorbing  caging  groups,  and  their  existence.  At  what  extend 

coumarin absorption can be shifted towards the visible region of the spectrum? Also, will the different 

absorption bands be  separated  enough  in order  to  avoid  cross‐excitation during  irradiation? Another 

question is that, even if TdT Polymerase could be successfully applied to a template‐independent DNA or 

RNA  synthesis,  how  can we  control  the  addition of  a  single nucleotide  in  n  strands  after  releasing  n 

nucleotides in solution? 

 

In 2009, Lee and co‐workers[123] published a review entitled “Illuminating the Chemistry of Life: Design, 

Synthesis, and Applications of “Caged” and Related Photoresponsive Compounds”.  In this paper,  in the 

final recent advances chapter, the following consideration is found: 

 

“Kinesins  are motor  proteins  that  employ ATPase  activity  to move  along microtubules.  (…)  In 

short, it is now possible to both initiate and halt kinesin trafficking. However, this work, as well as 

others  using  light  to  initiate  and  terminate  a  biochemical  process,  highlights  a  limitation  in 

current  caging  technology:  it  is  difficult  to  distinguish  between  photocleavable  groups  on  the 

basis of wavelength. Unlike the azobenzene series,  in which the cis and trans  isomers display a 

well‐resolved  response  to different wavelengths,  the overwhelming majority of photocleavable 

caging groups respond to light in a relatively narrow range of 320–370 nm. In the absence of two 

or more photophysically distinct caging agents, it is challenging to place multiple reagents under 

separate photochemical control. Photophysically distinct caging groups could be used to create 

light‐activatable biochemical activators and inhibitors that are sensitive to different wavelengths, 

thereby enabling the investigator to control, for example, both the initiation and termination of a 

biochemical pathway  in a  single experiment. Although  the wavelength‐controlled photolysis of 

two photosensitive protecting groups has been described  in nonbiological systems, one of these 

groups, a benzoin derivative, suffers photocleavage at a wavelength (254 nm) much too short to 

be  biologically  useful.  In  addition  to  this  limitation,  it  may  be  experimentally  desirable  to 

separately control  three or more caged compounds  in a wavelength‐sensitive  fashion. This will 

require  both  the  appropriate  instrumentation  (a  tunable  laser  or  a  combination  of  bandpass 

filters) and a toolkit of wavelength‐distinctive caging agents. (…) In short, it is important to keep 

61  

in mind that, for any caging group, there will be a minimum amount of energy required to effect 

efficient photocleavage. Consequently, extending the light absorbance wavelength of the caging 

group by conjugation could very well produce a species that fails to undergo photolysis. On the 

other hand, and in marked contrast to the nitrobenzyl family, a long wavelength absorbing (400 

nm) coumarin caging group has been described that undergoes efficient photorelease.” 

 

 

Six months later, Kotzur and their German co‐workers[173]  published a work in which 2‐nitrobenzyl and a 

coumarin were used to peptide release with binary wavelength  irradiation. This was the same time as 

this  project  was  exploring  the  dual  coumarin  light  activated  logic  gates.  Apparently,  the  scientific 

community has been interested in these questions.  

 

However, back  in 2005 the feeling was rather different. As one of my supervisors so eloquently put  it ‐ 

“This is never going to work…, let’s try it!”  

 

62  

   

63  

 

 

CHAPTER 2. Materials and Methods 

 

 

  

 

 

 

 

 Consistency is the last refuge of the unimaginative.

Oscar Wilde

   

64  

2.1. General Information 

 

All chemicals were purchased from Sigma Aldrich in the highest purity available and used without further 

purification. All oligonucleotides were purchased from STAB Vida (Lisbon, Portugal).  The 1H‐NMR spectra 

at 298.0 K were obtained on a Bruker AMX400 operating at 400.13 MHz. The ESI mass spectra were run 

on a Platform  II spectrometer  from Micromass. All spectroscopic measurements and  irradiations were 

performed  in 3 mL quartz  fluorescence  cuvettes  (1 cm optical path) at 21°C, unless otherwise  stated. 

Absorption spectra were recorded on a Varian Cary Bio 100 UV‐Visible spectrophotometer. Fluorescence 

measurements  of  aerated  solutions  were  performed  on  a  Horiba‐Jobin‐Yvon  SPEX  Fluorolog  3.22 

spectrofluorimeter. All emission  spectra were  collected with 1.5 nm  slit bandwidth  for excitation and 

emission, with correction files. 

 

 

2.2. Synthesis of Coumarin Derivatives 

 

2.2.1. Synthesis of 7‐diethylamino‐4‐methylhydroxycoumarin (DEACM‐OH) 

 

The  7‐diethylamino‐4‐methylcoumarin  (Coumarin  1;  20 mmol;  4.63  g)  were  dissolved  in  120 mL  of  

p‐xylene and heated until full coumarin dissolution. Selenium dioxide (SeO2; 30 mmol; 3.33 g) was added 

to the mixture. The reaction was refluxed under vigorous stirring for 25 hours. p‐Xylene was evaporated 

from  the  brownish  heterogeneous  mixture.  The  mixture  was  resuspended  in  ethanol,  filtered  and 

washed twice with diatomaceous earth to remove precipitated selenium oxide. The filtrate volume was 

reduced to 130 mL by evaporation and sodium borohydride was added to the solution (NaBH4; 10 mmol; 

380 mg). The reaction was stirred at room temperature for 5 hours. The reaction was stopped with 20 

mL of hydrochloric acid 1 M, diluted with water and extracted  three times with dichloromethane. The 

combined  organic  phases were washed with water,  brine  and  dried with magnesium  sulphate.  The 

mixture was filtrated and solvent evaporated, yielding brown oil. The DEACM‐OH was purified by flash 

chromatography (Rf = 0.3; CH2Cl2/acetone 5:1) and a yellow solid was attained after solvent evaporation. 

A maximum final yield of 46% was attained. 

 

65  

DEACM‐OH was further re‐crystallized for photochemical studies dissolving the solid in minimum amount 

of hot dichloromethane and pouring the solution into hexane. The product precipitated as a fine yellow 

powder. 

 

For DEACM‐OH, 1H‐NMR (400 MHz, CDCl3) δ/ppm 7.32 (d, J = 9.2 Hz, 1H, H5), δ 6.56 (d, J = 9.2 Hz, 1H, 

H6), δ 6.50 (s, 1H, H8), δ 4.83 (d, J = 5.6 Hz, 2H, CH2‐OH), δ 3.40 (q, J = 7.2 Hz, 2H, N‐CH2‐CH3), δ 1.19 (t, J 

= 6.8 Hz, 3H, N‐CH2‐CH3); MS (ESI+) m/z [M+H]+ = 248.3; calculated for C14H18NO3 248.30. 

 

 

2.2.2. Synthesis of [7‐diethylaminocoumarin‐4‐yl]methyl di‐tert‐butyl phosphate (DEACM‐tBut) 

 

The DEACM‐OH (3 mmol; 657 mg) was dissolved in 60 mL of THF (dried in Na/benzophenone and freshly 

destilled). 1H‐Tetrazole (0.45 M in acetonitrile; 12 mmol; 26.7 mL) was added and the mixture cooled to  

‐20°C (with a calcium chloride and  ice bath). The di‐tert‐butyl‐N,N’‐diethylaminophosphoramoidite was 

added  to  the mixture drop‐wise. The  reaction proceeded under  stirring  and  argon. After 2 hours  the 

reaction was allowed to warm up to 4°C and reacted for one hour. The reaction was allowed to warm up 

at  room  temperature and  reacted  for another hour. The orange solution was cooled again  to 4°C and 

triethylamine  (36 mmol; 5.01 mL) was  added,  followed by  addition of  tert‐butyl‐hydroperoxyde  (70% 

solution in water; 24 mmol; 2.33 mL). After 10 minutes at 4°C the reaction mixture was allowed to warm 

up to room temperature. After 3 hours, 90 mL of a saturated tiosulfate aqueous solution was added and 

the mixture  diluted with  ethyl  acetate  (120 mL).  The  aqueous  phase was  extracted  twice with  ethyl 

acetate. The combined organic phases were washed with water, brine and  the  solvent evaporated. A 

brownish‐yellow oil was  commonly obtained. Resuspending  the oil  in dichlorometane or acetone and 

evaporate yielded a yellow solid, with a final yield of 74%. All the procedures were executed under dim 

or red light, and all vessels were covered in aluminum foil to protect from light exposure. 

 

For DEACM‐tBut, TLC (Et2O): Rf = 0.3; 1H‐NMR (400MHz, CDCl3, heteronuclear coupled): δ/ppm 7,32 (s, 

1H, H5), δ 6,67 (m, 1H, H6), δ 6,59 (s, 1H, H8), δ 6,28 (s, 1H, H3), δ 5,12 (d, J = 6,0 Hz, CH2‐O), δ 3,42 (q, J = 

7,1 Hz, 4H, N‐CH2CH3), δ 1,51 (s, 18H, H(t‐but)), δ 1,21 (t, J = 7,1 Hz, 6H, N‐CH2CH3); 31P‐NMR (161 MHz, 

CDCl3, heteronuclear decoupled):  δ/ppm  ‐9,49  (s); MS  (EI,+): m/z  (%) 441  (50)  [MH]+, 327  (50)  [M‐(t‐

But)]+, 57 (75) [(t‐But)]+. 

 

66  

2.2.3. Synthesis of [7‐diethylaminocoumarin‐4‐yl]methyl phosphate (DEACM‐P) 

 

The DEACM‐tBut (3 mmol; 1.23 g) was dissolved in 20 mL of anhydrous dichloromethane and cooled at 

4°C. Trifluoracetic  acid  (16.5 mmol; 1.25 mL) was  added drop‐wise,  and  the  reaction was  carried out 

under  stirring  for  6  hours.  The mixture was  poured  into  ice‐cold  hexane  (25 mL)  and  a  brownish  oil 

precipitated.  The mixture was  centrifuged  and  the  supernatant  removed. Acetone was  added  to  the 

dichloromethane wet residue and a turbid solution with a yellow precipitate was attained. After solvent 

evaporation the yellow compact powder product was obtained with an 89% yield. 

 

For DEACM‐P, 1H‐NMR (400 MHz, D2O, heteronuclear coupled) δ 7.86 (d, J = 8.4 Hz, 1H, H5), δ 7.60 (s, 

1H, H8), δ 7.45 (d, J = 8.0 Hz, 1H, H6), δ 6.72 (s, 1H, H3), δ 5.13 (d, J = 7.2 Hz, 2H, CH2‐O‐P), δ 3.62 (q, J = 

7.2 Hz, 2H, N‐CH2‐CH3), δ 1.04 (t, J = 6.8 Hz, 3H, N‐CH2‐CH3). 

 

 

2.2.4.  Synthesis  of  P3‐[7‐diethylaminocoumarin‐4‐yl]methyl  adenosine  5’‐triphosphate  

(DEACM‐ATP) 

 

For the coupling reaction of DEACM‐P and ADP precursor, the ADP nucleotide had to be “activated”. The 

first step was to obtain the fully protonated ADP  form. A Dowex 50W‐X8  (Na+) resin (6 g) was washed 

with water and treated with a hydrochloride acid solution (1 M; 20 mL). A chromatography column was 

filled with the acidified resin and washed with miliQ water (18 mΩ) until the filtrate was at neutral pH. 

The  commercial  disodium  ADP  (70 mg)  was  dissolved  in  the  least  amount  of miliQ  water  possible 

(between 1.5 – 2 mL). The nucleotide solution was filtered through the resin column at low flux. Aliquots 

were  analyzed  through  UV  spectroscopy  in  order  to  detect  the  presence  of  (H+)ADP.  The  acidified 

nucleotide aliquots were lyophilized and a cotton‐like white powder was obtained. 

 

The acidified ADP (0.14 mmol; 61.3 mg) was diluted in hexamethylphosphoramide (HMPA; 2.5 mL) and a 

heterogeneous white mixture was  formed.  Tri‐n‐octylamine  (0.24 mmol;  70.05 μL) was  added  to  the 

mixture and heated to 80°C for 4 minutes. The solution became clear and the solution was brought to 

room  temperature.  Carbonyldiimidazole  (0.48 mmol;  93.26 mg) was  dissolved  in  1 mL  of HMPA  and 

added to the nucleotide solution. The mixture was stirred at room temperature for 18 hours. 

 

67  

The  DEACM‐P  (0.1  mmol;  28.7  mg)  was  diluted  in  a  methanol/ethanol  solution  (1:1,  dried  under 

molecular sieves), and tributylamine (0.1 mmol; 22.78 μL) was added. The solvent was evaporated. The 

activated nucleotide solution was transferred to the DEACM‐P reaction vessel, resuspended and stirred 

at room temperature and under argon for 4 days. 

 

A  Hitachi‐Merck  HPLC  L6200A  Pump  with  an  L‐4500  Diode  Array  Detector  using  a  Polystirene‐

Divinylbenzene  (PLRP‐S, Polymer Labs)  semi‐preparative  column  (7.4 mm x 15 mm, 8 µm, 300 Å) was 

employed for separation and purification of DCEAM‐ATP. Eluent A was triethylammonium acetate buffer 

in water, 5 mM, pH 6.9; eluent B was methanol. Semi‐preparative gradient started with 20 min at 30% of 

B in A; with an increase to 100% B after 21 min, and finished after 26 min at 100% of B. Separations were 

run at a flow rate of 3 mL/min and the column temperature was 35°C. A final DEACM‐ATP yield of circa 

20% was  estimated.  After  peak  separation  and  collection,  samples were  lyophilized,  resuspended  in 

water and  stored  in  the dark at  ‐20°C. A purity of >95% was determined by HPLC. All  solutions were 

protected from light and DEACM‐ATP manipulations were made under dim or red‐light illumination. 

 

For DEACM‐ATP, 1H‐NMR (400 MHz, D2O, heteronuclear decoupled): δ/ppm 8.12 (Ade‐H6), δ 7.91 (Ade‐

H1), δ 7.10 (H5), δ 7.01 (H8), δ 6.38 (H6), δ 6.19 (Ade‐NH2), δ 5.68 (CH2‐O), δ 4.30 – 4.17 (ribose), δ 3.09 

(N‐CH2‐CH3), δ 1.16 (N‐CH2‐CH3). 

 

 

2.2.5. Synthesis of 7‐methoxy‐4‐methylhydroxycoumarin (MCM‐OH) 

 

The 7‐methoxy‐4‐methylbromocoumarin (372 μmol; 100 mg) and sodium acetate (4.06 mmol; 333 mg) 

were dissolved  in acetic anhydride  (2.5 mL) and  refluxed  for 2 hours. The  reactants were  insoluble at 

room temperature and complete dissolution was observed when reflux temperature was reached. After 

cooling a precipitate was formed, filtered and washed in acetic anhydride. The filtrate was resuspended 

in  ethanol/acetic  acid  (37%)  1:1 mixture.  The mixture was  refluxed  for  1  hour.  The  filtrate was  only 

completely dissolved at reflux temperature. The reaction mixture was kept at 4°C over night to allow for 

product precipitation. The precipitate was filtered and washed with water, obtaining a product as white 

soft needles, with a final yield of 71%. 

 

68  

For MCM‐OH, 1H‐NMR (400 MHz, CDCl3) δ 7.43 (d, J = 4.8 Hz, 1H, H5), δ 6.86 (d, J = 2.8 Hz, 1H, H6), δ 6.85 

(s, 1H, H8), δ 6.47  (s, 1H, H3), δ 4.88  (s, 2H, CH2‐OH), δ 3.88  (s, 3H, O‐CH3); MS  (EI,+): m/z  (%) 206.05 

(100), [MH]+, calc. 206.20. 

 

 

2.2.6. Synthesis of [7‐methoxycoumarin‐4‐yl]methyl di‐tert‐butyl phosphate (MCM‐tBut) 

 

The  7‐methoxy‐4‐hydroxymethylcoumarin  (0.97 mmol; 200 mg) was dissolved  in  a  THF  (20 mL) dried 

with sodium and acetonitrile  (4 mL) dried under sieves.  1H‐tetrazole  (0.45 M solution  in acetonitrile; 4 

mmol; 8.8 mL) was added and the mixture was cooled to ‐20°C (ice and calcium chloride mixture), where 

di‐tert‐butyl‐N,N’‐diethylaminophosphoramidoite (1.5 mmol; 420 μL) was added dropwise under stirring. 

The mixture was allowed to slowly warm up for 2 hours. The reaction was transferred to an ice bath and 

allowed to react  for an additional 4 hours, when  it was warmed up to room temperature  for an extra 

hour.  The  reaction  was  treated  with  triethylamine  (1.58  mL)  and  cooled  at  0°C,  where  

tert‐butylhydroperoxyde  (70%  solution  in water, 780 μL) was  added.  The mixture was warmed up  to 

room temperature and allowed to react for 3 hours. The mixture was extracted with ethyl acetate and 

the organic phase was washed with water, brine, dried with magnesium sulfate and the solvent removed 

under vacuum. The product was obtained as a yellow powder with a yield of 50%. 

 

For MCM‐tBut, 1H‐NMR (400 MHz, CDCl3, heteronuclear decoupled): δ/ppm 7.41 (d, J = 7.6 Hz, 1H, H5), δ 

6.84 (s, 1H, H8), δ 6.81 (d, J = 10.4 Hz, 1H, H6), δ 6.49 (s, 1H, H3), δ 4.85 (s, 3H, CH3‐O), δ 3.85 (d, J = 5.2 

Hz, 2H, CH2‐O), δ 3.09 (q, J = 7.2 Hz, 18H, H(t‐but)); 31P‐NMR (161 MHz, CDCl3, heternuclear decoupled): 

δ/ppm ‐9,64 (s). 

 

 

2.2.7. Synthesis of [7‐methoxycoumarin‐4‐yl]phosphate (MCM‐P) 

 

The  MCM‐tBut  (0.7  mmol;  279  mg)  was  dissolved  in  dichloromethane  (4  mL)  and  cooled  at  4°C. 

Trifluoroacetic acid  (4 mmol; 300 μL) was added dropwise under stirring. The mixture was allowed  to 

react for 6 hours. Ice‐cold hexane (10 mL) was added to the mixture and brownish oil was precipitated. 

The oil was decanted, washed with  ice‐cold hexane (10 mL). After decantation, the oil was dried under 

vacuum and resuspended  in acetone. After new cycle of solvent removal, a yellow‐brownish solid was 

69  

attained.  The  1H‐NMR  revealed  that  the MCM‐P  presented  considerable  impurities,  so  the  solid was 

dissolved  in water,  filtered and the aqueous phase  liophylized, obtaining  the pure product as a yellow 

powder with a final yield of 81%. 

 

For MCM‐P, 1H‐NMR (400 MHz, D2O, heteronuclear coupled): δ/ppm 7.39 (d, J = 8.8 Hz, 1H, H5), δ 6.82 

(d, J = 9.2 Hz, 1H, H6), δ 6.78 (s, 1H, H8), δ 6.28 (s, 1H, H3), δ 4.99 (s, 3H, CH3‐O), δ 3.77 (d, J = 4.4 Hz, 2H, 

CH2‐O); 31P‐NMR (161 MHz, D2O, heternuclear decoupled): δ/ppm 0.20 (s). 

 

 

2.2.8.  Synthesis  of  P3‐[7‐methoxycoumarin‐4‐yl]methyl  adenosine  5’‐triphosphate  (MCM‐ATP)  and  

P3‐[7‐methoxycoumarin‐4‐yl]methyl guanine 5’‐triphosphate (MCM‐GTP) 

 

For the synthesis of MCM‐ATP and MCM‐GTP, the same procedure was followed as indicated in Section 

2.2.4. The reaction was carried out  in dry HMPA (2.6 mL), where activated ADP (53.1 mg; or GDP) was 

reacted with MCM‐P (24.86 mg). The reaction was carried out for 4 days. The final mixture was analyzed 

by HPLC, using  the same separation method as  indicated  in Section 2.3.2. A product yield of 20% was 

estimated. 

 

For MCM‐ATP,  1H‐NMR  (400 MHz, D2O, heteronuclear decoupled): δ/ppm 8.13  (Ade‐H6), δ 7.92  (Ade‐H1), δ 7.16 (H5), δ 6.60 (H6), δ 6.56 (H8), δ 6.26 (H3), δ 5.66 (CH3‐O), δ 4.32 – 4.16 (ribose), δ 3.72 (CH2‐O). 

 

For MCM‐GTP, 1H‐NMR (400 MHz, D2O, heteronuclear decoupled): δ/ppm 7.45 (Gua‐H6), δ 7.21 (H5), δ 6.73 (H8), δ 6.64 (H6), δ 6.31 (H3), δ 5.49 (Gua‐NH2), δ 5.01 (CH3‐O), δ 4.6 – 4.17 (ribose), δ 3.77 (CH2‐O). 

 

 

2.2.9.  Synthesis  of  P3‐[7‐diethylaminocoumarin‐4‐yl]methyl  guanine  5’‐triphosphate  

(DEACM‐GTP) 

 

The  same  procedure  as  described  in  Section  2.2.4 was  used  for  the  synthesis  of  DEACM‐GTP,  using 

activated GDP as a nucleotide precursor. A final product yield of 20% was estimated by HPLC. 

70  

For DEACM‐GTP, 1H‐NMR (400 MHz, D2O, heteronuclear decoupled): δ/ppm 8.04 (Gua‐H6), δ 7.75 (H5), δ 

7.17 (H8), δ 7.09 (H6), δ 6.42 (H3), δ 6.09 (Gua‐NH2), δ 5.05 (CH2‐O), δ 4.82 – 4.17 (ribose), δ 3.07 (N‐CH2‐

CH3), δ 1.17 (N‐CH2‐CH3); 31P‐NMR (161 MHz, D2O, heternuclear decoupled): δ/ppm ‐8.6 (s), δ ‐20.1 (s). 

 

 

2.3. Photophysical and Photochemical Characterization 

 

2.3.1. Absorption and Emission Titrations 

 

Absorption and emission titrations were carried out in 10 mM phosphate buffer, initial pH 6.9. Solutions 

with approximate 0.1 absorbance units at this pH were prepared. The pH was then adjusted with HCl and 

the titration was performed via addition of NaOH. Absorption spectra were corrected  for baseline and 

dilution. Corrected absorbance values at 385 nm were plotted as  function of pH. Fitting of absorption 

titration curve for the acid‐base equilibrium between two species to experimental data was processed, 

using the following equation: 

 

lK

lK

KA ×

+××+×

+××= +

++

+ ]H[]H[]A[)HA(

]H[]A[)A(

a0

a

a0T εε   Equation 15 

 

AT  is  the  total  absorbance  at 385 nm;  l  is  the optical path  length;  ε(A)  and  ε(HA+)  are  the  extinction 

coefficients of the unprotonated and protonated species, respectively; Ka is the equilibrium constant and 

[A]0 is the initial concentration. Ka and ε(HA+) values were used as adjustable parameters for the fitting. 

Emission  spectra were  collected with  excitation  at  325  nm  (isosbestic  point)  and  corrected  for  light 

absorption at this wavelength. The total emission band area was normalized at pH 8.2 for fluorescence 

quantum  yield.  For DEACM‐OH,  fitting of an emission  titration  curve of  the equilibrium between  two 

species to experimental data was processed, using the following equation: 

 

Φ Φ                Equation 16 

 

IT  is  the  integrated  emission  area with  excitation  at  325  nm;  I0  is  the  integrated  emission  area with 

excitation  at  325  nm  for  the  sample  with  higher  emission; Φf(A)  and Φf(HA+)  are  the  fluorescence 

71  

quantum  yields  of  the  protonated  and  deprotonated  species,  respectively;  and  Ka  is  the  equilibrium 

constant. Ka and Φf(HA+) values were used as adjustable parameters  for  the  fitting. For DEACM‐P,  the 

consideration of three prototropic species is necessary to fit the emission titration curve: 

 

               Equation 17 

 

Φf(A2–), Φf(HA

–) and Φf(H2A) are  fluorescence quantum yields of  the  three species;  I0  is  the  integrated 

emission area with excitation at 325 nm  for  the sample with higher emission; and Ka1 and Ka2 are  the 

respective  equilibrium  constants.  Ka1,  Ka2,  Φf(HA–)  and  Φf(H2A)  values  were  used  as  adjustable 

parameters  for the  fitting. For DEACM‐ATP, five prototropic species were necessary to fit the emission 

titration curve: 

 

               Equation 18 

 

Φf(A3–), Φf(HA

2–), Φf(H2A‐), Φf(H3A) and Φf(H4A

+) are fluorescence quantum yields of the five species; I0 is 

the integrated emission area for the sample with higher emission;  and α, β, δ and ε are: 

 

1               Equation 19 

 

1               Equation 20 

 

1                Equation 21 

 

1              Equation 22 

 

1             Equation 23 

 

72  

Ka1,  Ka2,  Ka3,  Ka4  and  Ka5  are  the  respective  equilibrium  constants.  The  equilibrium  constants  and 

fluorescence quantum yield values were used as adjustable parameters for the fitting. 

 

 

2.3.2. Fluorescence and Photochemical Quantum Yield Determinations 

 

Fluorescence  quantum  yields  (Φf)  were  determined  by  the  relative  method  using  Coumarin  1  

(7‐diethylamino‐4‐methylcoumarin) degassed solution in ethanol (Φf = 0.730)[174] as standard, for DEACM 

derivatives. For MCM derivatives, quinine sulfate in 0.05M H2SO4 was used as a standard (Φf = 0.546).[174] 

The optical densities of DEACM‐ATP, DEACM‐GTP, DEACM‐P and DEACM‐OH  solutions  in 10 mM Tris‐

acetate buffer at pH 8.2 and that of the standard were adjusted to identical values in the range 0.08 to 

0.12, at excitation wavelength of 386 nm. The same procedure was followed  for MCM‐ATP, MCM‐GTP 

and  quinine  sulfate  standard,  in  10  mM  phosphate  buffer,  pH  8.0,  using  325  nm  as  excitation 

wavelength. Correction for the refractive index was included in the calculation. 

 

DEACM‐P  photochemical  quantum  yields  (Φchem),  defined  as  the  number  of  DEACM‐OH  molecules 

formed by each photon absorbed by DEACM‐P, were carried out  in 10 mM Tris‐acetate buffer at each 

indicated  pH.  Sequential  irradiation  times  of  DEACM‐P  solution  were  carried  out  and  the  resulting 

DEACM‐P and DEACM‐OH quantities determined by HPLC (peak area quantification, corrected for molar 

absorptivities).  The  same procedure was  conducted  for  the DEACM‐ATP, DEACM‐GTP, MCM‐ATP  and 

MCM‐GTP  photochemical  quantum  yields  determinations.  Irradiations were  carried  out  in  a  Horiba‐

Jobin‐Yvon Spex Fluorolog 1681 Spectrometer with a 150 W xenon arc  lamp, monochromated  for  the 

excitation wavelength (385 nm, 18 nm slit bandwidth; 9 nm slit bandwidth for multi‐color experiments). 

The  actinometry  of  the  irradiation  setup  was  performed  using  the  micro  version  of  potassium 

ferrioxalate actinometer[175] and the  intensities measured as function of the  irradiation wavelength and 

slit width are presented in Table 2.1.  

 

Table  2.1  –  Intensity  of  irradiation  setup  used  for  determination  of  photochemical  quantum  yields  and 

nucleotide release as function of the excitation wavelength and slit width. Values presented are in Einstein.min‐1. 

  325 nm Excitation  390 nm Excitation 

18 nm bandwidth  1.41 × 10‐7  1.79 × 10‐7 

9 nm bandwidth  3.96 × 10‐8  4.80 × 10‐8 

73  

Photochemical quantum yields were calculated as the slope of the linear regression obtained by plotting 

DEACM‐OH moles formed (ΔnDEACM‐OH) as a function of irradiation time (Δt), according to Equation 24. 

 

Δ Φ 1 10 Δ                Equation 24 

 

The  fraction  of  light  absorbed  by  the  solution  (1–10–AT) was  calculated  from  the  absorption  spectra, 

where AT is the total absorbance of the solution at the irradiation wavelength. The same calculation was 

used  for  the  disappearance  of DEACM‐P  (or DEACM‐ATP).  For  the  photochemical  quantum  yields  of 

MCM ester derivatives, the calculation was performed solely through the disapearence of MCM‐ATP or 

MCM‐GTP  with  irradiation  time.  Photochemical  quantum  yields  used  in  the  calculation  of  the 

photochemical  rate constants are  the mean value of  the ones obtained  for DEACM‐OH  formation and 

DEACM‐P (or DEACM‐ATP) disappearance. 

 

A Hitachi‐Merck HPLC  L6200A  Pump with  an  L‐4500 Diode Array Detector using  a RP‐18  end‐capped 

(Purospher  Star, Merck)  analytical  column  (4 mm  ×  25 mm,  5  μm) was  employed  for DEACM‐P  and 

DEACM‐OH detection in photochemical quantum yield determinations. Eluent A was triethylammonium 

acetate buffer in water, 5 mM, pH 6.9; eluent B was methanol. The gradient used started with 40% of B 

in A; with an  increase to 100% B after 8 min, and finished after 15 min at 100% of B. Separations were 

run at a flow rate of 0.9 mL/min and the column temperature was 35°C. For DEACM‐ATP and DEACM‐OH 

detection in photochemical quantum yield determinations the same column and eluent composition was 

used. The gradient started with 35% of B  in A; after 3 min,  increased to 100% after 6 min, and finished 

after  15  min  at  100%  of  B.  Separations  were  run  at  a  flow  rate  of  0.9  mL/min  and  the  column 

temperature. For MCM‐ATP and MCM‐GTP the same column was used. Eluent A was triethylammonium 

acetate buffer in water, 20 mM, pH 6.9; eluent B was methanol. The gradient used started with 25% of B 

in A and  isocratic separation after 4 min; with an  increase to 100% B after 5 min, and finished after 16 

min at 100% of B. Separations were run at a flow rate of 0.9 mL/min and the column temperature was 

35°C. 

 

 

 

 

 

2.3.3. Time‐

 

Fluorescenc

counting  (T

Spectra Phy

tuning rang

diode‐pump

Physics)  is 

frequency o

output  bea

(WDPOL‐A) 

Emission  a

Cornerstone

Signal  acqu

module. Flu

channels in 

half maximu

The obtaine

 

 

2.3.4. Flash

 

Flash  photo

from  Applie

harmonic (λ

used  as mo

absorption 

dependence

adjusted to

600 nm, un

during trans

the solution

‐Resolved Fl

ce  decays  w

TCSPC)  appa

ysics mode‐l

ge 700–1000 

ped,  solid‐st

used  to pro

output. The s

am  from  th

and  after 

t  90°  geom

eTM 260 mo

uisition  and 

uorescence d

a 0.814 ps p

um of the IR

ed fluorescen

h Photolysis E

olysis  experi

ed  Photophy

λexc=532 nm,

onitoring  lam

between  0.

e experimen

o a light‐leve

nless otherwi

sient spectru

ns prior and

luorescence S

were  measu

aratus  descri

ock Tsunam

 nm), pumpe

tate  laser  (

oduce  the  se

samples wer

e  GWU  (se

by  a  Glan‐

metry  collect

onochromato

data  proces

decays and t

per channel s

RF was about

nce decays w

Experiments

iments were

ysics,  with  a

 290 mJ, lase

mp  to  analy

.1  and  0.2 

nts). Decays 

l of 260 ± 5%

ise stated. T

um measure

 after transi

Spectroscop

red  using  a

ibed  elsewh

mi® Laser  (Ti:S

ed by a Mille

em  =  532 

econd  and  t

re measured

cond  harmo

Thompson 

ted  at  mag

or by a Ham

ssing  were 

the  instrume

scale, until 5 

t 22 ps and w

were deconv

e  performed

a  Brilliant  Q

er pulse half‐

yze  transient

at  355  nm, 

were obtain

% mV. Trans

To prevent bi

ments, rand

ient spectra 

py Measurem

a  home‐built

here.[176]  The

Sapphire) M

ennia Pro‐10

nm).  A  harm

hird harmon

d with excitat

onic)  was  fi

polarizer  (N

gic  angle  po

amatsu micr

performed  e

ental respon

× 103 counts

was highly re

oluted using

d  in  a  LKS.60

Q‐Switch  Nd

‐width equa

t  absorption

unless  othe

ned using  a 

sient spectra

iased variati

om wavelen

were perfor

ments 

t  picosecond

e  excitation 

odel 3950  (

0s, frequency

monic  gener

nic  from  the

tion at 425 n

rst  passed 

Newport  10G

olarization  w

rochannel pl

employing  a

nse function 

s at maximu

eproducible w

g the modula

0  nanosecon

‐YAG  laser 

l to 6 ns). A p

.  The  coum

erwise  state

2.0 nm  slits

a were meas

ons in inten

gth selection

rmed to asse

d  time‐corre

source  cons

repetition  ra

y‐doubled co

rator  model

e  Ti:Sapphire

nm and the 

through  a  T

GT04)  with 

was  detecte

late photom

a  Becker  & 

(IRF) where

m were reac

with identica

ating function

nd  laser  pho

from  Quant

pulsed 150 W

arin  solution

ed  (in  the  c

s,  and photo

sured at each

sity due to c

n was used. 

ess coumari

elated  singl

sists  of  a  pi

ate of about

ontinuous wa

  GWU‐23PS

e  laser  excit

horizontally 

ThorLabs  de

vertical  pol

ed  through 

ultiplier (R38

Hickl  SPC‐63

 collected u

ched. The ful

al system pa

ns method.[1

otolysis  spec

tel,  using  th

W xenon arc 

ns  studied  p

ase  of  conc

omultiplier  s

h 10 nm, fro

coumarin de

Absorption s

n degradatio

74 

e  photon 

icosecond 

t 82 MHz, 

ave (CW), 

S  (Spectra 

ing  beam 

polarized 

epolarizer 

larization. 

an  Oriel 

809U‐50). 

30  TCSPC 

sing 4096 

ll width at 

rameters. 177,178] 

ctrometer 

e  second 

lamp was 

presented 

centration 

sensitivity 

om 300 to 

gradation 

spectra of 

on. When 

75  

more than 10% of  initial absorbance was  lost due to  laser/flash  lamp excitation, the coumarin solution 

was replaced by fresh one. For oxygen dependence experiments, solutions were subjected to bubbling 

nitrogen during a minimum of 10 minutes and sealed with a cell cap and wrapped in parafilm. Transient 

spectra and decays were taken immediately after. 

 

Decay  analysis was  performed  by  adjusting  a  single‐exponential  decay  fitting  curve  to  experimental 

decay  using OriginPro  8  software. When  fitting  yielded  high  chi‐square  values,  a  double‐exponential 

decay curve was used for fitting. 

 

 

2.3.5. DEACM‐ATP Irradiation Profiles 

 

The irradiation of DEACM‐ATP solutions in water, pH 7.0, with increasing concentrations (50, 91, 230 and 

500  μM) was  performed  in  60  μL  fluorescence  quartz  cells,  using  the  same  irradiation  apparatus  as 

indicated  above  (Section 2.3.2). At  each  concentration,  individual data points were obtained  through 

independent measurements. The DEACM‐ATP and resulting DEACM‐OH concentrations were determined 

by HPLC using a Polystirene‐Divinylbenzene (PLRP‐S, Polymer Labs) column (4.6 mm x 15 mm, 8 µm, 300 

Å).  Eluent A was  triethylammonium  acetate  buffer  in water,  5 mM,  pH  6.9;  eluent  B was methanol. 

Eluent gradient started with 2 min at 30% of B in A, with an increase to 90% B after 2.5 min, and finished 

after 10 min at 90% of B. Separations were run at a flow rate of 2 mL/min, at 35°C column temperature. 

Product separation was monitored at 380 nm and DEACM‐OH (retention time = 6.32 min) concentration 

determined by peak area quantification. 

 

 

2.4. Light‐controlled in vitro Synthesis of Nucleic Acids 

 

2.4.1. Transcription Template Cloning and Purification 

 

A 110 bp fragment of Exon 7 of the human p53 gene (TP53 tumor protein p53 [Homo sapiens], GenBank 

accession  no.  X54156)  was  PCR  amplified  using  primers  E7p53Fw:  5'‐gttggctctgactgtaccac‐3'  and 

E7p53Rev:  5'‐ctggagtcttccagtgtgatg‐3'.  PCR  amplification  was  carried  out  in  20  µL  using  0.5  µM  of 

76  

primers,  0.2  mM  dNTPs  with  0.5  U  Taq  DNA  polymerase  (Amersham  Biosciences)  on  a  Tpersonal 

Thermocycler  (Whatman Biometra, Germany). Following denaturation at 95°C  for 5 min, amplification 

was  performed  for  25  cycles,  each  cycle  consisting  of  95°C  for  30  sec,  annealing  at  54°C  for  30  sec, 

extension at 72°C for 30 sec, with a final extension step at 72°C for 5 min. The resulting product was re‐

amplified using a T7 promoter‐E7p53Fw primer (5’‐taatacgactcactatagggagagttggctctgactgtaccac‐3’) and 

subsequently  cloned  in  pJET1.2  (CloneJET™  PCR  Cloning  Kit,  Fermentas)  according  to manufacturer’s 

protocol. The resulting 133 bp fragment was PCR amplified using primers E7p53Rev and T7 primer (5’‐

taatacgactcactatagggaga‐3’) as described above, purified through SureClean purification kit (Bioline) and 

used  as  template  for  in  vitro  transcription  reactions.  The  cloned  fragment was  confirmed  by  direct 

sequencing using ABI Prism 3100 and ABI Prism Big Dye technology (Applied Biosystems). 

 

 

2.4.2. In vitro Transcription 

 

Standard in vitro transcription using 200 ng of template was performed with 20 U of T7 RNA Polymerase 

(Fermentas) according to the manufacturer’s protocol. Reactions were  incubated 1 h at 37°C,  followed 

by heat  inactivation of enzyme  for 15 min at 75°C. DNA  template digestion ensuring absence of DNA 

after transcription, when applied, was performed with 27 U of DNase I (Invitrogen, Karlsbad, CA, USA) for 

1 h at 37°C, which was subsequently heat inactivated for 15 min at 75°C. In assays involving caged‐ATP, 

ATP was substituted by the equivalent amount of DEACM‐ATP. The same protocol was  followed when 

DEACM‐GTP,  MCM‐ATP  and  MCM‐GTP  were  used.  Products  were  analyzed  on  3%  agarose  gel 

electrophoresis  in 1x TBE buffer, ran at constant voltage (40 V) for 2‐3 hours. Gels were stained by dye 

incorporation  on  the  gel  matrix  with  GelRed  (Biotium,  Hayward,  CA,  United  States)  and  products 

visualized using a UV transilluminator. Non‐denaturing 10% polyacrylamide gel electrophoresis was used 

as  alternative  to product  analysis. PAGE  gels were  run  at  constant power  (6 W)  for 3‐4 hours  in TBE 

buffer,  and  subsequently  stained  with  Sybr  Green  I  (Invitrogen,  Karlsbad,  CA,  USA).  Products  were 

visualized  in a SafeImager™  (Invitrogen, Karlsbad, CA, USA)  transilluminator. The  in vitro  transcription 

reactions  with  radiolabelled  α‐32P‐UTP  (Perkin  Elmer,  800  Ci/mL,  10  mCi/mL),  followed  the  same 

procedure as described above, to which 1.5 µL of α‐32P‐UTP were added and reactions incubated 1 hour 

at  37°C.  The  resulting  products  were  denaturated  for  2  min  at  75°C  and  analyzed  on  a  12% 

polyacrylamide / 8M urea gel electrophoresis  in 1x TBE. Denaturing PAGE was run at 70 W for 2 hours.  

Results were visualized in an Optical Scanner Storm™ 860 Intrument (Molecular Dynamics). 

77  

2.4.3. Reverse Transcription (RT) and Real‐Time PCR Reaction 

 

Reverse Transcription (RT) was performed with Revert‐Aid™ M‐MuLV Reverse Transcriptase (Fermentas) 

according to manufacturer’s specifications, using 0.25 µM of E7p53Rev primer, annealing at 42°C  for 1 

hour.  As  template  for  the  RT  reaction,  5  μL  of  non‐purified  solution  from  the  DNase‐digested  

transcription reaction were used. Exact RNA quantification through UV spectrometry prior to purification 

was not possible since DTT (present  in the Transcription buffer) absorption  in the UV region masks the 

nucleic acids absorption. 

 

Real‐time PCR assays were performed  in a Corbett Research Rotor‐Gene RG3000 using SYBR® GreenER 

Real‐Time PCR kit  (Invitrogen, Karlsbad, CA, USA) according to manufacturer’s specifications. Reactions 

were performed in a total volume of 25 µL with 0.5 µM of primers E7p53Fw and E7p53Rev. Following a 

pre‐incubation at 50°C for 2 min and denaturation at 95°C for 10 min, Real‐time PCR was performed for 

40 cycles, each cycle consisting of 95°C for 30 sec, annealing at 54°C for 30 sec, extension at 72°C for 30 

sec, with a final extension step at 72°C for 5 min. 

 

 

2.4.4. Light Activated Polymerization Using Terminal deoxynucleotidyl Transferase 

 

Standard TdT reactions (20 μL total volume) were carried out in Y‐Tango buffer (33 mM Tris‐acetate, 10 

mM  magnesium  acetate,  66  mM  potassium  acetate,  0.1  mg/mL  BSA,  pH  7.5;  Fermentas,  Vilnius, 

Lithuania),  1 mM  cobalt  chloride,  20 U of  Terminal  deoxynucleotidyl  Transferase  (Fermentas, Vilnius, 

Lithuania), a nucleotide source and 25 pmol of a 20‐mer oligonucleotide (E7p53FW ‐ see Section 2.4.1 for 

details).  A  molar  ratio  of  1:40  (DNA:nucleotide)  was  used  in  all  reactions  unless  otherwise  stated. 

Samples were  incubated at 37°C for 1 hour, followed by heat‐deactivation step at 75°C for 15 minutes. 

Products were analyzed in a denaturing 12% polyacrilamide / 8 M urea gel electrophoresis, in TBE buffer. 

The gels were  run at  constant power  (6 W)  for 2 hours and  subsequently  stained  in a Gelred™ bath. 

Products were visualized in a UV transilluminator. 

 

Plots of band intensity versus band mobility (measured in pixel number) were obtained from gel images 

and using ImageJ 1.42q software. The E7p53FW (20b) and GeneRuler™ Low Range DNA Ladder (25, 50, 

75  and 100b  fragments;  Fermentas, Vilnius,  Lithuania)  fragments were used  as  standards  to  create  a 

78  

calibration  curve  to  obtain  the  relation  between  the pixel number  and  fragment  size  in  experiments 

using  dNTP  as  nucleotide  source. When NTP  (or DEACM‐ATP)  nucleotides were  used,  the  calibration 

curve was  obtained  using  the  E7p53FW  (20b)  and GeneRuler™  Low  Range DNA  Ladder  (25  and  50b 

fragments; Fermentas, Vilnius, Lithuania) fragments. 

 

For  the  study  of  DEACM‐OH  influence  on  TdT  reactions,  ATP was  used  as  a  nucleotide  source  and 

E7p53FW as  initiatior,  in a 40:1  ratio,  respectively.  Increasing amounts of DEACM‐OH  (from a 300 μM 

water  solution)  were  added  to  each  sample.  Reactions  and  product  analysis  were  carried  out  as 

described above. 

 

For  the  light‐activated  TdT  incorporation  study,  ATP  was  replaced  by  DEACM‐ATP  (from  a  540  μM 

solution  in water)  in  test  samples.  A  1:10  ratio  between  E7p53FW  initiator  oligonucleotide  and  ATP 

(control) or DEACM‐ATP (test samples) was used. Irradiation and DEACM‐ATP/DEACM‐OH quantification 

was performed as described  in Section 2.3.2. A purity of DEACM‐ATP >98%  for non‐irradiated  sample 

was determined, and no DEACM‐ATP was detected after irradiation. TdT reactions and product analysis 

were carried out as described above. 

 

 

2.5. DEACM‐OH Inhibition Experiments 

 

2.5.1. DEACM‐OH Inhibition Effect 

 

The  in  vitro  transcription  reactions  were  carried  out  following  the  same  procedure  as  described  in 

Section 2.4.2. To each sample, a 300 μM DEACM‐OH water solution was added to final concentration as 

indicated in Section 4.1.3. Products were analyzed in a 3% agarose gel in TBE buffer. The gel was run for 

2 hours at constant voltage (40 V) and stained by incorporation of Gelred™ (Biotium, Hayward, CA, USA) 

in the gel matrix. 

 

Fluorescence studies on the interaction of DEACM‐OH and DNA/ T7 RNA Polymerase were carried out in 

10 mM phosphate buffer, 0.1 M sodium chloride, pH 7.9,  for a  final solution volume of 60 μL. A  final 

concentration  of  2.3  μM  of  DEACM‐OH  was  used  for  all  samples.  The  T7  RNA  polymerase  (90  U, 

Fermentas, Vilnius, Lithuania) was added to one of the samples and DNA template (600 ng; see Section 

79  

2.4.1) was added  to another sample. Fluorescence  spectra were collected as described  in Section 2.1. 

Experiments were conducted at 20°C and samples were incubated for 10 minutes prior to fluorescence 

measurements. 

 

 

2.5.2. DEACM‐OH Inhibition Suppression: β‐lactoglobulin 

 

For the study of the presence of β‐lactoglobulin  in transcription,  increasing amounts of β‐lactoglobulin 

(in 10 mM phosphate buffer, pH 8.0) were added to each sample to a final concentration as indicated in 

Section  4.2.1.  Transcription  reactions were  carried  out  as  described  in  Section  2.4.2.  Products were 

analyzed in a 3% agarose gel in TBE buffer (for details see Section 2.4.2). 

 

 

2.5.3. DEACM‐OH/β‐Cyclodextrin Association Constant Determinations 

 

The  absorption  and emission  spectra of  a 30 μM DEACM‐OH  solution  in  transcription buffer  (50 mM  

Tris‐HCl, 6 mM MgCl2, 10 mM Dithiothreitol (DTT), 30 mM NaCl and 2 mM spermidine) were measured 

after the addition of  increasing β‐cyclodextrin quantity at 37°C. A 10 minutes equilibration period was 

used between each cyclodextrin addition and measurement cycle. Emission at 570 nm was corrected for 

absorption/dilution  variation  and  plotted  as  function  of  β‐cyclodextrin  concentration.  Using  Valeur’s 

model[179] and a non‐linear  least square fit, the association constant was determined (see Section 4.2.2 

for details). 

 

 

2.5.4. DEACM‐OH Inhibition Suppression: β‐cyclodextrin 

 

Transcription reactions were carried out as described  in Section 2.4.2. For the study of the presence of  

β‐cyclodextrin  in  transcription,  increasing  amounts  of  a  500 mM  β‐cyclodextrin  water  solution  was 

added  to each  sample. Transcription products were analyzed on a 10% non‐denaturing PAGE gel  (see 

Section  2.4.2  for  details).  For  the  study  of  inhibition  suppression,  to  a  series  of  samples  increasing 

DEACM‐OH was added; to another series the same DEACM‐OH were added to samples containing 500 

80  

mM of β‐cyclodextrin. Products were analyzed  in a 3% agarose gel  in TBE buffer (see Section 2.4.2  for 

details). 

Gel band intensity analysis was performed using Adobe Photoshop™ image software. To a constant pixel 

area (defined by the  largest band on each band series), the gray‐scale intensity was measured for each 

band.  DNA  template  band  was  used  as  internal  standard  for  inter‐sample  normalization.  Each 

measurement was conducted  in  triplicate,  independently,  to account  for small variations  in band area 

selection (an error of less than 5% was attained between repeats).  

 

The super‐saturated 300 μM DEACM‐OH water solution was prepared as followed. DEACM‐OH (1.48 mg) 

was dissolved in 10 mL of acetone, and evaporated under vacuum forming a thin film on the volumetric 

flask walls. Hot water (20 mL) was added to the flask and the solution was put in an ultra‐sound bath for 

10 minutes. No precipitation at room temperature was observed after a couple of weeks. 

 

 

   

81  

 

 

CHAPTER  3.    Photophysical    and    Photochemical Characterization of DEACM Derivatives   Part of the results presented in this chapter were published in the Journal of Physical Chemistry, 2010, Vol. 114, 12795‐12803.                        

A person who never made a mistake, never tried anything new. Albert Einstein

 

   

82  

3.1. Synthesis of P3‐[7‐diethylaminocoumarin‐4‐yl]methyl adenosine 5’‐triphosphate  (DEACM‐ATP)  

Coumarins were selected as photolabile protecting groups  to  form caged nucleotides. Geiβler and co‐

workers[116] describe the synthesis of a caged ATP, in which a 7‐diethylamino‐4‐methylcoumarin (DEACM) 

was  linked  to  the  γ‐phosphate  of  the ATP molecule.  This  constituted  the  synthesis  starting  point  for 

several  reasons:  First,  the  DEACM‐ATP  has  its  maximum  absorbance  around  400  nm,  far  from  the 

DNA/RNA/protein absorption bands. It also presents high extinction coefficients (ε390nm = 15000 M‐1cm‐1) 

and  relatively high photochemical quantum yields  (Φchem = 0.086). Second,  the  synthesis of  the  caged 

derivative,  although  cumbersome  and  with  poor  yields,  had  already  been  developed  using  the 

thoroughly  studied  and  cheap  Coumarin  1  laser  dye  (7‐diethylamino‐4‐methylcoumarin)  as  starting 

material.  Third,  the  linkage  between  the  coumarin  molecule  and  the  nucleotide  was  found  to  be 

promising  for our application:  the presence of a bulky group attached  to  the  triphosphate  tail  should 

difficult  (at  least)  the  recognition of  the nucleotide by  the polymerase. Also,  the addition of an extra 

ester group to the triphosphates moiety was expected to change the local phosphate acidity, crucial for 

the magnesium  complexation  and  nucleophilic  attack  during  condensation  reaction.  And  finally,  the 

synthetic strategy seemed to be  independent on the nucleotide – any nitrogen base or sugar could be 

employed, not being restricted to ATP. Adenine was selected as the first case study. 

 

Just one  final decision was missing: ATP or dATP, which meant RNA or DNA. Common knowledge and 

molecular biology tools available made the synthesis of DNA more appealing. DNA is easier to detected, 

has higher stability, and  is easily amplified and purified. It  is simply easier to work with DNA. However, 

one blunt factor answered this ATP vs. dATP question: money. The price of 1 g of ATP was 22 €, while 100 

mg of dATP was 246 €.[180] The forecast of failed first attempts in synthesizing the caged dATP settled our 

decision. The first proof of concept would be directed to control RNA synthesis with light. 

 

The first synthesis step was the Coumarin 1’s 4‐methyl oxidation with selenium dioxide and subsequent 

reduction with sodium borohydride, to yield the 7‐diethylamino‐7‐hydroxymethylcoumarin (DEACM‐OH) 

–  Figure  3.1.  Although  several  by‐products were  obtained,  the  final  alcohol  product  could  be  easily 

isolated  by  flash  chromatography  with  a  final  yield  of  46%.  The  synthesis  of  the  DEACM‐OH  was 

convenient since this compound is the photoproduct generated after DEACM‐ATP release (and all other 

DEACM  ester  derivatives),  which  is  of  great  value  for  photochemical  characterization  and  control 

experiments. 

 

Figurematerthen obtain

 

 

The s

cataly

butyl

– Fig

prese

the  a

oxida

prote

temp

produ

were

attem

colum

purity

optim

(80%

  

e  3.1  –  Syntrial is oxidizedreduced withned with a fin

second synth

yzed  by  1H‐

hydroperoxi

ure 3.2. The

ent would ea

absence  of  o

ation.    More

ection  was 

perature  crit

uct work‐up 

 produced o

mpts,  it  was

mn promoted

y.  Furtherm

mal  yield  of 

).[115] 

thesis  of  7‐dd under refluxh  sodium  boral yield of 46%

hesis step w

‐tetrazole.  I

ide to yield [

e  first step o

asily convert

oxygen must

eover,  the 

employed. 

tically  influe

proposed b

once, but no

s  found  tha

d some prod

ore,  the  by‐

74%  was  o

diethylamino‐x in p‐xylene, rohydride  in % after flash c

as the react

It  was  then

[7‐diethylam

of this reacti

t the product

t  be  taken 

final  produ

It  was  fou

nced  final  p

y Schonlebe

o X‐ray diffra

at  DEACM‐tB

duct hydrolys

‐products  fo

obtained,  wh

‐4‐hydroxymein the presenethanol  at  rochromatograp

ion of DEAC

n  followed 

minocoumarin

on required 

t back to the

in  the  first 

ct  is  a  4‐m

nd  that  the

product  yield

er[115] yielded

action was o

But  purificat

sis and incre

ormed  did  n

hich  is  close

ethylcoumarinnce of seleniuoom  temperaphy purificatio

M‐OH with 

by  oxidatio

n‐4‐yl]methy

special care

e alcohol for

step  as wel

methylcouma

e  temperat

d,  and  even

d a brown‐ye

btained due

tion  was  co

eased exposu

ot  interfere

e  to  that  re

n  (DEACM‐Oum dioxide forature  for  4h. on. 

di‐tert‐butyl 

n  to  di‐tert

yl di‐tert‐but

e with solve

rm through h

l  in  order  to

arin  ester,  h

ure  ramp  u

n  its  presen

ellowish oil. D

e to poor cry

ounter‐produ

ure to light, t

 with  the  fo

eported  by  S

H).  The  Cour 24h. The aldThe  DEACM‐

 diethylphos

t‐butyl  phos

tyl phosphat

nt dryness, s

hydrolysis. S

o  prevent  p

hence  photo

used  from 

ce  (data  no

DEACM‐tBut

ystal refracti

uctive.  Purif

thus reducin

ollowing  syn

Schonleber 

 

marin  1  stardehyde produ‐OH  product 

sphoroamido

sphate  by  t

e (DEACM‐tB

since any wa

pecial care w

hosphorami

olabile,  so  l

‐20°C  to  ro

ow  shown). 

t crystal nee

on.  In poste

ication  in  s

g final yield 

nthesis  step.

and  co‐work

83 

rting uct is was 

oite, 

tert‐

But) 

ater 

with 

dite 

ight 

oom 

The 

dles 

erior 

ilica 

and 

.  An 

kers 

 

Figure  3.2  –DEACM‐OH p1H‐tetrazole.presence of t

 

 

The  third 

diethylamin

high yields 

addition of 

water solub

room  temp

DEACM‐P  is

useful mode

 

 

 Figure 3.3 – yl]methyl di‐at 0°C. The D

 

–  Synthesis precursor was  The  phosphtriethylamine

synthesis 

nocoumarin‐

(89%), and 

hexane. Co

bility. High da

perature,  an

s a caged ph

el molecule t

Synthesis of‐tert‐butyl phoDEACM‐P prod

of  [7‐diethyls reacted withite  group  w to obtain the

step  was 

4‐yl]phospha

due  to  its h

ntrary  to all

ark hydrolysi

d  after  seve

hosphate and

to study 4‐m

f  [7‐diethylamosphate was duct was obta

laminocoumah di‐tert‐buty

was  then  oxide final DEACM

the  acid  h

ate (DEACM‐

igh polarity,

l  coumarin d

is stability w

eral weeks, 

d the simple

methylcouma

minocoumarinreacted in dryined with an 8

 arin‐4‐yl]methyl diethylphosdized  to  phos‐tBut with a 7

hydrolysis  o

‐P) – Figure 3

, product  iso

derivatives  s

was observed

yielded  less

est 4‐methyl

arin photoch

n‐4‐yl]phosphy dichloromet89% yield. 

hyl  di‐tert‐busphoroamidoitsphate  with 74% yield. 

of  the  tert

3.3. The fina

olation was 

so  far produ

, since water

s  than  5%  o

coumarin ph

emistry. 

hate  (DEACM‐tane  in the p

utyl  phosphate  in dry THF tert‐butylhyd

t‐butyl  grou

l product wa

easily done 

ced,  the DE

r solutions p

of  DEACM‐O

hosphate es

‐P). The  [7‐diresence of tri

ate  (DEACM‐tand  in the properoxide  a

ups  to  pro

as obtained i

by precipita

ACM‐P pres

protected fro

OH  (data  not

ter, which m

 

iethylaminocoifluoroacetic a

84 

 

tBut).  The resence of and  in  the 

oduce  [7‐

in relative 

ation with 

sents high 

om light at 

t  shown). 

makes  it a 

oumarin‐4‐acid for 6h 

85  

The  fourth  synthesis  step  was  the  activation  of  the  adenosine  diphosphate  (ADP)  precursor  with 

carbonyldiimidazole – Figure 3.4. This step creates a P‐N bond  in  the diphosphate moiety  that  is  then 

used  for DEACM‐P coupling, to obtain the  final DEACM‐ATP. The P‐N bond  is sensible to hydrolysis  (as 

the carbonyldiimidazole),  thus  special care with  solvent dryness was  taken. For  increased yield of P‐N 

bond  formation  in  β‐phosphate,  the  reaction was  performed with  ADP  in  its  fully  protonated  form. 

Triethylamine  was  used  to  increase  the  nucleotide  solubility  and  promote  the  phosphate  attack  to 

carbonyldiimidazole. 

 

 

  

Figure 3.4 – Activation of ADP precursor. Reaction with carbonildiimidazole  in methanol and  in  the presence of triethylamine for 12h at 65°C. 

 

 

The  final  synthesis  step  was  the  coupling  of  the  activated  ADP  to  DEACM‐P,  yielding  

P3‐[7‐diethylaminocoumarin‐4‐yl]methyl  adenosine  triphosphate  (DEACM‐ATP)  –  Figure  3.5.  The 

reaction  was  carried  out  in  the  polar  aprotic  solvent  HMPA  and  in  the  presence  of  a 

triethylamine/trioctylamine mixture.  These  conditions  promoted  DEACM‐P  phosphate  deprotonation 

and  increase  nucleophilicity  towards  imidazole  substitution.  Even  though  the  strategy  devised  by 

Schonleber[115] is elegant, the reactivity observed was low. The reaction had to carry out for three days, 

to an estimated final yield of 10‐20%. The activation of completely acidified ADP should have yielded a 

2:1 chances of forming a P‐N bond  in the β‐phosphate, so the same ratio for DEACM‐ATP:DEACM‐ADP 

formation was  expected  (ADP  activated  in  the α‐phosphate  leads  to  the  subsequent hydrolysis of β‐

phosphate to  form DEACM‐ADP ester). However, DEACM‐ADP was obtained as a secondary product  in 

the same amount as DEACM‐ATP. Several other unidentified products were detected and DEACM‐ATP 

isolation required purification by semi‐preparative HPLC. 

  

86  

  

Figure 3.5 –  Synthesis of P3‐[7‐diethylaminocoumarin‐4‐yl]methyl adenosine  triphosphates  (DEACM‐ATP).  The activated ADP was coupled to DEACM‐P in HMPA in the presence of triethylamine and trioctylamine for 3 days at room temperature. The DEACM‐ATP product was obtained in an estimated 10‐20% yield. 

   

3.2. Ground State Properties of DEACM‐OH and DEACM‐P  

After  the  successful  synthesis  of  DEACM‐ATP,  a  preliminary  photochemical  characterization  was 

performed.  It was  observed  that  different  irradiation  times were  needed  for  complete  photolysis  of 

DEACM‐ATP,  and  especially  DEACM‐P,  depending  on  the  buffer  used.  This  finding  was  rather 

unexpected, since Schade’s model  (see Section 1.4.3.2)  for 4‐methylcoumarin esters does not account 

for any pH effect at physiologic pH values. In order to clarify this observation, a study on the pH effect on 

4‐methylcoumarin esters was found necessary. Also, several experimental evidences pointed out to the 

presence of some kind of DEACM‐ATP ground state association (see Section 3.5). Thus, in order to isolate 

the intrinsic pH effect on photochemistry it was decided to use DEACM‐P as a model molecule, since it is 

the  simplest  of  the  4‐methylcoumarin  phosphate  ester  derivatives.  A  systematic  comparison  with  

7‐diethylamino‐4‐hydroxymethylcoumarin (DEACM‐OH) (Figure 3.6‐A) was also performed. 

 

 

87  

  

Figure 3.6 – A) DEACM‐OH and DEACM‐P structure. B) Absorption (full line) and emission (dashed line) spectra of DEACM‐OH  (in  gray)  and  DEACM‐P  (in  black).  In  Tris‐acetate  buffer,  10 mM,  pH  8.2.  Absorption  spectra  are represented  in molar absorptivities and emission  spectra normalized  for each  compound  fluorescence quantum yield. Emission spectra were obtained by excitation at 385 nm. 

 

 

Figure 3.6‐B shows the absorption and emission spectra of DEACM‐OH and DEACM‐P, obtained in 10 mM 

Tris‐acetate  buffer  at  pH  8.2.  Both,  DEACM‐OH  and  DEACM‐P,  present  two  absorption  bands,  with 

maxima  at  246  nm  and  385  nm,  and  246  nm  and  388  nm,  respectively.  The  low  energy  transitions 

observed in the absorption spectra, at 385 nm and 388 nm, are ππ* transitions with strong CT character, 

involving the transfer of charge between the amino group in the 7‐ position and the coumarinic core.[172] 

The  phosphate  derivative  presents  a  slightly  higher  extinction  coefficient.  As  previously  observed  by 

Schade and co‐workers,[167] the leaving group (in our case phosphate) has little influence on ground‐state 

properties of the coumarin chromophore. 

 

Both compounds present a single emission band with maxima around 500 nm and similar fluorescence 

quantum yields (0.079  for DEACM‐OH and 0.092  for DEACM‐P, at pH = 8.2). This observation  indicates 

that the presence of an additional deactivating pathway  in DEACM‐P  (photochemistry) does not affect 

significantly the fluorescence quantum yield. 

 

The pH dependence of the absorption spectra of DEACM‐OH is shown in Figure 3.7‐A. At very acidic pH, 

the protonation of the amine leads to the disappearance of the charge transfer band at 385 nm, leading 

to two absorption bands with maxima around 265 nm and 310 nm. At increasing pH, the conversion of 

protonated to deprotonated form leads to the formation of two isosbestic points at 266 nm and 325 nm. 

88  

From the spectrophotometric titration, a pKa value of 3.2 can be determined, which corresponds to the 

acid‐base equilibrium between DEACM‐OH and HDEACM‐OH+, protonated at the 7‐diethylamino group. 

 

 

  

Figure 3.7 – Spectrophotometric titration of DEACM‐OH and DEACM‐P. A) DEACM‐OH spectrophotometic titration in 10 mM Tris‐phosphate buffer. 1: Absorption spectra at each pH value ranging from 1.1 to 11.3 with  increasing 

addition of NaOH. Total DEACM‐OH concentration used was 8.0 μM. 2: Normalized absorbance at 385 nm (dots) and  fitting  for  the  equilibrium  between  two  species  (line;  see  Equation  15).  B)  DEACM‐P  spectrophotometic titration  in 10 mM Tris‐phosphate buffer. 1: Absorption  spectra at each pH value  ranging  from 1.2  to 10.2 with 

increasing addition of NaOH. Total DEACM‐P concentration used was 6.7 μM. 2: Normalized absorbance at 388 nm (dots) and fitting for the equilibrium between two species (line; see Equation 15). 

 

 

For DEACM‐P, a similar variation  in  the absorption spectrum as  function of  the pH  is obtained  (Figure 

3.7‐B), with  identical  pKa  value.  Therefore,  the  presence  of  a  phosphate  group  does  not  affect  the  

acid‐base  equilibrium  involving  the  amine  in  the  7‐position.  Additionally,  it  is  expected  the  first 

deprotonation  of  the  phosphate  group  to  occur  at more  acidic  pH  (pKa1  =  1.54  for  the monomethyl 

phosphate ester[181]) and is not accountable for any observable spectral change. Moreover, at neutral pH, 

89  

where deprotonation of the second phosphate group  is expected, no spectral changes were observed. 

The protonation degree of the phosphate group does not seem to affect the absorption spectrum. 

 

3.3. Dependence of DEACM‐OH and DEACM‐P Photophysics and Photochemistry on pH  

The  fluorescence  titration  for  DEACM‐OH  fully  corroborates  the  results  obtained  by  absorption 

spectroscopy, i.e., as the amine‐protonated species is produced at more acidic pH values, a decrease in 

the fluorescence intensity is observed (Figure 3.8‐A), confirming that the emission arises from the charge 

transfer state that is absent in the amine protonated form (Figure 3.9‐A). The protonated amine species 

present similar photophysical properties to unsubstituted coumarin. A pKa value of 3.2  is also obtained 

and no evidence for other excited state pH dependent processes was found. 

 

  Figure 3.8 – Fluorimetric titration of DEACM‐OH and DEACM‐P. A) DEACM‐OH fluorimetric titration in 10 mM Tris‐phosphate buffer. 1: Emission  spectra obtained with excitation at 325 nm at each pH value  ranging  from 1.1  to 11.3. Fluorescence intensities are normalized for fluorescence quantum yield measured at pH 8.2. 2: Fluorescence intensities obtained by  integrated emission area normalized for fluorescence quantum yields (dots) and fitting for the  equilibrium between  two  species  (line;  see  Equation  16). B) DEACM‐P  fluorimetric  titration  in  10 mM  Tris‐

90  

phosphate buffer. 1: Emission  spectra obtained with excitation at 325 nm at each pH value  ranging  from 1.2  to 10.2. Fluorescence intensities are normalized for fluorescence quantum yield measured at pH 8.2. 2: Fluorescence intensities obtained by  integrated emission area normalized for fluorescence quantum yields (dots) and fitting for the equilibrium between  three  species  (dark gray  line;  see Equation 17). Dashed  light gray  lines  represent mole fractions of the three species in equilibrium. 

 

 

A different behavior was observed  in  the case of DEACM‐P. At very acidic pH,  the emission decreases 

similarly to what is observed for DEACM‐OH, due to the protonation of the amine. However, at higher pH 

values, an additional dependence of the emission intensity on the pH was found, indicating the presence 

of  a  second  equilibrium which  is  not  observed  in  the  titration  followed  by  absorption  spectroscopy 

(Figure  3.8‐B).  The  first  equilibrium  is  clearly  associated with  the  protonation  of  the  7‐diethylamino 

group, with a pKa1 of 3.2, as determined by the absorption titration. The second equilibrium occurs at pH 

5.9,  leading to a significant  increase  in the  fluorescence quantum yield. This  increase  is most probably 

related to the second deprotonation of the phosphate group, which, in the case of the methyl phosphate 

ester, is expected to occur at pKa2 = 6.31.[181] Considering the interconversion between the three species 

(Figure 3.9‐B), it is possible to calculate the species’ mole fraction distribution as a function of pH (Figure 

3.8‐B2). 

 

 

  Figure 3.9 – DEACM‐OH (A) and DEACM‐P (B) acid‐base equilibria. It was considered that the first deprotonation of DEACM‐P phosphate group occurs at lower pH value than 1.5.[181] 

 

91  

As  discussed  in  1.4.3.2,  the  irradiation  at  the  lower  energy  transition  leads  to  the  photocleavage  of 

coumarin phosphate esters, through heterolysis of the C‐O ester bond followed by hydroxylation of the 

coumarinylmethyl carbocation, which in the case of DEACM‐P leads to phosphate ion and DEACM‐OH as 

photoproducts. 

 

The photochemistry quantum yields of phosphate cleavage upon irradiation at 385 nm were calculated 

independently through the determination of DEACM‐P disappearance and DEACM‐OH appearance. The 

separation and quantification of DEACM‐OH and DEACM‐P for each irradiated sample was performed by 

HPLC.   No other photoproduct was detected, confirming DEACM‐OH to be the only significant product, 

as previously reported.[167] Furthermore, quantum yields calculated through DEACM‐P disappearance or 

DEACM‐OH formation were found identical within the experimental error. Degassing of the solutions did 

not produce noticeable effects on the photochemical quantum yields, as it would be expected from the 

short  lived  singlet  state  from  where  photochemistry  derives.[171,172]  Additionally,  varying  DEACM‐P 

concentration  in  the  range between 5  and 100 μM  also does not  affect  the photochemical quantum 

yield. 

 

 

Figure 3.10 – Photochemical ( ) and fluorescence ( ) quantum yields of DEACM‐P as function of pH values in 10 mM Tris‐acetate buffer. Dashed gray lines represent mole fraction distribution of DEACM‐HPO4

– and DEACM‐PO42– 

equilibrium, obtained from the fluorimetric titration (pKa2 = 5.9). 

 

92  

pH, however, produces significant changes in the photochemical quantum yields, as can be observed in 

Figure  3.10.  The  observed  changes  are  complementary  to  those  obtained  from  the  fluorescence 

quantum  yield,  i.e.,  Φchem  decreases  with  the  disappearance  of  the  DEACM‐HPO4–  species  to  yield 

DEACM‐PO42–. 

 

The DEACM‐HPO4– species, predominant between pH = 3 and pH = 6, is characterized by a higher Φchem 

(0.0041 at pH 5.2 vs. 0.0003 at pH 8.6) and lower Φf (0.072 at pH 5.2 vs. 0.092 at pH 8.6). These results 

show  that although  the phosphate protonation does not affect  the absorption of  light,  it  significantly 

alters the excited state deactivation pathways. 

 

Time  resolved  fluorescence  spectroscopy  of  DEACM‐OH  in  10  mM  Tris‐acetate  buffer  originated 

fluorescence decays well  fitted  to a single‐exponential  law with a decay  time of 517 ps  that does not 

change with  the pH between 5.3 and 8.4  (Figure 3.11‐A,  gray  squares).  For DEACM‐P  in 10 mM Tris‐

acetate, bi‐exponential decays were obtained. The longer decay time with an average value of 657 ps has 

little dependence on proton concentration, while the short decay time shows a two‐fold decrease with 

increasing pH (Figure 3.11‐A) (from 502 ps to 256 ps, between pH 5.3 and 8.4, respectively). 

 

 

 

Figure 3.11 – Time resolved fluorescence measurements of DEACM‐OH and DEACM‐P compounds as function on pH, in 10 mM Tris‐acetate buffer. A) Decay times of DEACM‐OH ( ) obtained through mono‐exponential analysis and DEACM‐P  (   and  )  obtained  through  bi‐exponential  analysis. B) Normalized  contribution  for  emission  of DEACM‐P decay given by the product of the decay time and pre‐exponential factor for each component (  for the longer  component and    for  the  shorter  component). Dashed gray  lines  represent mole  fraction distribution of DEACM‐HPO4

– and DEACM‐PO42– obtained from the fluorimetric titration (pKa2 = 5.9). 

 

93  

The  pre‐exponential  factors  (amplitudes)  associated  to  the  decay  times  reproduce  the mole  fraction 

distribution  of  DEACM‐HPO4–  and  DEACM‐PO4

2–,  determined  by  fluorimetric  titration,  and  allow  a 

straightforward assignment of  the decay  components. The  longer decay  time, dominant at higher pH 

values, is assigned to the fully deprotonated species DEACM‐PO42– while the shorter and pH dependent 

decay time is assigned to DEACM‐HPO4– (Figure 3.11‐B).  

 

Although DEACM‐PO42– is in principle able to deactivate through cleavage of the O‐P ester bond leading 

to DEACM‐OH formation, even with very low quantum yield (Φchem = 0.0003), the decay time associated 

to DEACM‐PO42–  is  slightly  longer  than  the one obtained  for DEACM‐OH  (667 ps vs. 517 ps), with  the 

fluorescence quantum yields showing the same trend (0.092 vs. 0.079, for DEACM‐PO42– and DEACM‐OH 

respectively). This may be  related  to  the presence of an O‐H bond  in DEACM‐OH, which can confer a 

more efficient non‐radiative deactivation pathway than the O‐P bond in DEACM‐PO42–. The higher energy 

of  the O‐H  vibration  (ca.  3300  cm–1  for O‐H  vibration  vs.  1050  cm–1  for  C‐O‐P  vibration)[182]  is more 

efficient in the dissipation of the excited state energy.  

 

 

Table  3.1  –  Photophysical  and  photochemical  properties  of DEACM‐OH  and DEACM‐P  in  10 mM  Tris‐acetate buffer at 21°C. 

 λmax Abs (nm) 

λmax Em(nm) 

Φf  Φchem τ 

(ps) kf (s–1) 

kchem (s–1) 

knr (s–1) 

DEACM‐OH  385  493  0.079   

517  1.5×108   

1.8×109 

DEACM‐PO42– 

389  497 

0.092  2.9×10–4  667 

1.4×108 

4.4×105 

1.4×109 

DEACM‐HPO4–  0.071  a)  4.1×10–3   a)  b)  c) 

a) Φf and Φchem for DEACM‐HPO4‐ at pH 5.2; at higher pH values both quantum yield for this species could not be 

accurately  determined.  b)  See  Figure  3.11.  c)  Different  kinetic  model  was  applied  to  DEACM‐HPO4

–; see Figure 3.12.  

 

The decay time of DEACM‐PO42– does not show noticeable pH dependence, except at pH values where 

the  weight  of  the  component  (pre‐exponential  factor)  is  low,  and  the  decay  time  associated  to  

DEACM‐HPO4– is dominant. It is a fair assumption that the photophysical and photochemical deactivation 

94  

of DEACM‐PO42– are pH independent, as evidenced by the constancy of the decay times obtained in the 

pH  region  where  this  species  dominates  and  its  parallel  behavior  with  DEACM‐OH.  From  the  data 

obtained  at  pH  =  8.2  (fluorescence  and  photochemical  quantum  yields  and  decay  time), where  only 

DEACM‐PO42– species is present in solution, the deactivation rate constants for the singlet excited state 

could be calculated and are presented in Table 3.1. 

Photocleavage of DEACM‐PO42–  is quite  inefficient when compared to the other deactivation pathways. 

One might  associate  the  increase  in  negative  charge  of  the  leaving  group  with  an  increase  in  the 

activation energy  for  the heterolytic cleavage, probably due to the electrostatic  repulsion towards the 

incoming  electron.  This  is  reflected  in  a  very  low  photocleavage  quantum  yield.  Unexpectedly,  

DEACM‐HPO4– decay  times show pH dependence, becoming progressively shorter with  the  increase of 

pH. Bendig and co‐workers[167,170‐172] proposed that an ion‐pair is formed in the S1 state, followed by an 

escape,  leading  to  ion‐pair separation. Then,  reaction with water molecules would  lead  to  the alcohol 

photoproduct and free leaving group. No pH effect was considered. 

 

For DEACM‐HPO4–, if the overall decay rate constant (or the reciprocal of the short decay time) is plotted 

as function of the hydroxyl anion concentration, a non‐linear dependence  is found (Figure 3.12), which 

shows clearly that the hydroxyl (or proton) concentration has an effect in the excited state deactivating 

processes. 

 

The non‐linear correlation between overall deactivating decay and hydroxyl concentration indicates that 

OH–  anion  does  not  interact  directly with  S1  state  of  DEACM‐HPO4–  (referred  hereafter  as  1[CP]  for 

simplicity) through a SN2 mechanism involving direct nucleophilic attack by OH–. 

 

Three possible mechanisms were considered to explain the sigmoidal dependence of  the excited state 

lifetime with the hydroxyl concentration: i) equilibrium between 1[CP] and a protonated excited state; ii) 

quenching by the buffer; and iii) hydroxyl attack to an intermediary species. 

 

95  

 

Figure  3.12  –  Overall  deactivating  rate  constant  of  DEACM‐HPO4–  species  as  function  of  hydroxyl  anion 

concentration in 10 mM Tris‐acetate buffer ( ). The rate constants are given by the reciprocal of the decay time for DEACM‐HPO4

– species at each hydroxyl concentration. Black line represents the non‐linear fitting of the overall deactivating  rate  constant  given by Equation 27, based on  the  kinetic model  in Figure 3.17. The  individual  rate constant values presented in the figure were determined after parameter optimization (see main text for details). 

 

 

i) Equilibrium between 1[CP] and a protonated excited state 

 

 

Figure 3.13 – Kinetic model for the photochemistry of DEACM‐P involving a pH dependent equilibrium affecting 1[CP] 

 

 

In  this  case,  the observed  rate  in  its most  simplified  form  (fast  excited  state protonation equilibrium 

achieved after CP excitation) would depend on the fraction of 1[CP] available after excitation to undergo 

decay through kphys and k1 pathways: 

 

96  

physa

physa

aobs k

HKHkk

HKK

k '][

][)(][ 1 +

+

+ +++

+=                          Equation 25 

 

 

with Ka=ka/kb. At high [H+] (or low [OH‐]), kobs = k’phys, corresponding to the decay rate of the protonated 

form. At low [H+], kobs = kphys + k1, which is the sum of the decay rates for 1[CP] deactivation. No changes 

in the extinction coefficients of both DEACM‐P species were observed within the studied pH range, and 

thus the radiative rate constant is expected to be identical for DEACM‐HPO4– and DEACM‐PO4

2–. Also, the 

observed  changes  in  fluorescence  when  going  from  DEACM‐HPO4–  to  DEACM‐PO4

2–  show  a  perfect 

correlation with the changes observed  in the photochemistry.  It  is reasonable to assume that the non‐

radiative rate will not vary significantly within the studied pH range. Therefore, it is believed to be a good 

approximation that the photophysical deactivation rate constant, kphys, given by the sum of kf and knr, will 

show  a  value  close  to  the  decay  rate  constant  for  DEACM‐PO42–  at  higher  pH  values  (where  the 

photochemistry  is negligible). A value of 1.5 × 109 s–1 can be assumed for kphys. A similar approximation 

was used by Schmidt et al.,[175] who additionally used  the argument of effective electronic decoupling 

between the coumarinic chromophore and the O‐bound substituent (e.g. phosphate) to assume that the 

non‐radiative  rate  constants of  the ester and  the alcohol product were  identical.   This way,  from  the 

higher and lower limit one can estimate k1 and k’phys, which were used as initial parameters in the fitting 

process. Fitting of the referred kinetic model to the observed rate constants are presented in Figure 3.14. 

 

In a pH dependent equilibrium affecting 1[CP], protonation of the amine is expected to block the charge 

transfer  and  could  account  for  the  observed  decrease  of  the  overall  rate  with  increasing  proton 

concentration  (if  the  unprotonated  form  has  a  shorter  decay  time).  However,  taking  simple 

thermodynamic  considerations based on  the  Forster  cycle[138] and  spectroscopic data  (the protonated 

form absorbs at higher energies ‐ see Figure 3.7), excited state protonation (pKa*)  is expected to occur 

only at pH values lower than 3.2 (ground state pKa), seeming reasonable to exclude this mechanism on 

the pH range in question (pH 5 to 7). 

 

97  

 

Figure  3.14  ‐  Overall  deactivating  rate  constant  of  DEACM‐HPO4–  species  as  function  of  hydroxyl  anion 

concentration in 10 mM Tris‐acetate buffer ( ). The rate constants are given by the reciprocal of the decay time for DEACM‐HPO4

– species at each hydroxyl concentration. Black line represents the non‐linear fitting of the overall deactivating  rate  constant  given  by  Equation  25,  based  on  the  kinetic  model  presented  in  Figure  3.13.  The individual rate constant values presented in the figure were determined after parameter optimization. 

 

 

ii) Quenching by the buffer 

 

 

 

Figure 3.15 – Kinetic model for the photochemistry of DEACM‐P involving buffer quenching of 1[CP] 

 

 

In  this case,  the uprotonated  form of  the buffer, B‐, would quench S1, competing with photochemical 

and photophysical pathways.  

 

 

][][ 0

1 ++++=

HKKBHk

kkka

aqphysobs ,                             Equation 26 

98  

with  Ka=[B‐][H+]/[HB],  the  buffer  ionization  constant.  At  low  [H+]  the  limit  value  is  

kobs  =  kphys  +  k1  +  kq[BH]0,  while  at  high  [H+],  the  other  limiting  condition,  

kobs= k1 + kphys. Once again, from the higher limit one can estimate the value for k1, which was introduced 

as initial parameter for the fitting. The initial buffer concentration was also fixed, as 10 mM. Fitting of the 

referred kinetic model to the observed rate constants is presented in Figure 3.16. 

 

 

 

Figure  3.16  ‐  Overall  deactivating  rate  constant  of  DEACM‐HPO4–  species  as  function  of  hydroxyl  anion 

concentration in 10 mM Tris‐acetate buffer ( ) and 10 mM phosphate buffer ( ). The rate constants are given by the reciprocal of the decay time for DEACM‐HPO4

– species at each hydroxyl concentration. Black line represents the non‐linear  fitting  of  the  overall  deactivating  rate  constant  given  by  Equation  26,  based  on  the  kinetic model presented  in  Figure  3.15.  The  individual  rate  constant  values  presented  in  the  figure  were  determined  after parameter optimization. 

 

 

A model in which the basic form of the buffer quenches the 1[CP] state could also explain the sigmoidal 

dependence of  the observed  rate  constant  (since  the buffer  basic  form  concentration  increases with 

increasing pH  in a sigmoidal  fashion). To test  the validity of this model, the  fluorescence decays at pH 

5.62, 6.28 and 6.92  in phosphate buffer were measured. The obtained decays are  identical within  the 

experimental error to those obtained in Tris‐acetate buffer. The reciprocal of the short decay times (pH 

dependent rate constants) are plotted  in Figure 3.16 (open circles), together with the data obtained  in 

Tris‐acetate.  The  existence  of  similar  quenching  in  phosphate  buffer  excludes  quenching  by  electron 

transfer. Based on  this,  it  seems plausible  to exclude buffer quenching as  the  source of  the observed 

dependence. 

99  

iii) Hydroxyl attack to an intermediary species 

 

It can also be considered the formation of a non emissive  intermediary state,  [Int]*, which reacts with 

hydroxyl anion (Figure 3.17). This intermediary state can be a charge transfer state (CT), a close contact 

ion pair state (IP) or other chemical intermediary. [Int]* may react with the hydroxyl ion to produce the 

alcohol  photoproduct  with  a  bimolecular  rate  constant  kOH,  or  can  alternatively  be  depopulated  by 

pathways independent on [OH‐], included in the rate constant kesc, according to Figure 3.17. 

 

 

Figure 3.17 ‐ Kinetic model for the photochemistry of DEACM‐P involving a nucleophilic attack to an intermediary formed from 1[CP] state. 

 

 

The observed rate constant in this case is given by: 

 

 

]OH[]OH[)(

]OH[)(

]OH[ OHesc1-

OHphys1

OHesc1-

physesc1-

OHesc1-

esc1−

−− ×++

××++

×++

×++

×++×

=kkkkkk

kkkkkk

kkkkk

kobs       Equation 27 

 

 

At high [OH‐], kobs = kphys + k1, which corresponds to the sum of the decay rates for 1[CP] deactivation. At 

low [OH‐],  physobs kkkkk

k ++×

=esc1-

esc1 .  Several pairs of values of k1 and kphys can fit the data in Figure 3.12. 

100  

As  refered  above  in model  i),  kphys  can  be  estimated  as  1.5 ×  109  s‐1, which  is  then  used  to  get  and 

approximate value of k1 for the limit of high hydroxyl concentration. The sigmoidal shape of Figure 3.12 

is only obtained  if the sum (k‐1 + kesc)  is of the same order of magnitude than that of kOH[OH–]. On one 

hand, (k‐1 + kesc) >> kOH[OH–] leads to a linear dependence and, on the other hand, (k‐1 + kesc) << kOH[OH

–] 

leads  to  an  observed  rate  constant  independent  of  [OH–].  Nevertheless,  several  pairs  of  values  for 

kOH[OH–] and (k‐1 + kesc) can also fit the data. If we assume the highest possible value for the bimolecular 

rate  constant  kOH,  i.e.,  its diffusional  limit  (kOH = 7 × 109 M‐1s‐1),  calculated  as  the  rate  constant  for a 

diffusion‐controlled  bimolecular  reaction  in  water  using  Fick’s  first  law  of  diffusion  and  the  Stokes‐

Einstein equation[183,184], the upper limit for the sum (k‐1 + kesc) that can be obtained with the presented 

mechanism  is  in the order of 103 s‐1.  It should be noted that an unusual  low pseudo‐unimolecular rate 

constant (kOH[OH–]) is obtained since the hydroxyl concentrations are below 10‐7 M. 

 

As a consequence, and according to the proposed model (Figure 3.17), if the intermediary state is a close 

contact  ion pair and only electrostatic considerations are  taken  into account,  the  ion pair dissociation 

(which is included in the term (k‐1 + kesc)) may be predicted through the Eigen equation[185]. 

 

 

))exp(1

)())((

1(2 w

wrrrr

Tkk Bdiss −

−×+

=−+−+πη

                           Equation 28 

 

 

Where Tkrr

ezzw

BSεπε )(41 2

0 −+

−+

+= ,  η is the solvent viscosity (0.891 cP at 298 K in the case of water[184]), 

T is the absolute temperature, kB the Boltzman constant, r‐ and r+ the radii of anion and cation (estimated 

around  4.3  Å  for  OH‐  and  8.2  Å  for  DEACM+,  respectively,  from  the  ionic  volumes  obtained  with 

Hyperchem software package), z‐ and z+ the  negative and positive charge of the ions (1 in both cases), ε0 

the  vacuum permittivity and  εs  the dielectric  constant of  the  solvent  (78.5  for water at 25°C).  If only 

electrostatic considerations are taken into account the ion pair dissociation is predicted to occur with a 

rate constant k‐d = 6.6 x 108 s‐1. Unless some strong (non electrostatic) interaction is present, which could 

prevent  the  ion  pair  dissociation  (increasing  its  life  time  to  the millisecond  time  scale),  the  ion  pair 

intermediary may not seem plausible. 

101  

3.4. Flash Photolysis Studies of DEACM‐H, DEACM‐OH and DEACM‐P  

According  to  the model presented  in  the previous  section, an  intermediary  species  is predicted  to be 

formed with a lifetime in the milisecond range. In an attempt to find experimental proof of the existence 

of such intermediary species flash photolysis spectroscopy was performed in 10 mM Tris‐acetate buffer, 

in the pH range between 5 and 6, where DEACM‐HPO4– is the major species. A transient absorption was 

observed around 500 nm and a bleaching was observed at 390 nm that corresponds to the ground state 

absorption of DEACM‐P  (Figure 3.18‐A). The  transient at 500 nm decays with a single exponential  law 

with a pH dependent decay time spanning from 238 to 258 μs, while the bleaching at 390 nm recovers 

with a bi‐exponential  law (Figure 3.18‐B). The  longer recovery time at 390 nm matches the decay time 

obtained at 500 nm, while the shorter recovery time is around 30 μs.  

 

 

 

Figure 3.18 – Flash Photolysis  transient spectroscopy of DEACM‐P. A) Transient  spectra of DEACM‐P  in 10 mM 

Tris‐acetate buffer, pH 5.1, after 116 μs, 196 μs, 276 μs, 396 μs, 596 μs and 996 μs, respectively. Excitation was performed at 355 nm. B) Transient decay of DEACM‐P in 10 mM Tris‐acetate buffer, pH 5.1, at 500 nm (dark gray) and 390 nm  (light gray), and  the  respective  fitting curves  (black). Residual errors of  the  fitting curves are shown below. A monoexponential law was used to fit the decay at 500 nm, yielding at this pH value a decay time of 258 

μs; a bi‐exponential law was used to fit the decay at 390 nm, yielding a decay time of 258 μs and 29 μs.  

 

Plotting the reciprocal of the decay times at 500 nm as a function of the hydroxyl concentration yields a 

linear  correlation  (Figure  3.19‐A),  compatible  with  a  reaction  between  [OH‐]  and  the  transient 

102  

responsible by the 500 nm absorption. The intercept of the linear plot yields a value of 3.9 × 103 s‐1, and 

the slope indicates the presence of a diffusion limited rate constant with a value of 2.5 × 1010 M‐1s‐1. This 

constant is considerably higher than the value calculated by Flick’s first law and Stokes‐Einstein equation 

for the reaction of two neutral species. 

 

 

Figure 3.19 – Effect of the pH on the DEACM‐P transient intermediary species. A) Observed rate constant given as the reciprocal of the decay time at 500 nm of DEACM‐P, as function of the hydroxyl concentration. Transient decays were obtained in 10 mM Tris‐acetate buffer at the respective pH values, and excitation at 355 nm. The mean values of quintuplicate  independent measurements are presented and error bars  indicate  the  standard deviation  from mean value. B) Decay times of DEACM‐P  ( ) and DEACM‐OH  ( ) as  function of the pH, obtained  in 10 mM Tris‐acetate buffer and decay at 500 nm. 

 

 

The diffusion of oppositely  charged  species  that  leads  to  the encounter of,  in  this  case,  the hydroxyl 

anion with  the  coumarin  carbocation, may be described by  the Debye‐Smoluchovsky  equation[185]  for 

ion‐pair diffusional formation. 

 

 

)1

)(2(3

2−

−++= −

+

+w

Bd e

wrr

rrTNk

                   Equation 29 

 

 

103  

Where Tkrr

ezzw

BSεπε )(41 2

0 −+

−+

+= ,  η is the solvent viscosity (0.891 cP at 298 K in the case of water[184]), 

T is the absolute temperature, kB the Boltzman constant, r‐ and r+ the radii of anion and cation (estimated 

around  4.3  Å  for  OH‐  and  8.2  Å  for  DEACM+,  respectively,  from  the  ionic  volumes  obtained  with 

Hyperchem software package), z‐ and z+ the  negative and positive charge of the ions (1 in both cases), ε0 

the  vacuum  permittivity  and  εs  the  dielectric  constant  of  the  solvent  (78.5  for water  at  25°C).  The 

encounter  between  the  two  charged  species  is  predicted  to  occur  with  a  rate  constant  kOH  = 

4.43 x 1010 s‐1, which is fairly close to the value obtained experimentally. The value 2.5 × 1010 M‐1s‐1  was 

used as a fixed parameter for the fitting shown in Figure 3.12, which allowed to retrieve a value for (k‐1 + 

kesc) consistent with the intercept obtained in Figure 3.19‐A. These results indicate that the intermediary 

species is directly related with the photochemistry of DEACM‐P. 

 

The next step was to identify the nature of the transient species with microsecond lifetime. A systematic 

study  of  7‐diethyl‐4‐methylcoumarin  (Coumarin  1),  DEACM‐OH  and  DEACM‐P  was  conducted. 

Surprisingly, the same transient species with absorption around 500 nm was observed  for Coumarin 1 

and DEACM‐OH (Figure 3.20), in water. 

 

 

 Figure 3.20 – Transient spectra of Coumarin 1 and DEACM‐OH. A) Transient spectrum of Coumarin 1 in water, with 

excitation at 355 nm, after 116 μs, 196 μs, 276 μs, 396 μs, 596 μs and 996 μs, respectively. B) Transient spectrum 

of DEACM‐OH  in water, with  excitation  at  355  nm,  after  116  μs,  196  μs,  276  μs,  396  μs,  596  μs  and  996  μs, respectively. 

  

104  

As previously  seen  for DEACM‐P, both compounds present a  transient absorption with positive  OD, 

with Coumarin 1 slightly blue‐shifted when comparing to DEACM‐OH and DEACM‐P, and a bleaching at 

390 nm that corresponds to the ground state absorption of coumarin. The transient at 500 nm decays 

with a single exponential law with a pH independent decay time (245 μs for Coumarin 1 and 223 μs for 

DEACM‐OH), while the bleaching at 390 nm recovers with a bi‐exponential law. The longer recovery time 

at 390 nm matches the decay time obtained at 500 nm, while the shorter recovery time is 26 μs and 38 

μs,  for  Coumarin  1  and  DEACM‐OH  respectively.  It  should  be  noted  that  the  decays  of  the  three 

compounds at 390 nm present a final small negative absorption,  i.e. the final absorption after decay  is 

slightly lower than prior to excitation. Steady‐state absorption spectra before and after flash‐photolysis 

experiments  revealed a considerable  reduction  in  intensity, although band shape and width  remained 

the same. Both these observations  indicate that coumarin molecules were suffering some degradation 

upon  laser  (or  flash  lamp) excitation. To prevent  the observed degradation during experiments  it was 

necessary to reduce the amount of readings (and consequently laser and flash‐lamp irradiation) for each 

decay measurement, increasing significantly the noise level.  

 

The long decay times in the microsecond timescale suggested that the transient species might be triplet 

in  nature.  Intersystem  crossing was  described  as  residual  at  room  temperature,[145,147,186,187]  and  not 

participating  in 4‐methylcoumarin ester derivatives photochemistry.[167,170‐172] However, the assumption 

for the absence of triplet photochemistry by the german group might have been merely speculative.  It 

was  shown  that  the  transient  species  identified by  flash photolysis  spectroscopy  is directly  related  to 

photochemistry, although  it was puzzling why this  intermediary species  is also observed  in DEACM‐OH, 

and specially,  in Coumarin 1. A closer  look  into the effect of the pH  in the decay times of the transient 

absorbing  at  500  nm  for  DEACM‐P  and  DEACM‐OH  show  that  a  clear  dependence  is  observed  for 

DEACM‐P  in the pH range where the photoactive DEACM‐HPO4‐ species  is present (up to pH 6 – Figure 

3.19‐B).  For  the DEACM‐PO42‐  species,  it was observed no effect of  the hydroxyl  concentration  in  the 

transient decay time, and they are similar to the DEACM‐OH decay times. This transient state thus seems 

to be part of  intrinsic coumarin deactivation, which only leads to photochemical reaction under certain 

conditions  (in  this  case,  the  leaving  group  nature).  In  order  to  answer  the  question  if  the  observed 

transient  absorption  corresponds  to  a  triplet  coumarin  species,  the  presence  of  oxygen  and 

concentration effect was assessed. 

 

105  

In Figure 3.21  it can be  seen  that  the oxygen presents  little effect on  the decay  time of  the  transient 

absorbing at 500 nm. The recovery at 390 nm however, shows a small oxygen effect on the decay times 

obtained. For the DEACM‐P recovery in the presence of oxygen a decay time of 29 μs was attained, while 

in nitrogen‐saturated solution a decay time of 56 μs was observed. Using the Stern‐Volmer equation[188] 

and considering the oxygen solubility in water of 2.8 × 10‐4 M,[184] a quenching rate constant of 5.9 × 107 

M‐1s‐1 was obtained. Quenching of  the  transient species by  reaction with molecular oxygen  in solution 

was  expected  to  be  diffusion‐limited,  and  consequently  with  a  value  next  to  109  ‐  1010 M‐1s‐1.  The 

concentration  effect was  also  assessed  for  Coumarin  1  and DEACM‐OH,  and  no  change  in  the  decay 

times was obtained. These results taken together indicate that the transient species absorbing at 500 nm 

is not triplet in nature, and there might be a transient species absorbing at 390 nm that corresponds to 

triplet‐triplet  absorption.  The  fact  that  this  transient  has  a  positive  OD  on  top  of  ground‐state 

coumarin  absorption  increases  the  difficulty  of  the  analysis  for  the  shorter  decay  times,  and 

consequently an  inequivocal assessment of  this  transient species’ nature. However,  the attention was 

focused on the transient species absorbing at 500 nm, corresponding to the  intermediary state  that  is 

directly  involved  in  DEACM  photochemistry,  so  the work  to  identify  the  nature  of  this  species was 

followed. 

 

 

106  

 

Figure 3.21 – Effect of oxygen on  the  transient spectra of Coumarin 1, DEACM‐OH and DEACM‐P. A) DEACM‐P recovery at 390 nm in the presence of oxygen (dark gray) and in nitrogen‐saturated solution (light gray), in water, with  excitation  at 355 nm. Black  lines  represent  the  fitting  attained using bi‐exponential  laws. Decay  times  are shown in B. B) Decay times of Coumarin 1, DEACM‐OH and DEACM‐P, in water, at 500 nm (left) and 390 nm (right), in the presence of oxygen (with O2) and in nitrogen saturated solutions (N2 sat). The decays at 500 nm were fitted using mono‐exponential  laws, and the decay times obtained at this wavelength were used as fixed parameter for the fitting of the shorter decay time in the decays at 390 nm, where bi‐exponential laws were used. 

 

 

The band shape of the transient species responsible for the absorption at 500 nm is similar to the triplet 

absorption of  the  related 7‐methoxycoumarin, 5,6‐dimethoxycoumarin  and 6,7‐dimethoxycoumarin  in 

phosphate buffer solutions.[189] Johnston and co‐workers[189,190] presented a study of photoionization of 

psolaren and coumarin derivatives under direct excitation and  triplet‐sensitized  reaction  in phosphate 

buffered  solutions.  Upon  direct  excitation  at  355  nm,  for methoxycoumarin  derivatives,  a  coumarin 

radical  cation  is  formed with absorption maximum  in  the 600 nm  region. This  transient decayed with 

mixed  kinetics with  a  decay  time  of  8  μs  and with  some  dependence  on  the  concentration  (Figure 

3.22).[191‐194]  

  

107  

 Figure 3.22 – Transient absorption spectra of 6,7‐dimethoxycoumarin. Transient obtained via direct excitation at 

355 nm (OD355 = 0.4) of oxygen‐saturated aqueous phosphate buffer (pH = 7.0) at delays of 1.4, 3.4, 13 and 35 μs after the laser pulse. Figure taken from [189]. 

 

 

No  spectral  changes were  found  associated with  the presence of  oxygen.  In  the  400‐500  nm  region, 

broad absorption bands were also observed, that were dependent on the presence of oxygen and were 

assigned  as  triplet‐triplet  absorption,  in  agreement  with  previous  reports.[191‐194]  In  the  presence  of 

oxygen  this band was  strongly quenched. One of  the  key  findings  for  the  assignment of  the 600 nm 

absorbing  transient  as  a  coumarin  radical  cation was  the presence of  a  sharp  absorption  at  700 nm, 

correspondent to a solvated electron ejected from the coumarin to solvent medium. 

 

On one hand, the transient species observed for the DEACM derivatives could not be identified as triplet‐

triplet  absorption  due  to  the  absence  of  quenching  by  oxygen.  On  the  other  hand,  the  absence  of 

concentration effect on the transients (within the studied concentration range), reported to be present 

in methoxycoumarin derivatives, prevent the classification of the transient as being the DEACM radical 

cation.   Also, the reported methoxycoumarin radical cation transient spectra are red‐shifted related to 

the DEACM  transients and with shorter decay  times  (8 μs vs. 270 μs). Although methoxy‐ and amino‐

coumarin  derivatives  are  closely  related  in  structure,  both  substituents  affect  coumarin  photophysics 

and photochemistry very differently (as indicated in Sections 1.4.2 and 1.4.3). For this reason it is hard to 

predict if the absorption wavelength and decay time differences suffice for ruling out the assignment of 

108  

the  transient  as  a DEACM  radical  cation. Thus,  the next  step was  to  search  for  the  solvated electron 

transient  absorption  at  700 nm,  since  this would  clearly  indicate  the presence  of  the DEACM  radical 

cation.  Flash photolysis  experiments of Coumarin 1, DEACM‐OH  and DEACM‐P  in water  and nitrogen 

saturated  solutions were conducted. Solutions of Coumarin 1 and DEACM‐OH  in acetonitrile, ethanol, 

dichlorometane  and  isopropanol  were  also  analyzed.  No  transient  at  700  nm  corresponding  to  the 

solvated electron was found (data not shown). Further studies on the characterization of the observed 

transients  are  necessary  to  identify  the  nature  of  the  intermediary  species  responsible  for  the 

photochemistry of DEACM‐P. 

 

 

3.5. Characterization of DEACM‐ATP Caged Nucleotide  

The absorption and emission spectra of DEACM‐ATP in 10 mM Tris‐acetate buffer, pH 8.2, are presented 

in Figure 3.23. The absorption and emission spectra of DEACM‐OH and DEACM‐P in the same conditions 

are also shown for comparison. 

 

 Figure  3.23  – Absorption  (full  lines)  and  emission  (dashed  lines)  spectra of DEACM‐OH  (light  gray), DEACM‐P (dark gray) and DEACM‐ATP (black) solutions. Spectra were taken in 10 mM Tris‐acetate, pH 8.2. Emission spectra were obtained through excitation at 385 nm, and are normalized for their fluorescence quantum yield. 

 

 

109  

The absorption spectrum of DEACM‐ATP is characterized by two absorption bands, with maxima at 393 

nm and 251 nm. The higher absorptivity in the UV region is due to the superimposition of the coumarin 

and adenine absorption bands. When compared  to DEACM‐OH and DEACM‐P, a slight  red‐shift of  the 

long wavelength  absorption  band  is  observed  ‐  8  nm  and  5  nm,  respectively.  The  long wavelength 

absorbing  band  also  presents  a  lower  extinction  coefficient  than  the  other  DEACM  derivatives.  The 

emission spectrum of DEACM‐ATP is characterized by a single emission band, with maximum at 498 nm, 

approximately  the  same  observed  for  DEACM‐OH  and  DEACM‐P.  The  fluorescence  quantum  yield, 

however, is considerably higher at this pH value (0.261 vs. 0.079 and 0.092 for DEACM‐OH and DEACM‐P, 

respectively). 

 

In Figure 3.24 is shown the spectrophotometric titration of DEACM‐ATP in 10 mM Tris‐acetate buffer. A 

similar profile from DEACM‐OH and DEACM‐P absorption spectra was found, although a pKa of 2.3 was 

determined (for the other DEACM derivatives, a pKa of 3.2 was found). The observed disappearance of 

absorption at higher acidic values  is due  to  the protonation of  the 7‐amine  that  leads  to an effective 

blockage of the charge transfer between the 7‐diethylamino group and the coumarin ring, responsible 

for the  low wavelength absorption  (as previously reported  for DEACM‐P and DEACM‐OH – see Section 

3.2) 

 

  

Figure 3.24 – DEACM‐ATP spectrophotometic titration in 10 mM Tris‐phosphate buffer. A) Absorption spectra at each pH value  ranging  from 1.2  to 10.4 with  increasing addition of NaOH. Total DEACM‐ATP concentration used 

was 5.3 μM. B) Normalized absorbance at 395 nm (dots) and fitting for the equilibrium between two species (line; see Equation 15). 

 

 

110  

For  DEACM‐P  it was  observed  that  phosphate  group  protonation  equilibrium  did  not  interfere with 

ground‐state properties of the coumarin chromophore, as the same absorption spectra and 7‐amine pKa 

value was found for both DEACM‐OH and DEACM‐P. For DEACM‐ATP, however, a red‐shift in absorption 

and a considerable lowering of the 7‐amine protonation pKa was observed, suggesting the presence of a 

ground‐state  association  between  the  coumarin  molecule  and  the  ATP  moiety,  not  present  when 

phosphate is the “leaving” group. Additionally, no isosbestic point was obtained at 325 nm. 

 

 

  Figure 3.25 – Acid‐base equilibria of adenosine triphosphate.[181] 

 

 

The  fluorescence  titration of DEACM‐ATP  in 10 mM Tris‐acetate buffer  (with excitation at 325 nm)  is 

shown  in Figure 3.26. The emission variation profile is considerably different than the one obtained for 

the spectrophotometric  titration.  In  the case of DEACM‐P was observed  that  the equilibrium between 

DEACM‐HPO4‐  and DEACM‐PO4

2‐  influenced  coumarin  fluorescence  quantum  yield.  For DEACM‐ATP,  a 

more complex system should be considered due to the multi‐protonation states of the ATP moiety (see 

Figure 3.25).[181]  

 

A  first  increase  in  fluorescence  is  obtained with  an  associated  pKa  of  2.3.  As  previously  seen  in  the 

spectrophotometric  titration,  this pKa  corresponds  to  the 7‐amino deprotonation.  Then,  the  emission 

variation could only be fitted to a system involving an additional 4 prototropic species. Three additional 

pKa values were estimated: 2.9, 3.1 and 4.7.  

 

 

111  

 Figure 3.26 – DEACM‐ATP  fluorimetric  titration  in 10 mM Tris‐phosphate buffer. A) Emission  spectra obtained with  excitation  at  325  nm  at  each  pH  value  ranging  from  1.5  to  10.4.  B)  Normalized  fluorescence  intensities obtained by  integrated emission area (dots) and fitting for the equilibrium between five prototropic species (line; see  Equation  18).    C)  Prototropic  species  distribution  as  function  of  pH  (left)  and  correspondent  pKa  values estimated from fluorimetric titration and fitting of Equation 18 (right). 

 

 

The exact assignment of each pKa to an equilibrium between two DEACM‐ATP species, and determined 

through  fluorescence  titration,  is  not  possible with  the  presented  data.  Direct  comparison with  ATP 

equilibrium  can  be  misleading  since  in  DEACM‐ATP  an  additional  ester  group  is  present  in  the  

γ‐phosphate, possibly  introducing  considerable  changes  in  triphosphate acidity  (as previously  seen  for 

DEACM‐P). Moreover, the shift observed in deprotonation pKa of the 7‐diethylamino group indicates an 

association between DEACM and ATP, which can bring further uncertainty to the assignment. However, 

at  physiological  pH  values  (6‐8),  DEACM‐ATP  is  expected  to  be  fully  deprotonated,  simplifying  our 

analysis regarding the photochemistry behavior of DEACM‐ATP at the referred pH values. 

 

112  

Time  resolved  fluorescence  spectroscopy  of  DEACM‐ATP  in  10  mM  Tris‐acetate  buffer  originated 

fluorescence decays well fitted to a bi‐exponential law with medium decay times of 560 ps and 1.57 ns, 

which do not change with the pH between 4.5 and 8.7 (Table 3.2). 

 

 

Table 3.2 – Decay times of DEACM‐ATP as function of pH, in 10 mM Tris‐acetate buffer. Decay times determined by  fitting  of  a  bi‐exponential  decay  law.  The  amplitudes  presented  are  normalized.  Average  decay  times  and amplitudes for each component are presented. 

pH  τ1 (ns)  τ2 (ns) Amplitude Transient 1 

Amplitude Transient 2 

4.47  0.58  1.65  0.60  0.40 

7.31  0.54  1.57  0.62  0.38 

7.94  0.54  1.49  0.50  0.50 

8.67  0.57  1.56  0.56  0.44 

Average  0.56 ± 0.02  1.57 ± 0.04  0.57 ± 0.06  0.43 ± 0.06 

 

 

At  pH  4.5  the  major  species  present  in  solution  is  the  DEACM‐HATP2‐,  while  at  higher  pH  values  

DEACM‐ATP3‐  is the sole species present  in solution, according to the steady state fluorimetric titration 

fitting.  Both  species  seem  to  present  the  same  decay  times, within  experimental  error, which  is  in 

agreement with the plateau found  in the titration. For the DEACM‐ATP3‐ no changes  in decay times are 

observed  with  increasing  pH  values.  Two  of  the  observed  features  for  DEACM‐P  excited  state 

deactivation are not observed  in the DEACM‐ATP case:  i) the two decays present are not associated to 

two prototropic species;  ii) No component with pH dependence  is present. Moreover,  it  is observed a 

much longer decay component within the nanosecond range, which was not found for DEACM‐P. 

 

As  referred  in  Section  1.4.2,  7‐diethylaminocoumarines  in  high  polar  protic  solvents  present  Twisted 

Intramolecular Charge Transfer (TICT) deactivating states. In solvent conditions such as water, a decrease 

in  the molecule’s  lifetime associated  to a drastic  reduction  in  fluorescence quantum yield  is observed. 

The  TICT  state  is  achieved  through  a  rotation  of  the  amine  non‐bonding  electron  pair  out  of  the 

coumarin  ring  plane,  leading  to  complete  charge  separation.  Associated  to  this  rotation,  vibronic 

coupling between ground and excited state vibration modes occurs, triggerring an efficient non‐radiative 

deactivating pathway. 

113  

 

As mentioned previously,  the  red‐shift  in absorption observed  for DEACM‐ATP when compared  to  the 

other DEACM derivatives, and  the considerable shift  in  the 7‐amine pKa, points  to  the presence of an 

interaction in the ground‐state between the coumarin ring and the ATP moiety. The larger fluorescence 

quantum  yield  and  longer  decay  times  (in  the  nanosecond  range,  not  observed  for  DEACM‐OH  and 

DEACM‐P)  indicates  that  this  association  also  affects  excited  state  behavior  of  DEACM‐ATP.  A  fair 

assumption  can  be  made  that  the  interaction  between  coumarin  and  ATP  is  a  ground‐state 

intramolecular association between the coumarin and the adenine ring in ATP moiety. The presence of a 

“sandwich” conformer, formed through stacking of the two rings, might be responsible for leading to a 

change  in  coumarin  long‐wavelength  absorption,  and  consequently  the  observed  red‐shift.  Also,  the 

presence of this sandwich conformer should  impair 7‐diethylamino group rotation  in the excited state, 

which would  lead  to a decrease  in  the TICT non‐radiative pathway. As a consequence, a  less efficient 

non‐radiative pathway would  increase significantly the  fluorescence quantum yield, and  lead to  longer 

lifetimes, as observed in DEACM‐ATP. From the amplitudes taken from the decay times, circa 40% of the 

total DEACM‐ATP  is present as  the sandwich conformer,  in 10 mM Tris‐acetate buffer. Hagen and co‐

workers[112,172] reported that for cAMP and cGMP caged nucleotides with 7‐aminocoumarin derivatives, 

different  photochemical  quantum  yields  for  the  isomers  (axial  or  equatorial,  at  the  phosphate  –  4‐

methylcoumarin  bond) were  found. When  comparing  the  photochemistry  of  two  isomers,  both  the 

coumarin derivative and the  leaving group are the same, thus this observation cannot be attributed to 

different  stabilization  of  the  carbocation  intermediate  species.  A  satisfactory  explanation  for  this 

observation couldn’t be presented. However,  the presence of a ground‐state association between  the 

adenine (or guanine) base and the coumarin chromophore, different in nature or yield between the two 

isomers,  could  account  for  the  differences  reported.  The  caged‐cyclic  nucleotides  present  efficient 

photochemical  deactivation, where  non‐radiative  processes  play  a minor  role  in  overall  excited  state 

deactivation. This might also be the reason why the difference between isomers photochemical quantum 

yield is not as pronounced as for the DEACM‐ATP vs. DEACM‐P case. 

 

Photochemical quantum yields of DEACM‐ATP were measured in 10 mM Tris‐acetate buffer, at pH values 

between  4.3  and  8.7.  The  yield  of  disappearance  of DEACM‐ATP  and  formation  of DEACM‐OH were 

measured, and are presented in Figure 3.27.  

 

 

114  

 Figure 3.27 – Photochemical quantum yield of DEACM‐ATP disappearance ( ) and DEACM‐OH production ( ) as function  of  pH.  Data  colectect  in  10 mM  Tris‐acetate  buffer  and  irradiation  at  390  nm.  In  gray  full  lines  are represented  the mole  fractions of DEACM‐HATP2‐  (major  species at acidic pH  values) and DEACM‐ATP3‐  (species present  at  higher  pH  values),  determined  through  the  DEACM‐ATP  fluorometric  titration  (see  Figure  3.24  for details). 

 

 

Results  show  that  the  yield  of  disappearance  of  DEACM‐ATP  is  higher  than  the  one  for  DEACM‐OH 

appearance, for all the pH values studied. These results are  in clear disagreement with the mechanism 

proposed  for  4‐methylcoumarin  ester  derivatives  photochemistry,  as  for  each  DEACM‐ATP molecule 

cleaved  it  was  expected  to  be  formed  one  DEACM‐OH  molecule  as  photoproduct.  Moreover,  the 

quantum yield of DEACM‐OH formation is constant in the pH range studied, while the quantum yield of 

DEACM‐ATP cleavage seems to increase at higher pH values. The absence of changes in decay times with 

the pH impairs the establishment of a correlation between the DEACM‐P and DEACM‐ATP cases. 

 

In order  to  further  clarify  the observed  results, quantum  yields of disappearance of DEACM‐ATP, and 

appearance of DEACM‐OH and ATP were determined in Tris‐acetate buffer, pH 8.2 through irradiation at 

390 nm (Figure 3.28). 

 

 

115  

 Figure  3.28  –  Photochemical  quantum  yields  of  DEACM‐ATP  disappearance,  and  DEACM‐OH  and  ATP appearance. Irradiations were performed with 390 nm light, in 10 mM Tris‐acetate buffer, pH 8.0. Values indicated were  averaged  after  triplicate  photochemical  quantum  yield  determination  and  error  bars  represent  standard deviation from average value. 

 

 

Results  confirm  that  DEACM‐ATP  disappearance  quantum  yield  is  approximately  the  double  than 

DEACM‐OH formation quantum yield. The ATP formation quantum yield is also considerably smaller than 

DEACM‐ATP  disappearance,  and  within  the  same  range  as  DEACM‐OH  formation.  For  each  two  

DEACM‐ATP molecules  cleaved, only one  generates DEACM‐OH  and ATP  as  final products. Moreover, 

DEACM‐OH and ATP formation quantum yield is approximately the same as the photochemical quantum 

yield  obtained  for  DEACM‐HPO4‐  species.  Decay  time  experiments  indicate  that  the  percentage  of 

sandwich  conformer  is estimated  to be 40%. Although  it  is  tempting  to establish  the hypothesis  that 

irradiation of DEACM‐ATP  in the sandwich conformation gives rise to a different product, due probably 

to  the  association  between  DEACM  and  adenine  ring,  no  experiments  were  performed  to  test  this 

hypothesis.  Chronologically,  this  set  of  experiments  was  performed  last,  without  being  possible  to 

further  investigate this  important finding. HPLC particular conditions for the separation of DEACM‐ATP, 

DEACM‐OH  and  ATP  in  the  same  run  yielded  high  background  noise  results,  especially  in  the  UV 

monitoring wavelength.  This  fact  certainly  accounts  for  the  difference  between DEACM‐OH  and ATP 

formation quantum yields. Also, under the separation conditions used, no other coumarin product was 

detected, which does not exclude its existence. 

 

 

116  

   

117  

  

 

CHAPTER 4. Light Activated in vitro Transcription Reactions        

118  

4.1. Using Light to Control the Synthesis of RNA Part of this work was published in Nucleic Acids Research, 2008, Vol. 36, No. 14 e90  

As referred earlier  (see Sections 1.3.2.4 and 1.3.3.4), coumarins have been thoroughly used to control 

nucleic acids reactions through light chapter. However, so far, no application regarding direct activation 

of nucleic acids synthesis using nucleotides as caged molecules had been reported. The results leading to 

the proof‐of‐concept ‐ achieve sequence control through light ‐ is presented in this section. 

 

 

  Figure 4.1 – Photolysis of DEACM‐ATP and ATP release. A) Structure of DEACM‐ATP and respective photoproducts. After irradiation with 390 nm light, the ester bond between DEACM and ATP is cleaved, generating DEACM‐OH and free  ATP.  B)  Representation  of  the  light‐controlled  transcription  process.  ATP  (gray  circle)  is  not  available  as substrate  for  transcription due  to efficient caging by DEACM  (black ellipse).  Irradiation with visible  light  releases ATP (a) allowing transcription to be resumed (b), yielding full‐length RNA products. RNA polymerase is represented by a gray pacman. 

 

 

The synthesis of RNA requires four different nucleotides (ATP, GTP, CTP and UTP), and in absence of any 

one of them chain elongation  is halted, and RNA synthesis terminated. RNA Polymerase  is unable (to a 

certain  limit)  to  introduce  an  alternative  nucleotide  that may  lead  to wrong Watson‐Crick  base  pair 

formation. This way, using DEACM‐ATP as  the  sole  source of ATP  in an  in vitro  transcription  reaction, 

polymerization might be blocked as  long as DEACM  is bonded  to  the γ‐phosphate group of ATP. Light 

119  

irradiation  releases ATP and  transcription can be  resumed  (Figure 4.1). DEACM  release  through visible 

light irradiation prevents UV associated nucleic acid and protein damage. In order to provide full control 

over  the process, conditions  involved  in substrate  release, nucleotide availability after  release and the 

effect of the released coumarin in RNA polymerization were assessed in further detail. 

 

 

4.1.1. DEACM‐ATP Irradiation Profiles  

Following  to  the  photochemical  characterization  of  DEACM‐ATP  (presented  in  Section  3.5),  it  was 

imperative to find a common ground for the requirements of photochemical experiments and biological 

reactions, that are often different from the ones required for determination of quantum yields or time‐

resolved  fluorescence  studies.  The  first  hurdle  in  this  technology  transfer  was  the  DEACM‐ATP 

concentration  range.  For photochemical  studies,  the  concentration of DEACM‐ATP used  (1  to 10 μM) 

was  low  to prevent  internal  filter effect or  reabsorption due  to  the high extinction  coefficient of  the 

DEACM chromophore. For the in vitro transcription reaction, it is recommended to use at least 2 mM of 

ATP,[50] which would increase the solution’s absorption to 30. Also, DEACM‐ATP and DEACM‐OH present 

the same absorption spectra, thus as DEACM‐ATP is cleaved, DEACM‐OH competes for light absorption. 

For this reason, photochemical quantum yields of DEACM‐ATP were determined for a maximum cleavage 

of 15‐20%. In a light‐controlled in vitro transcription reaction, DEACM‐ATP is expected to be photolyzed 

quantitatively, so the photochemical quantum yield is progressively reduced with increasing DEACM‐OH 

concentration. To  characterize  the  transcription  system,  irradiation profiles are necessary  rather  than 

quantum yields. 

 

The  first  step was  to  study  a  scale  up  of  DEACM‐ATP  concentration  and  its  influence  on  irradiation 

profiles.  The  ATP  release  profile with  irradiation  time was measured  in water,  pH  7.0,  for  different 

concentrations  of  caged‐ATP  (Figure  4.2).  The  increase  in  caged  nucleotide  concentration  leads  to  a 

significant  decrease  of  the  initial  photochemical  yield.  An  important  practical  implication  is  that  for 

higher DEACM‐ATP  concentrations,  longer  irradiation  times are needed  to attain  the  same  fraction of 

free ATP. For  low concentrations of DEACM‐ATP, quantitative  release of ATP can be attained  in a  few 

minutes  (for 90% conversion, 10 minutes  irradiation of a 50 µM solution or 15 minutes  for a 100 µM 

solution).  For  higher  concentrations  of  DEACM‐ATP,  however,  quantitative  release  of  ATP  is  time‐

consuming and the large irradiation times seriously compromise biological applications. 

120  

  Figure  4.2  –  Irradiation  profiles  of  four  different  concentrations  of DEACM‐ATP  in water,  pH  7.0. DEACM‐OH molar fraction obtained after discrete irradiation times (using 390 nm light) were determined by HPLC (see Section 2.3.5). 

 

 

This  concentration quenching  effect  is  an  important drawback,  as  for  quantitative  release with  short 

irradiation  times  diluted  solutions  of DEACM‐ATP  are  necessary, which  decrease  the  amount  of  RNA 

produced, and consequently hampering its detection and analysis. 

 

 

4.1.2. Light Activated in vitro Transcription  

For  in vitro transcription, and to avoid  long  irradiation times, 50 µM of a ribonucleotide mix (CTP, UTP 

and  GTP)  was  employed.  To  the  control  series,  ATP  was  added  to  each  sample  in  increasing 

concentrations  to  a  maximum  of  50  μM.  The  polymerization  reactions  were  then  analyzed  in  a 

denaturing  polyacrylamide  gel  ‐  Figure  4.3‐A.  In  the  absence  of  ATP,  no  transcription  product  was 

detected. With  increasing  ATP  concentrations,  increasing  amount  of  transcription  product  could  be 

detected. Direct relation between ATP concentration and product quantity was observed, indicating that 

the nucleotide concentration is the limiting factor of product formation. For the test series, DEACM‐ATP 

was used as sole source of ATP  (Figure 4.3‐B), to a  final concentration of 50 μM  in all samples.  In the 

absence of  irradiation, only  residual amounts of  full  length RNA product were detected. This  indicates 

121  

that the DEACM group can efficiently  impede ATP  incorporation, although a small  leakage  is observed. 

Whether  the  residual  incorporation  is due  to baseline  light  illumination  (used  in  the course of sample 

manipulation) or due to  low caged‐ATP  incorporation could not be assessed. After  irradiation with 390 

nm light, full‐length RNA product could be readily detected, indicating that ATP was efficiently released 

from  DEACM  and  subsequently  incorporated  in  a  growing  RNA  strand. When  comparing  the  results 

obtained for control and test series, no difference in transcript size could be observed. 

 

 

  Figure 4.3 – In vitro transcription using DEACM‐ATP. A) Denaturing PAGE analysis of in vitro transcription reaction 

with 50 µM of CTP, GTP and α‐32P‐UTP.  Increasing ATP concentrations were employed  for each  sample,  ranging from 0 µM (right  lane) to 50 µM (left  lane). B) Denaturing PAGE analysis of  in vitro transcription reaction with 50 

µM of CTP, GTP, α‐32P‐UTP and DEACM‐ATP. Each sample was subjected to increasing irradiation times, from 0 min (right lane) to 35 min (left lane). Released DEACM‐OH concentrations were determined by HPLC (see Section 2.3.2) and the correspondent released ATP concentrations are expected (see Section 3.5). 

 

 

122  

Taken together, these results constitute the proof‐of‐concept that DEACM can be used to cage ATP  in 

light‐activated transcription reaction. Moreover, with  increasing  irradiation times,  leading to  increasing 

amounts  of  cleaved  DEACM‐ATP  and  consequently  higher  ATP  concentration,  higher  quantity  of 

transcription product was attained. The  increase  in transcription products reaches  its maximum after 8 

minutes of  irradiation at 390 nm, corresponding  to  the  formation of 33 μM of DEACM‐OH. For higher 

irradiation  times,  formation  of  lower  quantities  of  RNA was  detected.  Nevertheless,  considering  the 

concentration range up to 30 μM, similar transcription yields could be  found  for both control and test 

series. 

 

  Figure  4.4  –  Relative  quantification  of  full‐length  transcription  products  as  function  of  ATP  released  after  DEACM‐ATP  irradiation.  Transcript  quantification  by  RT‐Real‐time  PCR  as  function  of  DEACM‐ATP  cleaved concentration. Relative product quantity was normalized  in  relation  to  the  sample  showing  the highest product quantity (25 µM ATP) (see Section 2.4.3). 

 

 

Confirmation that full‐length specific transcripts were attained was shown by RT‐Real‐Time PCR, which 

also allowed  for product quantification. This step takes advantage of a sequence specific amplification 

primer (E7p53Rev primer – see Section 2.4.1), which hybridizes to the RNA chain at  its 3’ end, allowing 

for a clear distinction between non‐specific or truncated transcription and full‐length specific products. 

The relative amount of  initial template  in each sample was determined as a ratio with the sample with 

the  highest  product  quantity  –  25  µM  of  released  ATP  (values  obtained  directly  relate  to  quantities 

generated  in  transcription)  ‐  see  Figure  4.4.  Amplification  products  were  additionally  submitted  to 

123  

melting  curve  analysis  and  a dispersion of  less  than  0.5°C was obtained  for  the DEACM‐ATP  samples 

(data not  shown).  These  results  clearly  show  that  specific  full‐length RNA  is quantitatively  generated 

after ATP photo‐release. Once again, a direct relation between transcript production and released ATP 

occurs  up  to  a  certain  concentration  of  ATP  (ca.  25  –  30  µM),  after  which  a  decrease  in  product 

formation is observed.  

 

 

4.1.3. Inhibition Effect of DEACM‐OH  

From the results presented above, the presence of an inhibitory effect within the reaction was detected, 

indicating  that  a  photolysis  by‐product  formed  during  DEACM‐ATP  irradiation  interferes  with 

transcription. The cause of such hindrance  seemed  to be  the DEACM‐OH generated after DEACM‐ATP 

photocleavage.  Clearly,  DEACM‐ATP  itself  does  not  impede  transcription,  as  at maximal  DEACM‐ATP 

concentration (before irradiation), residual transcription can still be detected (Figure 4.3‐C). ATP released 

from caged‐precursors suffers no chemical alteration (see, e.g. [116,172] and references therein), which 

in  the  present  case  is  evidenced  by  successful  initiation  of  transcription.  Conversely,  for  each  ATP 

molecule released one molecule of DEACM‐OH is formed, after photolysis of DEACM‐ATP.  

 

 

 Figure 4.5 – Effect of DEACM‐OH in transcription reactions. Transcription levels in reactions containing unmodified ATP, CTP, GTP and UTP in presence of increasing DEACM‐OH concentrations. Transcription products were analyzed in a 3% agarose gel in TBE buffer and stained with ethidium bromide. 

 

 

To test the hypothesis that DEACM‐OH is responsible for the transcription product inhibition, increasing 

DEACM‐OH  concentrations were  used  in  samples  containing  a mixture  of  50 μM  of  the  four  natural 

nucleotides (Figure 4.5). Results show that increasing concentrations of DEACM‐OH above 25 μM lead to 

124  

decreasing  transcription yields. For concentrations above 100 µM DEACM‐OH, no  transcript  formation 

was  observed. No  change  in  product  length was  detected,  or  the  appearance  of  other  transcription 

products. Results clearly indicate that the presence of high DEACM‐OH concentration is the responsible 

for decrease in transcription product yield. 

 

In order to bring further understanding to the underlying mechanism of DEACM‐OH  inhibition, steady‐

state  fluorescence  spectroscopy  studies were performed. To a diluted DEACM‐OH  solution  (2.3 μM  in  

10 mM  phosphate  buffer,  0.1 M  sodium  chloride,  pH  7.0),  200  ng  of DNA  template was  added. No 

changes  in  emission  spectrum were  found  after  DNA  addition  (Figure  4.6‐A). However,  fluorescence 

spectra of a DEACM‐OH solution after the addition of T7 RNA polymerase (and no DNA) shows a 2 nm 

red‐shift  and  a  20%  decrease  of  fluorescence  quantum  yield  (Figure  4.6‐B).  The  spectral  changes 

observed in DEACM‐OH fluorescence after addition of T7 RNA polymerase indicates that DEACM‐OH is in 

a different molecular environment (solvatochromic effect – see Section 1.4.2). This observation suggests 

a partition of DEACM‐OH into the protein, which is accountable for the spectral change. These results do 

not allow a full assessment of the nature of the interaction between coumarin and protein. But one fact 

remains ‐ it seems to be responsible for enzyme inhibition. 

 

 

 Figure 4.6 – Effect of DEACM‐OH presence in transcription reactions. A) Emission spectra of DEACM‐OH (2.3 µM, 

black  line) and DEACM‐OH in presence of DNA template (3 ng/μL, gray line). In the presence of DNA template no changes in the DEACM‐OH emission spectrum are observed. B) Emission spectra of DEACM‐OH (2.3 µM, black line) 

and DEACM‐OH  in presence of T7 RNA Polymerase  (1.5 U/μL, gray  line). The addition of the T7 RNA Polymerase leads to a 2 nm red‐shift and a 20% decrease in the fluorescence quantum yield. Both spectra were performed in 10 mM Phosphate buffer, pH 7.0 + 0.1 M NaCl and excitation at 385 nm. 

  

125  

Coumarin  derivatives  are  known  for  their  antibiotic  characteristics,  particularly  interacting with DNA 

gyrases. These bacterial enzymes belong to the topoisomerase  family,  involved  in DNA  replication and 

transcription  (for  a  review  see  [195]).  The  Escherichia  coli  DNA  gyrase  is  a  type  II  topoisomerase 

catalyzing the negative supercoiling of the closed‐circular DNA, a function essential for DNA replication 

and transcription in prokaryotes. Since this is an energetically unfavourable process, the enzyme requires 

ATP as cofactor  for activity.[196] The target  for the coumarin‐based antibiotics  is the ATP binding site  in 

subunit B, where  the coumarin derivatives compete  for the binding site with ATP molecule.[197‐200] The 

more  thoroughly  studied  coumarin  derivatives  as  inhibitors  of  DNA  gyrase  activity  are  the 

aminocoumarin antibiotics  clorobiocin, novobiocin, and  coumermycin A1, which are  structurally more 

complex than DEACM (Figure 4.7).[198]  

 

 

  Figure 4.7 – Molecular  structure of Clorobiocin, Novobiocin and Coumermycin A1. Coumarin  ring(s) present  in each molecule is highlighted in gray. 

 

 

One might speculate that the interactions governing the ATP recognition in DNA gyrase might be similar 

in nature than the ones found in DNA and RNA polymerases. Considering the same inhibition mechanism 

for DEACM‐T7 RNA polymerase would be a  fair starting point  for further  investigations. Moreover, the 

experimental  evidence  showing  that  transcription  product  length  is  not  affected  by  DEACM‐OH 

126  

concentration indicates the absence of an irreversible inhibition process. If a DEACM‐OH molecule binds 

irreversibily  to  the polymerase active site during elongation,  the outcome would be a premature RNA 

chain termination. A competitive inhibition mechanism should lead to a slower elongation rate (seen as a 

reduction of product yield for the same reaction time), that under certain limits would not lead to chain 

termination. 

 

Curiously, DEACM‐OH presents a poor solubility  in water (between 10‐4 M and 10‐5 M), which could be 

the driving force for the observed partition and resulting inhibitory effect over T7 RNA Polymerase. The 

partitioning to a more apolar protein medium however, does not account for the observed red‐shift and 

decrease  in fluorescence quantum yield.  In fact, the exactly opposite effect would be expected (due to 

decrease of TICT deactivation state efficiency). Further studies on  the DEACM‐OH/T7 RNA Polymerase 

interaction  are  required  to  fully  understand  this  inhibitory  effect.  From  a  practical  approach,  this 

inhibitory effect  limits  the concentration  range of DEACM‐ATP  that can be used  for  light controlled  in 

vitro transcription reactions. 

  

4.2. Suppression of DEACM‐OH Inhibition in Light‐controlled in vitro Transcription Reactions  Part of this work was published in the Journal of Photochemistry and Photobiology – Chemistry, 2010, 213, 147‐151.  

The inhibitory effect observed for high DEACM‐OH concentrations to in vitro transcription reactions was 

associated  to  the  interaction  of  the  coumarin  molecule  and  the  T7  RNA  Polymerase.  The  relation 

between DEACM‐OH saturation concentration and  inhibition threshold  led to the  idea that coumarin’s 

poor water  solubility might be  a driving  force  in  the  inhibition mechanism.  If  this  hypothesis  is  true, 

increasing  DEACM‐OH  solubility  would  ultimately  lead  to  a  decrease  in  inhibition  effect  (or  higher 

threshold concentration). In order to circumvent the low coumarin solubility issue, first Furuta and then 

Hagen presented a strategy in which acetate groups were added to 6‐ and 7‐methoxy‐4‐methylcoumarin 

moiety.  Due  to  their  anionic  characteristics  at  physiological  pH,  the  presence  of  the  acetate  groups 

increases considerably the coumarin water solubility.[71,114] Although it might constitute a robust process 

for increasing solubility and thus reducing the inhibition, it requires additional synthesis steps, on top of 

an already complex synthetic route. Moreover, the water‐soluble coumarins presented are derivatives of 

127  

6‐  and  7‐methoxy‐4‐methylcoumarin,  which  present  a  blue‐shifted  absorption,  lower  extinction 

coefficients and lower photochemical quantum yields, when compared to DEACM. 

 

An alternative supramolecular approach was devised to decrease the inhibitory effect of water insoluble 

DEACM photo‐by‐products  in enzymatic  reactions. The overall strategy was based  in  the addition of a 

molecule  (or  macro‐molecule)  with  a  hydrophobic  cavity  that  seizes  the  DEACM‐OH  formed  after 

photolysis.  This  way,  DEACM‐OH  could  be  sequestered  by  the  scavenger  molecule,  rather  than 

partitionate  into the T7 RNA Polymerase. There are three requirements for the accomplishment of this 

strategy:  

 

i) The  presence  of  the  scavenger  molecule  should  not  cause  inhibition  of  the 

transcription reaction itself,  

ii) The scavenger molecule should present a high association constant with DEACM‐OH, 

and  

iii) The scavenger molecule should not interfere with DEACM‐ATP photochemical release.  

 

Two classes of possible scavengers were considered: β‐lactoglobulin and cyclodextrins.  

 

4.2.1. β‐Lactoglobulin  

The  first  class of potential  scavenger  studied was  the β‐lactoglobulin,  a  small water  soluble 18.4  kDa 

protein member of the  lipocalin protein family.  Its 162 amino acid residues fold up  into an 8‐stranded, 

antiparallel  β‐barrel with a 3‐turn  α‐helix on  the outer  surface and  a ninth  β‐strand  flanking  the  first 

strand (Figure 4.8).  In physiologic conditions (pH and  ionic strength), the β‐lactoglobulin  is present as a 

dimer.[201]  To  date,  no  clear  physiological  function  for  the protein has  been defined  although  several 

suggestions have been made. Because β‐lactoglobulin belongs  to  the  lipocalin  family, a  transport  role 

has been suggested by analogy to other family members whose function is known.[202] Several studies of 

association  between  β‐lactoglobulin  and  hydrophobic molecules were  thoroughly  published,  such  as 

retinol,  lauric and palmitic acid, SDS, Tween 20,  retinoic acid, cis‐parinaric acid,  toluene, bromophenol 

blue,  vitamin  D2  and  cholesterol  (for  a  review,  please  see  [203]  and  references  therein).  Crystal 

structures  of  β‐lactoglobulin with  cholesterol  and  vitamin D2  indicates  that  the  hydrophobic  part  of 

these molecules  is buried  inside  the protein  cavity,  although  there  is no  clear proof of  this  fact.  The 

128  

opening of the hydrophobic cavity is blocked by a  loop that acts as a gate over the binding site. At  low 

pH, it is in the “closed” position, and binding is inhibited or impossible, whereas at high pH it is “open”, 

allowing  ligands  to penetrate  into the hydrophobic binding site. The “latch”  for  this gate  is Glu89,  the 

residue implicated in the Tanford transition observed, as having an abnormally high pKa.[204] Pronchik and 

co‐workers[205] reported the inclusion of the water‐insoluble Coumarin 153 in β‐lactoglobulin cavity. This 

study  led  to  the  idea  that  incorporation of DEACM‐OH might be possible. Moreover,  at  transcription 

reaction pH (pH = 8.0), β‐lactoglobulin is in its open form, suitable for host inclusion. 

 

 

  

Figure  4.8  –  Crystal  structure  of  β‐lactoglobulin  complexed  with  a  cholesterol  molecule  in  the  protein’s hydrophobic cavity. Figure adapted from [201]. 

 

 

In  order  to  determine  the  effect  of  the  β‐lactoglobulin  presence  in  a  normal  in  vitro  transcription 

reaction, increasing amounts of scavenger were added (Figure 4.9). 

 

 

129  

  

Figure  4.9  ‐  Effect  of  the  presence  of  β‐lactoglobulin  in  transcription  reactions.  Increasing  β‐lactoglobulin concentrations were used in regular in vitro transcription reactions, where the four natural nucleotides were used. 

Transcription  products  were  analyzed  in  a  3%  agarose  gel,  stained  with  GelRed™.  Increasing  β‐lactoglobulin concentrations lead to complete suppression of RNA synthesis. For low scavenger concentrations (up to 20 μM) a diffuse band can be observed corresponding to truncated transcription products. 

 

 

It can be observed that the presence of β‐lactoglobulin in the transcription reaction leads to a decrease 

in product quantity, accompanied by a decrease  in product  length. For β‐lactoglobulin concentrations 

higher than 20 μM no transcription product could be detected. The use of β‐lactoglobulin as a molecular 

scavenger,  to  reduce  DEACM‐OH  inhibition  effect was  consequently  discarded.  The  reason why  the 

presence of β‐lactoglobulin led to transcription inhibition is unknown. 

 

 

4.2.2. Cyclodextrins  

The second class of potential molecular scavengers to be studied was the cyclodextrin family. The more 

common  commercially  available  cyclodextrins  are  cyclic  oligosaccharide  composed  by  6,  7  or  8  

α‐D‐glucopyranose  units  (α‐,  β‐  or  γ‐cyclodextrin,  respectively),  forming  a  hydrophobic  cavity  that  is 

suitable  for  complexation  of  small  hydrophobic molecules.[144]  Considering  DEACM  short  axis  length 

(Figure 4.10), β‐cyclodextrin was selected due to  its pore diameter  (5.0 Å vs. 7.8 Å,  for DEACM and β‐

cyclodextrin, respectively). The pore size of α‐cyclodextrin requires a close‐fit for DEACM complexation 

along its short axis (5.0 Å vs. 5.6 Å). γ‐cyclodextrin presents a 8.8 Å diameter cavity that could allow for 

complexation  through  the  coumarin’s  long  axis,  although  it would  require  7‐diethylamino  particular 

conformation in order for complexation to occur (DEACM longer axis of 9.2 Å). 

130  

  Figure 4.10 – DEACM derivatives  involved  in a  light  controlled  in vitro  transcription  reaction  (DEACM‐OH and DEACM‐ATP)  and  β‐cyclodextrin.  Potentially,  the  β‐cyclodextrin  has  the  ability  to  include molecules  of  organic 

compounds, such as the coumarin rings of DEACM derivatives,  into their hydrophobic cavities. The β‐cyclodextrin cavity has a 7.8 Å diameter  that  is suitable  to accommodate  the complexation of  the DEACM along  its  long axis (diameter 5.0 Å). Due to the larger long axis size of the coumarin ring (9.2 Å vs. 8 Å), and the presence of the ‐OH or ‐ATP moieties,  it  is expected the formation of a 1:1 complex, where the 7‐diethylamino benzene moiety  is  inside the cyclodextrin cavity. 

 

 

Due to the dynamic nature of the complexation equilibrium between DEACM‐OH and β‐cyclodextrin, the 

fraction of DEACM‐OH scavenged is directly dependent on the total β‐cyclodextrin concentration present 

in solution. It is desirable that a large excess of β‐cyclodextrin is present in the reaction, in order to drive 

the equilibrium  into the formation of complex rather than having high free DEACM‐OH concentrations. 

According  to  the  first  requirement,  the presence of  the  scavenger  shouldn’t hamper  the  transcription 

reaction.  To  assess  the  interference  effect  of  the  β‐cyclodextrin  presence,  increasing  amounts  of 

scavenger were added to a normal in vitro transcription reaction (Figure 4.11). 

 

It  can  be  observed  that  the presence of β‐cyclodextrin  does  not  affect  product  size.  Full‐length RNA 

products were  obtained  after  the  addition  of  up  to  500  μM  of  scavenger. Quantitatively,  at  higher  

β‐cyclodextrin concentrations, a small reduction in transcription product quantity was observed. At this 

point it is unclear what the origin of such reduction is. The observed 18% decrease in transcription level 

in  presence  of  500  μM  of  β‐cyclodextrin,  albeit  undesirable,    is  still  considerably  less  than  what  is 

observed for DEACM‐OH (>90% decrease for the same concentration). 

 

131  

  

Figure  4.11  –  Effect  of  the  presence  of  β‐cyclodextrin  in  transcription  reactions.  Increasing  β‐cyclodextrin concentrations  were  used  in  regular  in  vitro  transcription  reactions,  with  the  four  natural  nucleotides.  A) Transcription products analyzed in a 12% non‐denaturing PAGE stained with GelRed™. B) Normalized transcription levels  taken  from pixel analysis of  the gel presented  in A. DNA  template band was used as  internal  standart  to 

minimize  illumination and gel  loading heterogeneities.  Increasing β‐cyclodextrin concentration does not  influence significantly  the  transcription  levels.  In  the  presence  of  500  μM  of  β‐cyclodextrin  only  an  18%  decrease  in transcription is observed. 

 

 

The next  step was  to assess  if  the β‐cyclodextrin was able  to  complex  the DEACM‐OH photoproduct. 

Addition of β‐cyclodextrin to  transcription buffer solution (50 mM Tris‐HCl, 6 mM MgCl2, 10 mM DTT, 30 

mM NaCl and 2 mM  spermidine)  containing 30 μM of DEACM‐OH  led  to a blue‐shift  in  the  coumarin 

emission maximum without  a  significant  change  in  the  fluorescence  quantum  yield  (Figure  4.12).  As 

discussed  previously,  solvent  polarity  significantly  affects  coumarin  relative  ground  and  excited  state 

energies,  leading  to  changes  in  absorption  and  emission  spectra  ‐  solvatochromic  effect  (see  Section 

1.4.2). Switching to a less polar solvent medium leads a blue shift in DEACM‐OH absorption and emission 

due to destabilization of highly polarized excited state. Thus, the blue‐shift in emission observed can be 

132  

associated  to  the  formation of a DEACM‐OH/Cyclodextrin complex, where  the  insertion of DEACM‐OH 

into the cyclodextrins’ cavity presents DEACM‐OH with a medium of lower polarity than bulk water. 

 

 

 Figure  4.12  –  Formation  of  DEACM‐OH/β‐cyclodextrin  complex.  Emission  spectra  (excitation  at  385  nm)  of 

DEACM‐OH, 30μM,  in  transcription buffer  (50 mM Tris‐HCl, 6 mM MgCl2, 10 mM DTT, 30 mM NaCl and 2 mM 

spermidine) with  increasing  β‐cyclodextrin  concentration  (0,  5,  10,  15,  20,  50,  75,  100,  200  and  500  μM).  As scavenger  concentration  is  increased,  a  blue‐shift  in  emission  is  observed  as  a  consequence  of  complexation 

between DEACM‐OH and β‐cyclodextrin, without significant change in fluorescence quantum yield. 

 

 

The  relative  concentrations  of  free  and  complexed  DEACM‐OH  can  thus  be  monitored  through 

fluorescence spectroscopy, and the association constant of Cyclodextrin/DEACM‐OH formation (defined 

by  Equation  30)  can  be  determined  experimentally  through  fitting  of  equation  31  developed  by 

Valeur[179] for a 1:1 complex. 

 

       Equation 30 

 

Where  [H]  is  the  cyclodextrin  host  concentration,  [G]  is DEACM‐OH  guest  concentration,  [HG]  is  the 

DEACM‐OH/Cyclodextrin  complex  concentration  and Ka  the  association  constant. The Valeur model  is 

based  on  a  1:1  Host‐Guest  (HG)  association  in  which  an  intensity  signal  (in  this  case,  fluorescence 

133  

emission) is proportional to the free guest species concentration. Plotting DEACM‐OH emission intensity 

at 570 nm  (wavelength at which  fluorescence  is due majorly  to  free DEACM‐OH  species emission) as 

function of β‐cyclodextrin host concentration and fitting Equation 31 through a non‐linear least squares 

analysis, the association constant can be calculated (Figure 4.13). 

 

             Equation 31 

 

 

  Figure  4.13  –  DEACM‐OH  fluorescence  emission  intensity  at  570  nm  ( )  as  function  of  

β‐cyclodextrin  concentration.  Valeur  model  curve  (black  line,  Equation  31)  fitted  by  non‐linear  least  square 

method  (r2  =  0.996), with  Ka  =  5000  ±  500  and  Ilim  =  88.  It  is  estimated  that  in  the  presence  of  500  μM  of  

β‐cyclodextrin, 79% of DEACM‐OH is in the complexed form. 

 

 

The experimental points obtained for the fluorescence intensity as function β‐cyclodextrin concentration 

of are well fitted by Equation 31, which corroborates the presence of a 1:1 complex formation. The Ka 

value of 5 × 103 M‐1 for the association constant between DEACM‐OH and β‐cyclodextrin, is comparable 

with  values  found  in  the  literature  for  the  association of β‐cyclodextrin with  several drugs  (102  ‐  104  

134  

M‐1),[206] much  higher  than  4‐trifluoromethyl‐7‐diethylaminocoumarin  (101 M‐1),[207]  half  of  the  closely 

related Coumarin 153 (104 M‐1)[208] and similar to 3‐carboxyl‐7‐diethylaminocoumarin (5 × 103 M‐1)[209]. 

 

Averting  inhibition  due  to  the  formation  of DEACM‐OH  photo‐product  requires  that  the  cyclodextrin 

scavenger  is  present  in  solution  prior  to  ATP  release.  Since  DEACM‐ATP  is  the  sole  DEACM  species 

present in solution before irradiation, this poses two additional questions: i) is DEACM‐ATP able to form 

a complex with β‐cyclodextrin, and  ii)  if  it does,  is  there any change  in photochemical properties  that 

might affect effective release of the substrate?  

 

At the transcription buffer pH value (pH = 8.0), the ATP moiety is fully deprotonated[181] with a net charge 

of  ‐3, while  DEACM‐OH  is  neutral.  Since  the  β‐cyclodextrin’s  core  is  hydrophobic,  the  ATP  negative 

charge  and  also  the  introduction  of  a  bulky  substituent  (ATP  vs.  OH) would  be  expected  to  impair 

association of DEACM‐ATP and the cyclodextrin. The association constant of β‐cyclodextrin with DEACM‐

ATP was  determined  and  a  value  of  9  ×  103 M‐1 was  obtained, which was  surprisingly  similar  (even 

slightly higher)  to  the association  constant  found  for DEACM‐OH/cyclodextrin  complex. This  seems  to 

indicate that association is achieved through the coumarin hydrophobic part (7‐diethylamino group and 

benzene  ring) and driven solely by hydrophobic aspects  (entropy  increase due  to  the  release of water 

from the cyclodextrin cavity). 

 

The  photochemical  quantum  yields  for  DEACM‐ATP  alone  or  in  association  with  

β‐cyclodextrin were determined, and  results  show  similar  yields  for both  species within experimental 

error:  (10  ±  1)  ×  10‐4  and  (9.4  ±  0.3)  ×  10‐4,  respectively.  It  should  be  pointed  out  that  the  

DEACM‐ATP/β‐cyclodextrin photochemical quantum yield indicated is a mixture of both complexed and 

free DEACM‐ATP. Due  to  complete overlap of  the  absorption  spectra of  the  two  species, both  forms 

were  irradiated  simultaneously  in  the  DEACM‐ATP/β‐cyclodextrin  sample.  For  a  DEACM‐ATP 

concentration of 30 μM and  in the presence of 500 μM of β‐cyclodextrin (which are approximately the 

same conditions used for in vitro transcription reactions), 81% of DEACM‐ATP is in the complexed form. 

Furthermore, no additional photoproducts were detected by HPLC after  irradiation with the separation 

method used. Such a similarity between both quantum yields suggests that DEACM‐ATP photochemical 

deactivating pathways remain unaltered upon association with β‐cyclodextrin. 

 

135  

  Figure 4.14 – β‐Cyclodextrin and reduction of  inhibition. A)  (top) DEACM‐OH  inhibition of  transcription.  In vitro transcription reaction in the presence of increasing DEACM‐OH concentration. Higher concentrations of DEACM‐OH lead  to  a  decrease  in  transcription  product  quantity.  (bottom)  DEACM‐OH  inhibition  suppression.  In  vitro 

transcription  reaction  with  increasing  amounts  of  DEACM‐OH,  in  the  presence  of  500  μM  of  β‐cyclodextrin. Transcription products can be observed at higher DEACM‐OH concentrations,  indicating that  inhibition effect was reduced. In both gels, DNA template is observed as the upper band, and it was used as internal standard for each sample  in  transcription  product  (lower  band)  quantification.  B)  Transcription  levels  as  function  of  DEACM‐OH 

concentration,  in  the absence  ( ) and presence  ( ) of β‐cyclodextrin. Addition of β‐cyclodextrin decreases  the inhibitory effect of DEACM‐OH by half, when compared to the inhibitory effect in the absence of scavenger. 

 

 

To  assess  the  overall  applicability  as  a  scavenger,  500  μM  of  β‐cyclodextrin were  added  to  in  vitro 

transcription  reactions  in  the  presence  of  increasing  DEACM‐OH  concentrations.  As  a  control  series, 

transcription  reactions  without  scavenger  and  only  increasing  concentrations  of  DEACM‐OH  were 

136  

performed.  Figure  4.14  shows  that  a  significant  decrease  of  transcription  levels  for  DEACM‐OH 

concentrations  above  50  μM  is  observed, which  is  in  clear  agreement  to what  has  been  previously 

observed.  Inhibition  linearly  increases  up  to  250  μM  of  DEACM‐OH,  and  at  500  μM  only  11%  of 

transcription  product  is  obtained  when  compared  to  transcription  without  DEACM‐OH.  Addition  of  

β‐cyclodextrin  (Figure 4.14) significantly quenches the  inhibitory effect of DEACM‐OH, and  inhibition  is 

reduced approximately by half. 

 

These  results  seem  to  indicate  that  DEACM‐OH  is  being  channeled  into  the  β‐cyclodextrin  complex, 

removing the inhibitor from solution. Thus, twice the previously allowed amount of DEACM‐ATP can now 

be  used  in  the  light‐activated  in  vitro  transcription  reaction.  The  need  of  using  caged  nucleotides  in 

concentrations much  lower than those commonly used  in standard transcription reactions can now be 

effectively improved by means of the proposed supramolecular strategy. 

 

 

4.3. Light Activated Polymerization Using Terminal deoxynucleotidyl Transferase  

 

The  light‐activated  polymerization  of  RNA  molecules  through  the  use  of  DEACM‐caged  ATP  was 

presented in the previous sections. In the described system, transcription was hampered by the absence 

of “free” ATP, that once released by light irradiation allowed transcription to resume. This was the proof‐

of‐concept that caged nucleotides can be used to control nucleotide availability in solution and may be 

used  as  selectors/actuators  for  nucleotide  incorporation. However,  the  resulting  RNA molecule  after 

irradiation has one specific sequence, i.e. ATP incorporation position in a strand was determined by the 

DNA template sequence. 

 

Terminal deoxynucleotidyl Transferase  (TdT)  is a  template‐independent DNA polymerase presenting  a 

low  preference  for  the  incorporation  of  deoxyribonucleotides  than  ribonucleotides[24],  (see  Section 

1.2.3.3), meaning  that  it can  incorporate efficiently  ribonucleotides  in a DNA strand,  forming a hybrid 

structure. Even  though, we had not a particular  interest  in such a hybrid polymer,  it serves as a good 

model to test the possibility of activating the addition of a controlled number of nucleotides to a growing 

strand, i.e., the controlled release of stoichiometric amounts by light pulses with known photon counts. 

This was a further step towards the completion of our DNA (or RNA) typewriter. 

137  

At this point, the addition of nucleotides in a template‐independent manner raised the question of how 

to control the number of nucleotides added in each growing strand? In other words ‐ if there is one mole 

of growing strands in solution and one mole of ATP is released, how can it be assured that each growing 

strand will incorporate only one ATP molecule? One conceptual solution would be to add a caging group 

at the 3’ end of each nucleotide, acting as a reversible terminator. This  is,  in many ways similar to the 

principle  of  sequencing  by  synthesis  recently  proposed.[116,117,121]  After  the  first  nucleotide  was 

incorporated the synthesis would halt, until de‐caging of the 3’ strand was processed. This strategy has a 

serious  drawback:  irradiation  of  the  sample  will  decage  3’  position  in  both  free  and  incorporated 

nucleotides. Furthermore, it requires the inclusion of an additional chromophore to the spectral window, 

increasing spectral overlap and cross irradiation problems.  

 

As an alternative,  it was decided to follow a statistical/probabilistic approach to control the number of 

nucleotides  incorporated  in  each  growing  strand.  By  characterizing  the  size  distribution  after  each 

incorporation  cycle,  and  taking  into  account  each  nucleotide’s  different  incorporation  efficiency,  it 

should be  fairly simple  to assess the confidence  interval  in which the  final desired sequence would be 

produced, after n cycles of incorporation. A study conducted by Chang and co‐workers[210] regarding the 

formation of homopolymers, in which the initiator strand/free nucleotide ratio was controlled indicated 

that little bias was obtained in product size distribution, and a statistical product size population could be 

predicted. 

 

According  to  the  commercially  available  TdTs manufacturer[50],  in  the presence of  130  equivalents of 

dATP or dTTP, between 100 and 130 nucleotides will be incorporated per equivalent growing strand. In 

the presence of 60 equivalents of dCTP or dGTP however, only 20 to 30 nucleotides will be incorporated. 

This demonstrates lower incorporation efficiency for dGTP and dCTP, when compared to dATP and dTTP. 

In order to assess the effect of the different nitrogen base on product size after free deoxyribonucleotide 

(dNTP)  incorporation,  the  following  experiment  was  conducted.  Using  a  single‐stranded  DNA 

oligonucleotide as substrate (20 bases long), one deoxyribonucleotide type was added to each sample, in 

a  1:40  ratio  (substrate:nucleotide)  and  incubated  at  37°C.  Products  were  analyzed  on  a  12% 

polyacrylamide ‐ 8M urea denaturing gel electrophoresis ‐ Figure 4.15. 

 

 

138  

  Figure  4.15  –  Incorporation  of  deoxyribonucleotides  to  a  20‐mer  oligonucleotide  by  the  Terminal deoxynucleotidyl Transferase. All nucleotides were added at a 1:40 (substrate:nucleotide) ratio. In each sample a single  nucleotide  type was  added  (dATP,  dTTP,  dGTP  or  dCTP).  A)  Reaction  products were  analyzed  in  a  12% acrylamide – 8 M urea denaturing gel, and stained with GelRed™. B) Plot of relative band intensity of each gel lane presented in A as function of product size (in base number). 

 

 

A significant increase of product length was attained in all samples containing each of the individual four 

dNTP. For dATP, two distributions of product sizes were obtained, with average product size of ca. 30 

and 45 bases, respectively. For dTTP, a broader distribution was attained, with average product size of 

ca. 40 bases. For dCTP and dGTP a much sharper distribution peaks at average sizes around 30 bases. No 

quantitative incorporation for any of the deoxyribonucleotides was attained. These results appear to be 

in agreement with previous reports, where product distribution points out to an abortive polymerization 

mechanism.[24,210] 

 

If formation of a TdT‐initiatior strand  is considered, then  in presence of free nucleotides two scenarios 

might be contemplated:  

 

1. The TdT polymerase would carry on adding nucleotides and maintaining  the TdT‐initiator complex 

formed. This would be  the  case of a purely processive polymerase.  In  this  situation,  long product 

chains would be  formed, depleting  the  free nucleotide pool. As a  result, contrasting short  strands 

139  

would  be  expected,  i.e.  strands  with  more  than  60  nucleotides  would  be  formed,  leaving  the 

remaining fraction with fewer incorporation. 

 

2. The  TdT  processes  the  polymerization  by  consecutive  abortive  events  where,  after  each 

incorporation, the TdT‐initiator complex  is disassembled.  In this case, the  final product size should 

follow  a  statistical  distribution,  i.e.  the  majority  of  the  strands  would  be  n+1  after  the  first 

incorporation cycle, and so on for the following cycles. A final product size pool should be described 

by  a  Poisson  distribution  (in  case  of  constant  incorporation  efficiency  throughout  polymerization 

cycles).[210] 

 

The  results  for  dTTP  and  dATP  incorporation  of  Figure  4.15  indicate  that  products  size  present  a 

distribution  around  half  the  initial  ratio  of  initiator  strand:free  nucleotides.  Nevertheless,  it  can  be 

observed the presence of some biased incorporation (or the presence of some processessivity indicated 

by product size distribution asymmetry and the presence of a small band around 30 bases). A broader 

product size distribution for dTTP indicates a higher processivity for Initiator‐d(T)n homopolymers. In the 

case of dGTP and dCTP, smaller product size was obtained, with a medium strand size of 29 for dCTP and 

30  for  dGTP.  The  product  size  distribution was  also  found  to  be  narrower,  as  expected  for  a  lower 

number  of  incorporation  cycles. Most  likely,  the  shorter  average  product  size  for  dCTP  and  dGTP  is 

related  to a  smaller TdT affinity  for d(C)n and d(G)n homopolymers, and not due  to  lower association 

constants for dCTP and dGTP. The lower affinity for homopolymers is also the reason considered for not 

having quantitative incorporation of the nucleotides present in solution, since longer reaction times did 

not yield different product distribution (data not shown). 

 

In  order  to  assess  the  effect  of  each  nitrogen  base  on  strand  size  after  free  ribonucleotides  (NTP) 

incorporation, a  single‐stranded DNA oligonucleotide was used as  substrate, TdT polymerase and one 

ribonucleotide type was added to each sample in a 1:40 substrate:nucleotide ratio. Following incubation 

at 37°C, products were analyzed on a 12% polyacrylamide  ‐ 8M urea denaturing gel electrophoresis  ‐ 

Figure 4.16. 

 

 

140  

  

Figure  4.16  –  Incorporation  of  ribonucleotides  to  a  20‐mer  oligonucleotide  by  the  Terminal  deoxynucleotidyl Transferase. All nucleotides were added at a 1:40 (substrate:nucleotide) ratio.  In each sample a single nucleotide type was  added  (ATP, UTP, GTP or  CTP). A) Reaction products were  analyzed  in  a  12%  acrylamide  –  8 M urea denaturing gel, and  stained with GelRed™. B) Plot of  relative band  intensity at each gel  lane presented  in A as function of product retention factor (in pixels). 

 

 

In the presence of any of the four NTPs there was an increase of strand size, indicating incorporation of 

ribonucleotides onto a deoxyribonucleotide initiator strand, in agreement with what had been previously 

reported  by  Boulé  and  co‐workers.[24]  In  the  same  study  it  was  also  showed  that  incorporation  of 

ribonucleotides  leads  to  premature  chain  termination, which  accounts  for  the  observed  results  ‐  the 

addition of only one to three bases, even in the presence of 40 equivalents of free nucleotide. Here, TdT 

seems to present a lower affinity for initiators with UTP in its 3’‐OH end (n+1 bases is the major product 

obtained), and higher affinity for GTP 3’‐OH ends (the only nucleotide that produced n+3 base products). 

 

The inhibition effect of DEACM‐OH in T7 RNA Polymerase activity raised the concern whether the same 

inhibition would be observed with TdT. To assess the effect of the presence of DEACM‐OH  in template 

independent ribonucleotides addition  to a single stranded deoxyribonucleotide,  increasing amounts of 

DEACM‐OH  were  added  to  the  reaction.  ATP  was  used  as  ribonucleotide,  in  a  1:10  initiator:free 

nucleotide  ratio, and  the obtained products analyzed a 12% polyacrylamide  ‐ 8M urea denaturing gel 

electrophoresis    ‐ Figure 4.17. Results  show  that product yield and distribution were not altered with 

increasing amounts of DEACM‐OH, up to 150 μM, indicating that DEACM‐OH has no inhibition effect on 

TdT polymerase activity. 

 

141  

  

Figure 4.17 – Effect of the presence of DEACM‐OH  in a template  independent TdT‐catalyzed ATP addition to a single  stranded  20‐mer oligonucleotide.  To a  reaction  containing a 1:10  (substrate:nucleotide)  ratio,  increasing amounts  of  DEACM‐OH  were  added.  Reaction  products  where  analyzed  in  a  12%  polyacrylamide  ‐  8M  urea denaturing gel, stained with GelRed™. No change in product size and distribution was observed in the presence of 

up to 150 μM of DEACM‐OH. 

 

 

The next step was to test the possibility of controlling the  incorporation of ribonucleotides by the TdT 

polymerase  through  light  via  the  efficient  cage of ATP by DEACM. DEACM‐ATP was used  as  sole ATP 

source in a reaction with 1:10 initiator:DEACM‐ATP ratio. Product strands obtained after reaction in the 

absence  and  after  390  nm  quantitative  irradiation were  analyzed  by  denaturing  gel  electrophoresis. 

Results are presented in Figure 4.18. 

 

Despite the poor gel quality, in presence of free ATP (Figure 4.18‐B – dark gray; reaction without ATP in 

full line, reaction with ATP dashed line), a shift with a concomitant broadening in the band is observed, 

indicating  the  presence  of  n+1  and  n+2  products  as  previously  observed  (see  Figure  4.16).  When  

DEACM‐ATP  is used as sole source of ATP and  in the absence of  irradiation, the product band presents 

the same shift and width as  in absence of ATP (Figure 4.18‐B – DEACM‐ATP without  irradiation  in  light 

gray  full  line). This  indicates  that no nucleotides were added  to  the  initiator oligonucleotide and  that 

DEACM  can  efficiently  cage  ATP  nucleotide  in  Terminal  deoxynucleotidyl  Transferase  catalyzed 

incorporation of ribonucleotides reactions. Furthermore, after quantitative DEACM‐ATP irradiation using 

390 nm light, a considerable broadening of product with a slight shift in mobility is observed (Figure 4.18‐

B  –  light  gray  dashed  line), which  indicates  that,  upon  irradiation,  ATP  is  successfully  released  and 

incorporated into the initiator strand, generating products with increased length. If the reduced shift of 

band peak (when compared to the without ATP/with ATP series) is due to reduced incorporation affinity 

142  

or simply due to poor data quality is not clear from the experimental data. Nevertheless, the conclusion 

that DEACM efficiently  impedes ATP  incorporation, which, after  irradiation,  is successfully released and 

incorporated into growing strands, is clearly taken from the data. 

 

 

  Figure  4.18  –  Light  activated  template  independent  TdT‐catalyzed  ATP  addition  to  a  single  stranded  20‐mer oligonucleotide. A) Products were analyzed  in an acrylamide – 8 M urea gel,  stained with GelRed™.  “No ATP”: sample without any nucleotide source; “ATP”: sample with ATP in a 1:10 (substrate:ATP) ratio; “Dark”: sample with DEACM‐ATP in a 1:10 (substrate:DEACM‐ATP) ratio, without irradiation; “Irrad”: sample with DEACM‐ATP in a 1:10 (substrate:DEACM‐ATP)  ratio,  incubated  after  quantitative  DEACM‐ATP  cleavage with  390  nm  light.  B)  Plot  of relative band intensity at each gel lane presented in A as function of product retention factor (in pixels). 

 

 

TdT  presents  only  slightly  lower  affinity  for  the  incorporation  of  ribonucleotides  over 

deoxyribonucleotides.[24]  This  suggests  that,  from  an  enzymatic  point  of  view,  incorporation  of 

ribonucleotides  proceeds  through  the  same  interactions  and  mechanism  as  deoxyribonucleotide 

incorporation would.  This way,  the  successful  incorporation of  light‐released ATP  from  a DEACM‐ATP 

precursor might mimic the same conditions as light‐release of DEACM‐dATP would, thus establishing the 

link between light controlled enzymatic RNA and DNA synthesis. Unfortunately, due to time constrains in 

the  course  of  this  work,  it  was  not  possible  to  successfully  synthesize  and  isolate  any  caged 

deoxyribonucleotides.  No  light  activated  enzymatic  synthesis  of  DNA  was  achieved,  although 

experimental evidence suggests that the methodologies developed can be efficiently and simply adapted 

to dNTP‐caged nucleotides. 

 

143  

 

 

CHAPTER 5. Light Controlled Synthesis of Nucleic Acids Using Multi‐Wavelength Excitation    

144  

The light‐activated in vitro transcription reactions experiments showed that DEACM efficiently cages the 

incorporation of ATP  in growing RNA strands. These results are the first proof‐of‐concept that  light can 

be  used  as  an  actuator  for  the  nucleotide’s  transition  between  an  OFF  and  ON  state  in  the 

polymerization  of  nucleic  acids.  Once  the  nucleotides  are  switched  to  the  ON  state,  progressive 

incorporation of  released nucleotides occurs.  The  Terminal deoxynucleotidyl  Transferase  experiments 

showed that a template independent polymerization of nucleic acids controlled by light is also possible. 

Experimental  results  indicate  that using caged‐dNTP  the  strand size might be modulated by means of 

bursts of nucleotide release and using a statistical approach to control final product size. The qualitative 

ON/OFF polymerization state found in the in vitro transcription reactions (absence/presence of a full size 

product) is then transformed into a quantitative state, where product length might be modulated. So far, 

all light‐controlled experiments were conducted with only one caged nucleotide type. The next step is to 

achieve  control over  the  release of one  type of nucleotide,  in a mixture of  caged nucleotides.  In  this 

chapter are presented the synthesis, characterization and application of a second caged‐nucleotide type 

– the 7‐methoxy‐4‐methylcoumarin (MCM).  It  is also presented the exploratory work conducted  in the 

development of a specific release of a nucleotide  in the presence of a binary caged‐nucleotide system, 

light‐input/RNA output logic gates. 

 

 

5.1. Synthesis of 7‐methoxy‐4‐methylcoumarin Derivatives  

Spectral  properties  of  coumarin  derivatives,  more  particularly  the  absorption  spectrum,  can  be 

modulated through the substitution pattern of the coumarinic core (see Section 1.4.2). In order to obtain 

a coumarin chromophore that displays a significant shifted absorption spectrum from the DEACM one, 

the push‐pull electro donating/withdrawing balance has to be altered. Ideally the absorption should be 

red‐shifted  from  the  DEACM  chromophore,  for  which  it  would  be  required  to  add  strong  electro‐

withdrawing  substituents  in  the  3‐position  or  stronger  electro‐donating  substituents  in  the  6‐  or  7‐ 

position of the coumarinic core. The addition of either a “locked” amino group at the 7‐ position (Figure 

5.1 – 1 and 2) or an acetyl (Figure 5.1 – 2), carbohydrazide (Figure 5.1 – 3), 1‐methyl‐1H‐benzimidazol‐2‐yl 

(Figure 5.1 – 4), 2‐benzimidazolyl  (Figure 5.1 – 5), 2‐benzoxazolyl  (Figure 5.1 – 6), or 2‐benzothiazolyl 

(Figure  5.1  –  7)  at  the  3‐position  shifts  the  absorption  to  higher  wavelengths.  However,  several 

drawbacks  can  be  found  when  using  the  referred  groups:  synthesis  complexity,  price  and  water 

solubility. Most commercially available starting materials with  the  referred substituents do not have a  

145  

4‐methyl group, necessary for the synthesis of caged compounds. This would require complex and long 

syntheses routes, not yet developed, in order to yield a derivative that might be coupled to a nucleotide. 

The  costly  starting materials  for  such  syntheses  revealed  impractical  the  consideration  of  using  such 

derivatives  in  the  present work. Moreover,  the  referred  groups would  also  present  increased water 

insolubility problems,  especially  for  the  “locked”  amine derivatives.  Thus,  it was decided  to  choose  a 

coumarin derivative with an absorption spectrum shifted to lower wavelengths. 

 

 

 

Figure  5.1  –  Structure  of  coumarins  with  strong  electro‐donating  groups  in  the  7‐  position  and/or  electro‐withdrawing  groups  in  the  3‐  position.  Absorption  maximum  of  each  dye  (and  respective  solvent)  are  also indicated. Due  to  coumarin  solvatochromic properties,  the  absorption maxima of  each  compound  in water will suffer a red‐shift due to increased solvent polarity (see Section 1.4.2), particularly for the structures comprising the 7‐diethylamino group (3, 4, 5 and 7) or “locked” amino group (1 and 2). 

 

 

146  

In  the  work  of  Eckardt  and  co‐workers[171],  several  coumarin  derivatives  were  used  to  cage  cAMP. 

Absorption  spectra  of  these  derivatives  in  methanol:HEPES  buffer  (1:4)  indicated  the  7‐methoxy‐4‐

methylcoumarin  (MCM) as  the best choice due  to  the  large  spectral  separation of DEACM absorption 

spectrum.  The  synthesis  of  a  4‐hydroxymethyl  derivative  for  this  compound  was  also  previously 

described by Schade and co‐workers.[167] 

 

The  first  synthesis  step  was  the  acetylation  of  the  commercially  available  

7‐methoxy‐4‐bromomethylcoumarin with sodium acetate in acetic anhydride under reflux (Figure 5.2). 

 

 

  Figure  5.2  –  Synthesis  of  the  (7‐methoxycoumarin‐4‐yl)methyl  acetate  through  acetylation  of  the  7‐methoxy‐4‐bromomethylcoumarin. The reaction was carried out in acetic anhydride, in the presence of sodium acetate, under reflux for 2h. 

 

 

The acetoxy derivative precipitated in the reaction medium after cooling and the filtrate was used in the 

next  reaction  step without  further  purification.  The  7‐methoxy‐4‐hydroxymethylcoumarin  (MCM‐OH) 

was  obtained  by  acid  hydrolysis  of  the  ester  group  to  yield  the  alcohol  (Figure  5.3).  The  product 

precipitated as light white needles with an overall yield of 71%. 

 

An  alternative  synthesis  route  to  obtain  the  MCM‐OH  compound  was  also  pursued.  The  

7‐methoxy‐4‐bromomethylcoumarin  derivative was  dissolved  in  ether  and  in  the  presence  of  sodium 

hydroxide in order to achieve the direct nucleophilic substitution of the bromine atom for –OH. However, 

no MCM‐OH product was detected by TLC, even after 28 hours of reaction. 

 

 

147  

  Figure  5.3  –  Synthesis  of  the  7‐methoxy‐4‐hydroxymethylcoumarin  (MCM‐OH).  The  MCM‐OH  was  obtained through acidic hydrolysis of the acetyl group. The reaction was carried out in ethanol and hydrochloric acid, under reflux, for 1h. A final combined yield of 71% was attained. 

 

 

The  overall  strategy  followed  for  the  synthesis  of  MCM‐caged  nucleotides  was  the  same  used  for 

DEACM‐caged  nucleotides.  For  the  phosphoramidoite  coupling  reaction  (Figure  5.4),  the  MCM‐OH 

reagent did not present enough  solubility  in THF. Acetonitrile was added  to  the  reaction mixture and 

complete  dissolution  of  the  reagent  was  obtained  (the  commercially  available  1H‐tetrazole  is  an 

acetonitrile solution). A yellow powder was obtained with a 50% yield, considerably lower than the yield 

obtained for the DEACM‐tBut formation (see Section 3.1). 

 

 

  Figure 5.4 – Synthesis of MCM‐tBut. The MCM‐OH precursor was reacted with phosphoramidite reagent, catalyzed by 1H‐tetrazole, in dry THF. The temperature was raised gradually from ‐20°C to room temperature over night. The phosphine  product  was  oxidized  to  phosphate  through  tert‐butyl  hydroperoxide  addition.  The MCM‐tBut  was obtained with a final yield of 50%. 

 

148  

The  following  step was  the  acid  hydrolysis  of  the  phosphate  tert‐butyl  groups  (Figure  5.5).  The  non‐

purified MCM‐tBut was dissolved  in dichlorometane, and  trifluoroacetic acid was added. The  reaction 

was  carried  out  at  4°C  for  6  hours.  The MCM‐P  product  was  precipitated  with  hexane,  along  with 

secondary products from the previous synthesis step. After solvent removal water was added to the solid 

residue, where only the pure MCM‐P was dissolved into. A white powder was obtained after liofilization 

with a yield of 87%. 

 

 

  Figure  5.5  –  Synthesis  of  (7‐methoxycoumarin‐4‐yl)methyl  phosphate  (MCM‐P).  The  acidic  hydrolysis  of  the  tert‐butyl protecting groups was performed through addition of trifluoroacetic acid in dichloromethane, at 0°C over 6h. The MCM‐P product was obtained with a yield of 87%. 

 

 

The next step  in the synthesis of a MCM‐caged nucleotide  is the coupling between the MCM‐P and an 

activated diphosphate nucleotide (see Section 3.1). The activation with carbonildiimidazole is modular in 

principle,  i.e.  the activation  is performed on  the phosphate chain,  independently of  the nitrogen base 

present  in the nucleotide. Thus, activation of GDP  is achieved  in the same conditions as for ADP. After 

coupling reaction with MCM‐P (Figure 5.6), MCM‐ATP and MCM‐GTP products were obtained in similar 

yields  (15‐20%,  estimated  by  HPLC).  Also,  the  same  ratio  between  MCM‐ADP/MCM‐ATP  and  

MCM‐GDP/MCM‐GTP was obtained (1:1). Purification was performed through semi‐preparative HPLC. 

 

 

149  

  Figure 5.6 – Synthesis of MCM‐ATP and MCM‐GTP. Both compounds were attained through coupling of MCM‐P and the respective activated diphosphates nucleotide (for details see Section 2.2.8), in HMPA, at room temperature and after 3 days. Products were obtained with an estimated final yield of 15‐20% (determined by HPLC). 

 

 

In order to obtain two different caging groups with two different nucleotides, the DEACM‐GTP was also 

synthesized  (Figure  5.7),  following  an  identical  strategy  as  presented  above  and  in  Section  3.1.  The 

DEACM‐P precursor was coupled to activated GDP to yield DEACM‐GTP (reaction yield of 20%, estimated 

by HPLC). 

 

  Figure 5.7 – Synthesis of DEACM‐GTP. The DEACM‐P compound was coupled to the activated GDP (for details see Section 2.2.9), in HMPA, at room temperature after 3 days. An estimated yield of 20% was determined by HPLC. 

 

 

150  

5.2. Photochemical Characterization of DEACM‐GTP, MCM‐ATP and MCM‐GTP  

The absorption and emission spectra of DEACM‐GTP in 10 mM Phosphate buffer, pH 8.0, are presented 

in Figure 5.8. The absorption and emission spectra of DEACM‐ATP in the same conditions are also shown 

for comparison. 

 

 

 Figure 5.8 – Absorption (full line) and emission (dashed line) spectra of DEACM‐ATP (light gray) and DEACM‐GTP (dark  gray).  Spectra  were  taken  in  10  mM  Phosphate  buffer,  pH  8.0.  Emission  spectra  were  obtained  with excitation at 390 nm. 

 

 

The absorption spectrum of DEACM‐GTP is characterized by two bands, with maxima at 249 nm and 390 

nm. The higher absorption band  in  the UV  region  is due  to  the  superimposition of  the  coumarin and 

guanine  absorption  bands,  as  previously  seen  for  DEACM‐ATP  (see  Section  3.5).  The  DEACM‐GTP 

presents approximately the same absorption maximum as DEACM‐ATP, with a 2 nm blue‐shift. A slightly 

lower  extinction  coefficient  corresponding  to  the  long  wavelength  absorbing  band  was  found  for 

DEACM‐GTP  (14200  vs.  15000  cm‐1M‐1).  The  emission  spectrum  of DEACM‐GTP  is  characterized  by  a 

single  emission  band,  with maximum  at  498  nm,  the  same  wavelength  found  for  DEACM‐ATP.  The 

fluorescence quantum yield however is relatively smaller at this pH value (0.197 vs. 0.261). 

 

151  

The absorption and emission spectra of MCM‐ATP and MCM‐GTP in 10 mM Phosphate buffer, pH 8.0 are 

presented in Figure 5.9. 

 

 Figure 5.9 – Absorption  (full  line) and emission  (dashed  line)  spectra of MCM‐ATP  (dark gray) and MCM‐GTP (light  gray).  Spectra  were  taken  in  10  mM  Phosphate  buffer,  pH  8.0.  Emission  spectra  were  obtained  with excitation at 325 nm. 

 

 

The absorption spectrum of MCM‐ATP  is characterized by two bands, with maxima at 256 nm and 326 

nm. The higher absorption band  in  the UV  region  is due  to  the  superimposition of  the  coumarin and 

adenine absorption bands. The absorption spectrum of MCM‐GTP is characterized by three bands, with 

maxima at 250 nm, 268nm and 325 nm. The band with maximum at 268 nm corresponds to the guanine 

ring absorption, while the other two correspond to MCM ring absorption. This  is the only compound in 

which the nitrogen base and coumarin ring absorption in the UV have a significant separation in energy 

to yield discrete bands. An extinction coefficient for MCM‐ATP and MCM‐GTP, corresponding to the long 

wavelength absorbing band, were  found to be similar to the DEACM derivatives. MCM‐ATP presents a 

slightly higher extinction coefficient than MCM‐GTP (14500 vs. 13500 cm‐1M‐1). The emission spectrum of 

both MCM‐ATP and MCM‐GTP are characterized by a single emission band, with maximum at 403 nm 

and 405 nm, respectively. The fluorescence quantum yields however, are considerably smaller at this pH 

value  than  the  ones  found  for  the  DEACM  derivatives.  For MCM‐ATP  and MCM‐GTP  a  fluorescence 

quantum yield of 0.036 and 0.029, respectively, were determined. The low fluorescence quantum yields 

attained for the MCM esters are in agreement with the values found for MCM‐cAMP and MCM‐cGTP.[167] 

 

152  

  Figure 5.10 – Selective excitation and photochemistry of DEACM and MCM caging groups. A) Absorption spectra of  DEACM‐caged  (solid  line)  and MCM‐caged  (dashed  line)  ATP  (black)  and  GTP  (gray)  nucleotides,  in  10 mM Phosphate  buffer,  pH  8.0.  All  nucleotides  present  similar  excinction  coefficient  at  correspondent  maximum absorbance  wavelength.  B)  Photochemical  quantum  yield  of  caged‐nucleotide  disappearance  as  function  of irradiation wavelength,  in 10 mM Phosphate buffer, pH 8.0. MCM‐caged nucleotides present no photochemistry when  390  nm  irradiation  light  is  used,  due  to  the  absence  of  absorption  at  this  wavelength.  DEACM‐caged nucleotides  present  residual  photochemistry  upon  325  nm  light  irradiation.  Irradiations were  performed  using solutions of 0.1 absorbance at the correspondent maximum absorption wavelength. 

 

 

The photochemical quantum  yields of  the  four  compounds  (DEACM‐ATP, DEACM‐GTP, MCM‐ATP  and 

MCM‐GTP) were determined  in  10 mM  Tris buffer, pH 7.9, using 325 nm or 390 nm excitation  light. 

Results are presented in Figure 5.10. 

 

153  

MCM‐caged nucleotides present no absorption at 390 nm (when the same concentration of both MCM 

and DEACM derivatives is used) and, consequently, no photochemistry when this wavelength is used for 

excitation  (Figure  5.10‐B).  The photochemical quantum  yields of MCM‐caged nucleotide  cleavage  are 

similar  for  both  nucleotides  (0.0089  for MCM‐ATP  and  0.0100  for MCM‐GTP).  Although  the  spectral 

separation between the absorption bands of the DEACM and MCM derivatives is clear, at 325 nm there 

is some DEACM absorption (circa 15% of the maximum absorption).  The photochemical quantum yields 

of  the  DEACM  derivatives, when  325  nm  light  is  used  as  excitation,  show  the  presence  of  residual 

photochemistry. This observation should be taken  into account  in multi‐excitation experiments, where 

both DEACM and MCM are present  in solution.  In order to reduce the  leakage effect on DEACM upon 

325 nm excitation, MCM nucleotide relative concentration might be increased. This way, competition for 

excitation  light  and  higher  photochemical  quantum  yield might  reduce  the  amount  of DEACM‐caged 

nucleotide  cleavage  upon  325  nm  irradiation.  The  photochemical  quantum  yield  of  DEACM‐GTP 

disappearance (using 390 nm excitation)  is higher than for DEACM‐ATP. Conversely, as previously seen 

for DEACM‐ATP, the photochemical quantum yield of DEACM‐OH formation is considerably lower for this 

compound,  even  lower  than  in  the  DEACM‐ATP  case  (0.0034  vs.  0.0071,  respectively).  The  similar 

photophysical  and  photochemical  properties  for DEACM‐ATP  and DEACM‐GTP  seem  to  sugest  that  a 

ground‐state  interaction  between  the  coumarin  and  guanine  ring  is  also  present  in  DEACM‐GTP. 

However, more studies are  requirered  to confirm  this hypothesis, such as  lifetime measurements and 

photochemistry dependence on pH. 

 

 

5.3. Light‐activated in vitro Transcription Reactions Using DEACM‐ and MCM‐Caged Nucleotides  

Coumarin derivatives and  their  coupling  to  the ATP  triphosphate  tail was  chosen  for  their  theoretical 

modular  application.  The  synthesis  strategy  seemed  to  be  independent  on  the  nitrogen  base  of  the 

nucleotide, which was confirmed by  the successful synthesis and characterization of both DEACM‐ATP 

and  DEACM‐GTP.  Moreover,  the  synthesis  strategy  seemed  independent  of  the  coumarin  ring 

substituent  pattern,  which  was  also  confirmed  by  the  sucessful  synthesis  and  characterization  of  

MCM‐ATP and MCM‐GTP. From an application point of view, the proof‐of‐concept presented in Chapter 

4, of using DEACM‐ATP as an actuator was also expected to be extendable to other nucleotides, as well 

154  

as  other  coumarin  caging  groups.  In  this  section  are  presented  the  studies  conducted  to  test  the 

universality of this approach. 

 

To  an  in  vitro  transcription  reaction,  ATP  (or  GTP)  was  replaced  for  DEACM‐ATP  or  MCM‐ATP  (or  

DEACM‐GTP or MCM‐GTP). Samples were irradiated at 390 nm for DEACM samples and 325 nm for MCM 

samples.  Final  nucleotide  concentration  used  was  30  μM  to  avoid  DEACM‐OH  inhibition  after 

quantitative cleavage  in samples containing DEACM‐caged nucleotides. Results are presented  in Figure 

5.11. 

 

 

  

Figure  5.11  –  Light‐activated  in  vitro  transcription  reaction  using  DEACM‐ATP,  DEACM‐GTP,  MCM‐ATP  or  MCM‐GTP.  Each  caged‐nucleotide was  used  as  the  only  source  of  the  respective  nucleotide  in  a  transcription reaction. All four compounds present no transcription product before  irradiation. After  irradiation,  it can be seen the appearance of full transcription product for DEACM‐ATP, MCM‐ATP and MCM‐GTP. 

 

 

As previously seen in Section 4.1.2, when DEACM‐ATP is used as the sole ATP source and in the absence 

of irradiation no transcription product is observed. After irradiation at 390 nm, full‐length RNA product is 

produced.  When  MCM‐ATP  is  used  as  sole  source  of  ATP  and  in  the  absence  of  irradiation  no 

transcription product  can be  found, which  indicates  that MCM  group  can effectively  impede  the ATP 

incorporation  in a new RNA strand. After  irradiation with 325 nm  light,  the  full  length RNA product  is 

obtained,  indicating  that  the MCM  group  is  released  and  the  ATP  incorporated  to  yield  the  desired 

transcription product. Moreover, similar transcription efficiency was obtained for both DEACM and MCM 

caged nucleotides after quantitative release, indicating that MCM does not present any inhibition effect 

155  

in  the  concentration  range  used.  These  results  show  that  this  strategy  is  extendable  to  different 

coumarin caging groups.  

 

When MCM‐GTP was used as sole GTP source, and in the absence of irradiation, no transcription product 

can be found, indicating that MCM group is effectively caging the GTP nucleotide. After irradiation with 

325  nm  light,  full  length  transcription  products  were  attained,  which  indicates  that  the  GTP  was 

effectively released and  incorporated  in new RNA strands. The product yield obtained  is also similar to 

the DEACM‐ATP and MCM‐ATP samples. Taken together, these results show that the GTP presents the 

same  molecular  behavior  than  ATP  in  a  light‐activated  in  vitro  transcription  reaction.  The 

functionalization  of  a  coumarin  group  to  the  nucleotide’s  triphosphates  tail  leads  to  a  hampering  of 

substrate recognition/incorporation that is independent of the nitrogen base in the nucleotide.  

 

When DEACM‐GTP was used as  the sole GTP source, and after  irradiation at 390 nm, no  transcription 

product was  obtained.  This was  unexpected  and  a  satisfactory  explanation  could  not  be  found.  The 

successful use of GTP in MCM‐GTP sample discarded the possibility of GTP damage (or other GTP related 

effect)  upon  irradiation.  As  described  in  Section  5.2,  DEACM‐GTP  presented  similar  absorption  and 

emission  spectrum  when  compared  to  DEACM‐ATP.  From  the  photochemical  quantum  yield 

measurements,  the  same  pattern  as  with  DEACM‐ATP  was  observed.  Although  a  clear  difference 

between DEACM‐GTP decrease and DEACM‐OH production (approximately half of the yield) was found, 

the same results were obtained for DEACM‐ATP. The production of DEACM‐OH indicates that GTP is also 

being  produced,  although  no  experiments  to  assess  directly  this  question  were  performed.  It  was 

suggested that guanine, due to its known electron transfer capabilities in DNA,[218‐221] might induce some 

quenching process. However, this hypothesis was discarded since similar photochemical quantum yields 

for  both DEACM  caged  nucleotides were  obtained.  Further  studies  should  be  conducted  in  order  to 

clarify this question, especially regarding the characterization of the photo‐release products. 

 

 

5.4. Light‐Input, RNA‐Output Logic Gates  

The  ideal  light‐driven  DNA  typewriter  comprises  four  nucleotides,  each  one  functionalized  with  a 

different caging agent that presents a characteristic absorption spectrum, i.e. the absorption of the four 

caging  groups  are  required  to  be  spectroscopically  separated  to  allow  for  specific  excitation,  and 

156  

consequently,  selective  release  through  monochromatic  light  irradiation.  The  selective  release  of  a 

certain nucleotide occurs in the presence of the other three caged‐nucleotides in a common solution. So 

far,  all  experiments were  conducted with  only  one  caging  nucleotide  in  solution,  although  different 

caged nucleotides were employed.  The use of both MCM  and DEACM  caged nucleotides, due  to  the 

spectrally  independent absorption spectra, allows for the selective release of one particular nucleotide 

type. 

 

The  current  state of  the  art  regarding photoremovable protecting  groups  to  this date  revealed  to be 

impossible  to build a quaternary  system. As  referred  in  Section 1, even using  strong electro‐donating 

groups in the 7‐position and combined with electro‐withdrawing groups in the 3‐position, the absorption 

maximum of  these  coumarin derivatives  cannot be  extended  for more  than 450‐500 nm.  The use of 

these derivatives might allow  for a  third  caging group, but due  to  the  required  spectral  separation, a 

fourth group is extremely unlikely. However, the present binary system allows the construction of  logic 

gates based on the  light‐driven enzymatic synthesis of nucleic acids. For this reason,  it was decided to 

devise the referred logic gates as proof‐of‐concept for multi‐color selective release of nucleotides. 

 

Logic  gates  are  a  basic  element  in  modern  day  computers,  implementing  simple  mathematical 

operations  in  digital  electronic  circuits. Digital  circuits  operate  in  binary,  distinguishing  between  two 

values:  conventionally,  "true"  and  "false",  or  "1"  and  "0". Within  these  circuits,  logic  gates  perform 

binary operations on one or more  inputs to produce a meaningful output. Common operations are the 

intuitively named  "AND",  "OR" and  "NOT". These  logical operations  can be defined using  truth  tables 

(Figure 5.12).[222] 

 

In a  light‐driven enzymatic synthesis of nucleic acids  logic gate,  light  is used as  input, and as an output 

RNA (or DNA) is obtained. Through the use of DEACM and MCM caging groups, and their correspondent 

absorption maxima and spectral separation, the  Input1  is 390 nm  light, exciting the DEACM group and 

releasing specifically the nucleotide functionalized to  it. As  Input2, 325 nm  light that excites MCM and 

releasing  the  respective  nucleotide.  Based  on  the  principle  that  all  four  nucleotides  are  required  to 

successfully synthesize RNA during transcription, nucleotides functionalized to each caging group might 

be chosen according to each logic gate’s requirement. 

 

 

157  

 

Figure 5.12 – Truth tables for AND, OR and NOT logic gates. 0 represents the absence and 1 the presence of input or output. [222] 

 

 

For an OR  logic gate,  Input1 OR  Input2  leads to the production of an Output (Figure 5.13). This way,  if 

both DEACM and MCM are functionalized with the same nucleotide and this nucleotide is missing from 

the regular NTP pool, 395 nm light irradiation OR 325 nm light irradiation will lead to the release of the 

missing nucleotide. As a consequence, transcription should occur and an RNA molecule produced. If both 

wavelengths are used to irradiate the sample, a redundant release of the common nucleotide will occur 

and the output is produced.  

 

 

 Figure  5.13  – Design  of  a  light‐input/RNA‐output OR  logic  gate.  Both DEACM‐ATP  and MCM‐ATP  are  used  as source of ATP  in the reaction. The two wavelengths are used as different  inputs.  If the solution  is  irradiated with one OR other wavelength (or both), ATP is released and a transcription product is formed.  

 

158  

For an AND logic gate, the presence of both Input1 AND Input2 is required for Output (Figure 5.14). This 

way,  if DEACM and MCM are  functionalized with different nucleotides, not present  in the regular NTP 

pool, only irradiation with 390 AND 325 nm will lead to the presence of the four nucleotides required for 

transcription. If only one of the wavelengths is used, one of the free nucleotides will be missing and thus 

no product is attained. 

 

 

 

Figure  5.14  ‐  Design  of  a  light‐input/RNA‐output  AND  logic  gate.  DEACM‐ATP  is  used  as  source  of  ATP  and  MCM‐GTP as source of GTP in the reaction. The two wavelengths are used as different inputs. Only if the solution is irradiated with both wavelengths, ATP and GTP are released and a transcription product is formed. 

 

 

A NOT  logic gate can be devised taking advantage of the undesirable DEACM‐OH  inhibition effect (see 

Figure 5.15). For this logic gate, all four free natural nucleotides are present in the nucleotide pool, that 

in the absence of irradiation lead to the synthesis of a transcription product. Also, high concentrations of 

DEACM‐ATP are added to the solution ([DEACM‐ATP] > 250 μM, see Section 4.1.3), that in the presence 

of irradiation with 390 nm light will lead to the release of high amounts of both ATP and DEACM‐OH. The 

DEACM‐OH produced  in such high concentrations will  lead to the  inhibition of the T7 RNA Polymerase 

that will impede transcription product synthesis. 

 

 

159  

 

Figure 5.15 – Design of a  light‐input/RNA‐output NOT  logic gate. All natural nucleotides are present  in solution, along with high DEACM‐ATP concentration. If the solution is irradiated, large quantities of DEACM‐OH are produced leading to T7 RNA Polymerase inhibition and thus, the absence of an output product. 

 

 

Due to time constrains, the proper testing of the refered logic gates was not possible, and work on this 

subject is currently under development. 

 

 

   

160  

   

161  

 

 

CHAPTER 6. Conclusions and Future Perspectives   

162  

The  aim  of  the presented work was  the design  and development  of  a  light‐controlled DNA  (or RNA) 

typewriter. During  the almost  five years of  research  several  landmarks were achieved, although many 

questions were still  left unanswered and new questions arised. The strategy  followed  is based on  the 

functionalization  of  nucleotides with  photoremovable  protecting  groups  (caged‐nucleotides)  that  can 

only be incorporated  in a growing nucleic acid chain when the protecting group  is released. In order to 

release  a  certain  nucleotide,  each  should  be  functionalized  with  a  protecting  group  absorbing  in  a 

specific and exclusive wavelength. Thus, irradiating the solution with monochromatic light would release 

the  desired  nucleotide  that  can  be  incorporated  in  the  growing  strand,  in  a  template‐independent 

fashion.  The  suppression  of  DNA  complementarity  can  be  overcomed  by  using  a  particular  DNA 

polymerase – Terminal deoxynucleotidyl Transferase (TdT), so that a function between the availability of 

a certain nucleotide and its incorporation dictates the sequence of the strand being formed and not the 

template strand sequence. 

 

Starting with the choice of a suitable caging group, the 4‐methylcoumarin derivatives were thought to be 

the best match to fulfill all the requirements. The substituent pattern of the coumarinic core tunes the 

absorption of the molecule in the visible region of the spectrum. The 7‐diethylamino‐4‐methylcoumarin 

(DEACM) was selected as a model protecting group and a study of the photochemistry of the simplest 

DEACM  esters  –  DEACM‐P  – was  performed  as  function  of  pH.  It was  found  that  the  pH  produces 

significant  changes  in  the  photochemical  quantum  yield  of  DEACM‐P.  The  observed  changes  are 

complementary to those obtained  from the  fluorescence quantum yield,  i.e., Φchem decreases with the 

disappearance of the DEACM‐HPO4– species to yield DEACM‐PO4

2– while the fluorescence quantum yield 

increases. For DEACM‐P, we show that a 14× overall decrease in photochemistry quantum yield was due 

to deprotonation of the phosphate group. Furthermore, time resolved fluorescence and flash photolysis 

experiments point to:  

 

i) Hydroxyl concentration affects S1 decay  indirectly, possibly  through an  intermediary 

species formed in the first photochemical step; 

ii) ii) A long decay time transient was identified whose decay rate depends linearly on the 

hydroxyl anion concentration, consistent with the intermediary species;  

iii) iii)  The  intermediary  is  quenched  by  hydroxyl  anion with  a  diffusional‐limited  rate 

constant, and;  

iv) iv) The intermediary seems to present a cationic nature. 

163  

Flash photolysis studies were also performed  in an attempt to characterize the  intermediary nature  in 

DEACM photochemistry. The observed  transient’s  lifetime did not  vary with  the presence/absence of 

molecular  oxygen  or  with  increasing  concentration,  discarding  triplet‐triplet  transition  as  transient 

absorption’s  nature.  The  recovery  at  the  ground‐state  coumarin  absortion  wavelengths  however, 

presented a bi‐exponential decay  in which one of  the components was quenched by oxygen. Also, no 

transient at 700 nm corresponding to the solvated electron was observed, ruling out the identification of 

the  transient  absorbing  at  500  nm  as  DEACM  radical  cation,  as  proposed  by  Johnson  and  co‐

workers.[189,190]  

 

The  successful  synthesis of  a  caged‐nucleotide  – DEACM‐ATP  – was  achieved,  although  the  synthesis 

process  is  cumbersome,  time  consuming  and  result  in  low  yields.  Several  attempts  to obtain  a more 

direct synthesis route were pursued,  in particular the direct reaction of DEACM‐OH with activated ATP 

(data not presented), but no product formation was observed. 

 

The photophysical characterization of DEACM‐ATP indicated, when compared to DEACM‐P, a red‐shift in 

absorption, decrease  in  the  7‐amino protonation pKa,  considerable  increase  in  fluorescence quantum 

yield  and  lifetime.  These  differences  were  attributed  to  the  presence  of  a  ground‐state  interaction 

between the coumarin and adenine rings, forming a sandwich conformer. This conformer might  impair 

the 7‐diethylamino group  rotation  in  the excited  state,  reducing  the possibility of non‐radiative decay 

through  efficient  TICT  state.  Photochemical  DEACM‐ATP  characterization  revealed  that  the  quantum 

yield of DEACM‐ATP cleavage  is considerably higher than DEACM‐OH and ATP formation, which cannot 

be  accounted  as  experimental  error. Moreover,  DEACM‐ATP  photochemical  quantum  yield  increases 

with  increasing pH  values,  and  thus OH‐  concentration,  as expected  from  the  studies  conducted with 

DEACM‐P.  The  DEACM‐OH’s  does  not.  Although  no  additional  coumarin  photo‐products were  found 

during  experiments,  there  is  a  strong possibility  that  coumarin‐adenine dimers  (produced due  to  the 

presence of  a  sandwich  conformer)  could’ve been missed,  since dimerization would  lead  to  a  strong 

blue‐shift in absorption. 

 

The DEACM‐ATP was used as a single source of ATP in a light‐activated in vitro transcription reaction. In 

the absence of  irradiation the DEACM was proven to efficiently block ATP  incorporation by the T7 RNA 

Polymerase, and  thus only  residual product  formation was observed. After  light  irradiation  full‐length 

specific transcription product was produced. These results taken together shown that light can be used 

164  

as  an  ON  input  signal  to  nucleic  acids  synthesis.  Synthesis  of  MCM‐ATP  and MCM‐GTP,  and  their 

successful  application  to  light‐activated  in  vitro  transcription  reactions,  shown  that  the  approach  is 

extendable to other nucleotides and caging groups. It is proposed that the universality of the proposed 

strategy  is  related with  the  functionalization  of  the  coumarin molecule  in  the  triphosphate moiety, 

producing a double effect on the polymerase:nucleotide recognition as substrate:  

 

i) The presence of an additional ester group alters considerably  the prototropic equilibrium of 

the triphosphates moiety, essential for magnesium‐assisted catalysis  

ii) The presence of a bulky hydrophobic group hampers the correct alignment of the nucleotide 

in the hydrophilic polymerase’s active site, decreasing dramatically the protein activity 

 

It was also  found  that  the DEACM‐OH produced after ATP  release had an  inhibitory effect  in T7 RNA 

Polymerase activity,  for  concentrations higher  than 25 μM. The exact mechanism  is unknown, but no 

change  in product  size was  found.  Fluorescence  studies  showed  that DEACM‐OH  interacts  specifically 

with the polymerase and not with template DNA, as a 2 nm red‐shift in emission and a 20% decrease in 

fluorescence quantum yield were observed  in the presence of the polymerase. This  indicated that, due 

to  solvatochromic  properties  of  coumarin  derivatives,  the  DEACM‐OH  is  in  a  different  molecular 

environment than bulk solvent, which taken together with the absence of a irreversible inhibition (due to 

the  presence  of  full  transcription  products  and  the  absence  of  truncated  ones)  is  consistent with  a 

partition of the DEACM‐OH to T7 RNA Polymerase’s active site. Moreover, this partition is thought to be 

associated to poor DEACM‐OH solubility in water. 

 

In  order  to  overcome  the  inhibition  effect,  a  supramolecular  strategy  to  sequester  the  DEACM‐OH 

formed  upon  DEACM‐ATP  cleavage  was  pursued.  Two  different  scavengers  were  screened  for  their 

ability  to  form  a  complex  with  DEACM‐OH  and  preventing  the  nefarious  interaction  with  T7  RNA 

Polymerase. The first scavenger ‐ β‐lactoglobulin – showed a significant reduction of activity in a regular 

transcription  reaction  per  se,  and  was  thus  abandoned.  The  second  scavenger  ‐  β‐cyclodextrin  – 

presented  a  satisfactory  association  constant  (Ka  =  5  ×  103 M‐1) with  the DEACM‐OH,  forming  a  1:1 

complex.  The  association,  however,  was  not  specific  for  the  alcohol  molecule  and  a  

cyclodextrin/DEACM‐ATP was also obtained  (Ka = 9 × 103 M‐1). The  formation of  this complex did not 

interfere with DEACM‐ATP photochemistry, and the same photochemical quantum yields  for both  free 

and complexed forms were found. When 500 μM of β‐cyclodextrin was added to a light‐activated in vitro 

165  

transcription reaction, a 50% reduction in inhibitory effect was attained. The strategy proposed has the 

advantage of being easily adapted to new caging groups and nucleotides, without requiring cumbersome 

and time‐consuming changes in synthesis routes, as proposed by Furuta[71] and Hagen[114]. 

 

The next step in the path towards the goal was to overcome a process that Nature has been developing 

for  millions  of  years:  the  complementarity  of  the  DNA  double  strand,  and  the  template‐driven 

polymerization by Polymerases. The solution  found was to use a unique category of DNA polymerases 

that perform the addition of nucleotides in a template‐independent fashion – Terminal deoxynucleotidyl 

Transferase. This polymerase showed a preference for the synthesis of dA and dT homopolymers, rather 

than dG and dC, forming  longer chains for the former (45 and 40 bases, respectively) than the  last (30 

bases). Overcoming the issue of the complementarity using TdT raised an additional problem, related to 

the incorporation of n, n+1, n+2, … , n+m nucleotides, when a certain nucleotide is released in solution. 

The  solution  found was a  statistical/probabilistic approach. The generation of  a distribution of  strand 

sizes  depends  not  only  on  TdT  intrinsic  catalytic  properties  but  also  on  reaction  conditions,  such  as 

concentration, initial nucleotide concentration and ratio, temperature and reaction time, etc. Studies are 

being conducted to narrow the product distribution size  in order to  increase the number of bases that 

might be incorporated with a satisfactory confidence interval in the final sequence obtained. 

 

TdT  also  presents  the  ability  to  incorporate  ribonucleotides,  although  it  is  unable  to  form  long 

homopolymers.  This  presented  a  good  opportunity  to  test  the  caged‐nucleotides  principle with  TdT, 

since  the  synthesis  of  caged‐dNTP was  not  pursued. When DEACM‐ATP was  used  as  source  of  ATP, 

similar results were obtained when no ATP was present in the control sample, i.e. no nucleotide addition 

could be detected. After  irradiation, an  increase  in product size was attained, showing  that DEACM  is 

also effective as a caging agent  in polymerization reactions catalyzed with TdT. Additionally, TdT didn’t 

show any  reduction  in activity  in  the presence of DEACM‐OH,  in concentrations up  to 150 μM. These 

results  suggest  that  a  caged‐dNTP will present  the  same behavior  as  the DEACM‐ATP,  and  that  light‐

controlled DNA polymerization is just one step away. 

 

After approaching the light‐activation of RNA (and DNA) polymerization, and after discussing the strategy 

for the step‐wise addition of nucleotides, the next step was to move from a single caged‐nucleotide to 

the selective release of a certain nucleotide  in a caged‐nucleotides mixture. For that, a second class of 

coumarin  derivatives  was  used  –  the  7‐methoxy‐4‐methylcoumarins  (MCM).  A  palette  of  four 

166  

compounds  was  successfully  synthesized:  DEACM‐ATP,  DEACM‐GTP,  MCM‐ATP  and  MCM‐GTP.  The 

spectral  separation between  the  two classes of compounds was near optimal, with DEACM maximum 

absorption at 390 nm and MCM at 325 nm. However, the DEACM also presents residual absorption at 

325 nm. At this wavelength, the photochemical quantum yield of the DEACM is approximately 1/5 of the 

MCM  derivatives.  This  leakage might  be minimized with  a  concentration  inbalance  between  the  two 

compounds:  excess MCM‐caged  nucleotides will  promote  a  larger  “competition  for  irradiation  light”, 

leading to a higher number of MCM molecules cleaved with lower irradiation times. When used in light‐

activated  in vitro transcription reactions, both MCM‐caged nucleotides presented similar behavior than 

DEACM‐ATP‐activated  reactions.  This  showed  that  the  strategy  proposed  is  universal  and  can  be 

extended to both different caging groups and nucleotides. When DEACM‐GTP was used as sole source of 

GTP, after irradiation no product could be detected. No clear explanation for this unexpected result was 

found and further studies need to be conducted to clarify this issue. 

 

A  binary  system  of  selective  excitation  and  consequent  release  of  nucleotides was  devised  to  light‐

input/RNA‐output  logic gates. AND, OR and NOT  logic gates were constructed based on the release of 

ATP and/or GTP, caged by DEACM and/or MCM. Light with different wavelengths is used as input signals, 

and  the  consequent  production  (or  absence)  of  a  transcription  product  is  used  as  an  output.  As  in 

voltage‐gated logic circuits, this system also presents the advantage of overcoming the DEACM  leakage 

at  325  nm  problem  –  the  leakage might  lead  to  residual  production  of  RNA when  325  nm  light  is 

exclusively used  in AND  logic gates. However, establishing a transcription  level threshold to distinguish 

between  a  (1,1)  input  and  a  (0,1)  (or  (1,0))  leads  to  a  clear  differentiation  between  the  two  output 

situations, just as in electronic computing devices. Unfortunately, there was not enough time to perform 

the necessary experimental studies on these logic gates during the course of this work. 

 

Regarding  the DNA typewriter,  the selective  release of nucleotides stands,  in the state of the art, of a 

binary  system,  although  a  quaternary  system  is  necessary.  As  discussed  in  Section  5.1,  through  the 

functionalization of the coumarinic core with “exotic” electron‐widthrawing groups in the 3‐position, the 

absorption spectrum of the coumarin derivative can be shifted further into the red. Nevertheless, if this 

might be  true  for  attaining  a  caged‐nucleotide  absorbing  in  the 450 nm  region,  it  is not  likely  that  a 

fourth group might be produced using coumarin derivatives. No additional photoremovable protecting 

group absorbing at wavelengths higher than 500 nm was, so far, reported in the literature. A new group 

of photolabile protecting groups is therefore necessary. 

167  

 

Analyzing the electronic transition, the molecular structure and molecular orbitals involved in coumarin 

excitation and photochemistry,  some paralelism was  found  in xantene and  flavillium  salts. Due  to  the 

knwolege and experience working with  flavillium salt compounds  in our photochemistry group several 

studies were  conducted  to  screen  this  class of molecules  for  their possible application as photolabile 

protecting groups. As  in  coumarin derivatives,  the  substituent pattern of  the  flavillium  core produces 

dramatic  changes  in  the  molecule’s  absorption  that  spam  deep  into  the  visible.  The  

7‐hydroxy‐4‐methylflavillium was used as model compound to search  for a synthesis route to obtain a  

4‐hydroxymethyl derivative that could be coupled to a phosphate group and test for photochemistry. A 

set of unclear data point out for the successful synthesis of the 7‐hydroxy‐4‐hydroxymethylflavillium salt, 

but  it  could  not  be  efficiently  isolated  and  presented  poor  water  stability.  The  project  of  pursuing 

flavillium‐based photolabile protecting groups is currently under development by our group. 

 

As  a  general  perspective  of  the  goals  achieved,  in  the  past  five  years  many  milestones  were 

accomplished  and much was  learnt  about  this  exciting  field.  Clearly  there  are many  obstacles  to  be 

overcome  in  order  to  achieve  a  light‐controlled  typewriter.  Also,  many  questions  were  raised,  in 

particular  the  difference  between  the  DEACM‐ATP  (or  DEACM‐GTP)  cleavage  quantum  yield  and  

DEACM‐OH formation quantum yield. My major personal concern is, however, the control of the number 

of  nucleotides  that  are  incorporated  upon  release.  The  statistic  approach  is  one  answer,  but  only 

thorough experiments will prove if this strategy might be used in such a refined application. Our group is 

currently working on this subject as well. The overall path was long, it still is, but it has, and certainly will, 

open several doors for new related projects. And at the end, we might have contributed to light the way 

on DNA synthesis. 

 

 

    

168  

   

169  

  

 

REFERENCES   

170  

[1] F. Crick (1970) Central Dogma in Molecular Biology. Nature, 227, 561‐563 

 

[2] H.  Lodish, A. Berk, P. Matsudaira, C.A. Kaiser, M. Krieger, M.P.  Scott,  L.  Zipursky,  J. Darnel  (2003) 

Molecular Cell Biology, 5th edition. W. H. Freeman, New York, USA 

 

[3] J.D. Watson, F.H.C. Crick (1953) Molecular Structure of Nucleic Acids. Nature, 4356, 737‐738 

 

[4] B. Lewin (2004) Genes VIII. Pearson Prentice Hall, Upper Saddle River, USA 

 

[5] R.D. Kornberg (2007) The molecular basis of eucaryotic transcription. Cell Death Differ, 14, 1989‐1997 

 

[6] P.H. Patel, M. Suzuki, E. Adman, A. Shinkai, L.A. Loeb (2001) Prokaryotic DNA Polymerase I: Evolution, 

Structure, and ``Base Flipping'' Mechanism for Nucleotide Selection.  J  Mol Biol, 308, 823‐837 

 

[7] A.J. Berdis (2009) Mechanism of DNA polymerases. Chem Rev, 109, 2862‐2879 

 

[8] M.M. Hingorani, M. O'Donnell (2000) DNA Polymerase Structure and Mechanisms of Action. Curr Org 

Chem, 4, 887‐913 

 

[9]  K.A.  Johnson  (2010)  The  kinetic  and  chemical  mechanism  of  high‐fidelity  DNA  polymerases. 

Biochimica et Biophysica Acta, 1804, 1041‐1048 

 

[10] C.M.  Joyce  (1997) Choosing  the  right sugar: How polymerases  select a nucleotide substrate. Proc 

Natl Acad Sci USA, 94, 1619–1622 

 

[11] U. Hubscher, G. Maga, S. Spadari (2002) Eukatyotic DNA Polymerases. Annu Rev Biochem, 71, 133‐63 

 

[12] S. Ramanathan, K.V.R. Chary, B.J. Rao (2001) Incoming nucleotide binds to Klenow ternary complex 

leading to stable physical sequestrion of preceding dNTP on DNA. Nucleic Acids Res, 29, 2097‐2105 

 

[13]  S.N.  Kochetkov,  E.E.  Rusakova,  V.L.  Tunitskaya  (1998)  Recent  studies  of  T7  RNA  polymerase 

mechanism. FEBS Lett, 440, 264‐267 

171  

[14]  G.M.T.  Cheetham,  T.A.  Steitz  (2000)  Insights  into  transcription:  structure  and  function  of 

singlesubunit DNA‐dependent RNA polymerases. Curr Opin Struct Biol, 10, 117‐123 

 

[15] L. Bai, T.J. Santangelo, M.D. Wang (2006) Single‐Molecule Analysis of RNA Polymerase Transcription. 

Annu Rev Biophys Biomol Struct, 35, 343‐360 

 

[16]  A. Gnatt  (2002)  Elongation  by  RNA  polymerase  II:  structure–function  relationship.  Biochimica  et 

Biophysica Acta, 1577, 175‐190 

 

[17] R. Sousa (1996) Structural and mechanistic relationships between nucleic acid polymerases. Trends 

Biochem Sci, 21, 186‐190 

 

[18] D.A. Erie (2002) The many conformational states of RNA polymerase elongation complexes and their 

roles in the regulation of transcription. Biochimica et Biophysica Acta, 1577, 224‐239 

 

[19] F. Brueckner,  J. Ortiz, P. Crame  (2009) A movie of  the RNA polymerase nucleotide addition cycle. 

Curr Opin Struc Biol, 19, 294‐299 

 

[20]  S.N.  Kochetkov,  E.E.  Rusakova,  V.L.  Tunitskaya  (1998)  Recent  studies  of  T7  RNA  polymerase 

mechanism. FEBS Lett, 440, 264‐267 

 

[21] A. Dvir (2002) Promoter escape by RNA polymerase II. Biochimica et Biophysica Acta, 1577, 208‐223 

 

[22] R. Landick (2004) Active‐Site Dynamics in RNA Polymerases. Cell, 116, 351–358 

 

[23] D. Temiakov,   V. Patlan, M. Anikin, W.T. McAllister, S. Yokoyama, D.G. Vassylyev  (2004) Structural 

Basis for Substrate Selection by T7 RNA Polymerase. Cell, 116, 381–391 

 

[24]  J.B.  Boule,  F.  Rougeon,  C.  Papanicolaou  (2001)  Terminal  Deoxynucleotidyl  Transferase 

Indiscriminately Incorporates Ribonucleotides and Deoxyribonucleotides. J Biol Chem, 276, 31388–31393 

 

172  

[25] M.  Delarue,  J.B.  Boule,  J.  Lescar,  N.  Expert‐Bezancon,  N.  Jourdan,  N.  Sukumar,  F.  Rougeon,  C. 

Papanicolaou  (2002)  Crystal  structures  of  a  template  independent DNA  polymerase: murine  terminal 

deoxynucleotidyltransferase. EMBO J, 21, 427‐439 

 

[26] F.J. Bollum (1960) Calf thymus polymerase. J Biol Chem, 235, 2399‐2403 

 

[27] D. Baltimore  (1974)  Is  terminal deoxynucleotidyl  transferase a somatic mutagen  in  lymphocytes?. 

Nature, 248, 409‐411 

 

[28]  S.V.  Desiderio,  G.D.  Yancopoulos,  M.  Paskind,  E.  Thomas,  M.A.  Boss,  N.  Landau,  F.W.  Alt,  D. 

Baltimore (1984) Insertion of N regions into heavy‐chain genes is correlated with expression of terminal 

deoxytransferase in B cells. Nature, 311, 752‐755 

 

[29] E.A. Motea, A.J. Berdis (2010) Terminal deoxynucleotidyl transferase: The story of a misguided DNA 

polymerase. Biochimica et Biophysica Acta, 1804, 1151‐1166 

 

[30] M.F. Goodman, S. Creighton, L.B. Bloom,  J. Petruska  (1993) Biochemical Basis of DNA Replication 

Fidelity. Crit Rev Biochem Mol, 28, 83‐126 

 

[31] F.J. Calzone, R.J. Britten, E.H. Davioson (1987) Mapping of Gene Transcripts by Nuclease Protection 

Assays and cDNA Primer Extension. Method Enzymol, 152, 611‐632 

 

[32] W.R. Boorstein, E.A. Craig (1989) Primer Extension Analysis of RNA. Method Enzymol, 180, 347‐369 

 

[33]  S.S.  Carroll,  S.J.  Benkovic  (1990) Mechanistic  Aspects  of DNA  Polymerases:  Escherichia  coli DNA 

Polymerase I (Klenow Fragment) as a Paradigm. Chem Rev, 90, 1291‐1307 

 

[34]  K. Mullis,  F.  Faloona  (1987)  Specific  synthesis  of  DNA  in  vitro  via  a  polymerase‐catalyzed  chain 

reaction. Methods in enzymology, 155, 335 

 

[35] M.J. McPherson,  P.  Quirke,  G.R.  Taylor  (1994)  PCR,  Volume  1  –  A  Practical  Approach.  Oxford 

University Press, Oxford, United Kingdom 

173  

[36] M.J. McPherson,  P.  Quirke,  G.R.  Taylor  (1995)  PCR,  Volume  2  –  A  Practical  Approach.  Oxford 

University Press, Oxford, United Kingdom 

 

[37]  W.M.  Freeman,  S.J.  Walker,  K.E.  Vrana  (1999)  Quantitative  RT‐PCR:  Pitfalls  and  Potential. 

BioTechniques, 26, 112‐125 

 

[38] G.R. Mazars, C. Moyret, P. Jeanteur, C.G. Theillet (1991) Direct sequencing by thermal asymmetric 

PCR. Nucleic Acids Res, 19, 4783 

 

[39] S. Perrin, G. Gilliland (1990) Site‐specific mutagenesis using asymmetric polymerase chain reaction 

and a single mutant primer. Nucleic Acids Res, 18, 7433‐7438 

 

[40] Q. Chou, M. Russell, D.E. Birch, J. Raymond, W. Bloch (1992) Prevention of pre‐PCR mis‐priming and 

primer dimerization improves low‐copy‐number amplifications. Nucleic Acids Res, 20, 1717‐1723 

 

[41] D. Kellogg  (1994) TAQStart antibody(TM)  ‐ Hot  start PCR  facilitated by a neutralizing monoclonal 

antibody directed against TAQ DNA polymerase. Biotechniques, 16, 1134  

 

[42]  J.G. Herman,  J.R. Graff,  S. Myohanen, B.D. Nelkin,  S.B. Baylin  (1996) Methylation‐specific PCR: A 

novel PCR assay for methylation status of CpG islands. Proc Natl Acad Sci USA, 93, 9821‐9826 

 

[43] E. Aurelius, B. Johansson, B. Skoldenberg, A. Staland, M. Forsegren (1991) Rapid diagnosis of herpes 

simplex encephalitis by nested polymerase chain reaction assay of cerebrospinal fluid. Lancet, 337, 189‐

192 

 

[44] R.J.M. Berkhout, L.M. Tieben, H.L. Smits, J.N.B. Bavink, B.J. Vermeer, J. Schegget (1995) Nested PCR 

Approach  for  Detection  and  Typing  of  Epidermodysplasia  Verruciformis‐Associated  Human 

Papillomavirus Types  in Cutaneous Cancers from Renal Transplant Recipients. J Clin Microbiol, 33, 690‐

695 

 

[45]  K.J.  Livak,  T.D.  Schmittgen  (2001)  Analysis  of  Relative  Gene  Expression  Data  Using  Real‐Time 

Quantitative PCR and the 22DDCT Method. Methods, 25, 402‐408 

174  

[46] C.A. Heid,  J. Stevens, K.J.  Livak, P.M. Williams  (1996) Real  time quantitative PCR. Genome Res, 6, 

986‐994 

 

[47] S.A. Bustin (2000) Absolute quantification of mRNA using real‐time reverse transcription polymerase 

chain reaction assays. J Mol Endocrinol, 25, 169‐193 

 

[48]  N.F.  Lue,  P.M.  Flanagan,  R.J.  Kelleher,  A.M.  Edwards,  R.D.  Kornberg  (1991)  RNA  Polymerase  II 

transcription in vitro. Method Enzymol, 194, 545‐550 

 

[49] J. Sambrook, D.W. Russell  (2001) Molecular cloning: a  laboratory manual, 3rd Edition, Cold Spring 

Harbor Laboratory Press, New York, USA 

 

[50]  http://www.fermentas.com/templates/files/tiny_mce/coa_pdf/coa_ep0111.pdf  ‐  T7  RNA Polymerase  specs  datasheet,  product  #EP0111,  Fermentas,  Vilnius,  Lithuania.  Information  and  link  in August 18th, 2010  

[51] J.C. Alwine, D.J. Kemp, G.R. Stark  (1977) Method  for detection of specific RNAs  in agarose gels by 

transfer to diazobenzyloxymethyl‐paper and hybridization with DNA probes. Proc Natl Acad Sci USA, 74, 

5350‐5354 

 

[52] P.S. Thomas  (1983) Hybridization of denatured RNA  transferred or dotted to nitrocellulose paper. 

Method Enzymol, 100, 255‐266 

 

[53]  J. Meinkoth,  G. Wahl  (1984)  Hybridization  of  nucleic  acids  immobilized  on  solid  supports.  Anal 

Biochem, 138, 167‐284 

 

[54]  R.I. Amann, W.  Ludwig,  K.H.  Schleifer  (1995)  Phylogenetic  identification  and  in‐situ  detection  of 

individual microbial‐cells without cultivation. Microbiol Rev, 59, 143‐169 

 

[55] M. Deo,  J.Y.  Yu,  K.H.  Chunq, M.  Tippens, D.L.  Turner  (2006) Detection  of mammalian microRNA 

expression by in situ hybridization with RNA oligonucleotides. Dev Dynam, 235, 2538‐2548 

 

175  

[56]  L.  Kearney  (2006) Multiplex‐FISH  (M‐FISH):  technique,  developments  and  applications.  Cytogen 

Genome Res, 114, 189‐198 

 

[57] J.M. Levsky, R.H. Singer (2003) Fluorescence in situ hybridization: past, present and future. J Cell Sci, 

116, 2833‐2838 

 

[58] M.S.  Bartolomei,  S.  Zemel,  S.M.  Tilghman  (1991)  Parental  imprinting  of  the mouse  H19  gene. 

Nature, 351, 153‐155 

 

[59]  G.J.R.  Zaman,  C.H.M.  Versantvoort,  J.J.M.  Smit,  E.W.  Eijdems,  M.  Dehaas,  A.J.  Smith,  H.J. 

Broxterman, N.H. Mulder, E.G.E. Devries, F. Baas, P. Borst (1993)Analysis of the expression of MRP, the 

gene for a new putative transmembrane drug transporter, in human multidrug resistant lung‐cancer cell‐

lines. Cancer Res, 53, 1747‐1750 

 

[60] A. Vidal‐Puig, M. JimenezLinan, B.B. Lowell, A. Hamann, E. Hu, B. Spiegelman, J.S. Flier, D.E. Moller 

(1996) Regulation of PPAR gamma gene expression by nutrition and obesity in rodents. J Clin Invest, 97, 

2553‐2561 

 

[61] R.C.  Lee, R.L. Feinbaum, V. Ambros  (1993) The C. elegans heterchronic gene  Lin‐4 encodes  small 

RNAs with antisense complementary to Lin‐14. Cell, 75, 843‐854 

 

[62] A.J. Hammilton, D.C. Baulcombe (1999) A species of small antisense RNA in posttranscriptional gene 

silencing in plants. Science, 216, 950‐952 

 

[63] D.A. Knecht, W.F. Loomis (1987) Antisense RNA inactivation of myosin heavy‐chain gene‐expression 

in Dictyostelium discoideum. Science, 236, 1081‐1086 

 

[64] A. Fire, S.Q. Xu, M.K. Montgomery, S.A. Kostas, S.E. Driver, C.C. Mello  (1998) Potent and  specific 

genetic interference by double‐stranded RNA in Caenorhabditis elegans.  Nature, 391, 806‐811 

 

[65] G.J. Hannon (2002) RNA interference. Nature, 418, 244‐251 

 

176  

[66]  R.  Vassar,  B.D.  Bennett,  S.  Babu‐Khan,  S.  Kahn,  E.A. Mendjaz,  P. Denis, D.B.  Teplow,  S.  Ross,  P. 

Amarante, R. Loeloff, Y. Luo, S. Fisher, L. Fuller, S. Edenson, J. Lile, M.A. Jarosinski, A.L. Biere, E. Curran, T. 

Burgess,  J.C.  Louis,  F.  Collins,  J.  Treanor,  G.  Rogers,  M.  Citron  (1999)  beta‐Secretase  cleavage  of 

Alzheimer's amyloid precursor protein by the transmembrane aspartic protease BACE. Science, 286, 735‐

741 

 

[67] G. Mayer, A. Heckel (2006) Biologically Active Molecules with a “Light Switch”. Angew Chem Int Ed, 

45, 4900‐4921 

 

[68]  T.  Furuta,  S.S.H. Wang,  J.L. Dantzker,  T.M. Dore, W.J. Bybee,  E.M. Callaway, W. Denk, R.Y.  Tsien 

(1999)  Brominated  7‐hydroxycoumarin‐4‐ylmethyls:  Photolabile  protecting  groups  with  biologically 

useful cross‐sections for two photon photolysis. Proc Natl Acad Sci USA, 96, 1193‐1200 

 

[69] S.R. Adams, R.Y. Tsien  (1993) Controlling cell chemistry with caged compounds. Annu Rev Physiol, 

55, 755‐784 

 

[70]  R.  Hoffman,  P.  Wells,  H.  Morrison  (1971)  Further  Studies  on  the  Mechanism  of  Coumarin 

Photodimerization ‐ Observation of an Unusual “Heavy Atom” Effect. J Org Chem, 36, 102‐108 

 

[71]  T.  Furuta,  H.  Takeuchi,  M.  Isozaki,  Y.  Takahashi,  M.  Kanehara,  M.  Sugimoto,  T.  Watanabe,  K. 

Noguchi, T.M. Dore, T. Kurahashi, M. Iwamura, R.Y. Tsien (2004) Bhc‐cNMPs as either Water‐Soluble or 

Membrane‐Permeant  Photoreleasable  Cyclic  Nucleotides  for  both  One‐  and  Two‐Photon  Excitation. 

ChemBioChem, 5, 1119‐1128 

 

[72]  G.C.R.  Ellis‐Davies  (2007)  Caged  compounds:  photorelease  technology  for  control  of  cellular 

chemistry and physiology. Nat Methods, 4, 619‐628 

 

[73] E.M. Callaway, R. Yuste (2002) Stimulating neurons with light. Curr Opin Neurobiol, 12, 587‐592 

 

[74]  L.R.  Shao,  F.E. Dudek  (2005)  Electrophysiological  Evidence Using  Focal  Flash  Photolysis  of  Caged 

Glutamate  That  CA1  Pyramidal  Cells  Receive  Excitatory  Synaptic  Input  From  the  Subiculum.  J 

Neurophysiol, 93, 3007‐3011 

177  

[75] W. Maier,  J.E.T.  Corrie,  G.  Papageorgiou,  B.  Laube,  C.  Grewer  (2005)  Comparative  analysis  of 

inhibitory effects of caged ligands for the NMDA receptor. J Neurosci Methods, 142, 1‐9 

 

[76]  M.  Canepari,  L.  Nelson,  G.  Papageorgiou,  J.E.T.  Corrie,  D.  Ogden  (2001)  Photochemical  and 

pharmacological evaluation of 7‐nitroindolinyl‐and 4‐methoxy‐7‐nitroindolinyl‐amino acids as novel, fast 

caged neurotransmitters. J Neurosci Methods, 112, 29‐42 

   

[77] G. Papageorgiou, D.C. Ogden, A. Barth, J.E.T. Corrie (1999) Photorelease of Carboxylic Acids from 1‐

Acyl‐7‐nitroindolines  in Aqueous Solution:  Rapid and Efficient Photorelease of L‐Glutamate. J Am Chem 

Soc, 121, 6503‐6504 

 

[78] G. Lowe (2003) Flash Photolysis Reveals a Diversity of Ionotropic Glutamate Receptors on the Mitral 

Cell Somatodendritic Membrane. J Neurophysiol, 90, 1737‐1746 

 

[79]  H.G.A.  Breitinger,  R.  Wieboldt,  D.  Ramesh,  B.K.  Carpenter,  G.P.  Hess  (2000)  Synthesis  and 

Characterization  of  Photolabile  Derivatives  of  Serotonin  for  Chemical  Kinetic  Investigations  of  the 

Serotonin 5‐HT3 Receptor. Biochemistry, 39, 5500‐5508 

 

[80] T.H.  Lee,  K.R. Gee,  C. Davidson,  E.H.  Ellinwood  (2002) Direct,  real‐time  assessment  of  dopamine 

release autoinhibition in the rat caudate‐putamen. Neuroscience, 112, 647‐54 

 

[81] T. Kuner, Y. Li, K.R. Gee, L.F. Bonewald, G.J. Augustine (2008) Photolysis of a caged peptide reveals 

rapid  action of N‐ethylmaleimide  sensitive  factor before neurotransmitter  release, Proc Natl Acad  Sci 

USA, 105, 347‐352 

 

[82] M. Desai‐Shah, R.L. Cooper (2009) Different Mechanisms of Ca2+ RegulationThat Influence Synaptic 

Transmission:  Comparison  Between  Crayfish  and  Drosophila  Neuromuscular  Junctions.  Synapse,  63, 

1100‐1121 

 

[83] A.P.H.  Jong, M. Verhage  (2009) Presynaptic  signal  transduction pathways  that modulate  synaptic 

transmission. Curr Opin Neurobiol, 19, 245‐253 

 

178  

[84]  F.J.  Urbano,  M.R.  Pagani,  O.D.  Uchitel  (2008)  Calcium  channels,  neuromuscular  synaptic 

transmission and neurological diseases. J Neuroimmunol, 201‐202, 136‐144 

 

[85] E. Neher,  T.  Sakaba  (2008) Multiple Roles of Calcium  Ions  in  the Regulation of Neurotransmitter 

Release. Neuron, 59, 861‐872 

 

[86] X. Cao, Y. Chen (2009) Mitochondria and calcium signaling  in embryonic development. Seminars  in 

Cell & Developmental Biology, 20, 337‐345 

 

[87] S.R. Adams, J.P.Y. Kao, G. Grynkiewicz, A. Minta, R.Y. Tsien (1988) Biologically useful chelators that 

release Ca2+ upon illumination. J Am Chem Soc, 110, 3212‐3220 

 

[88] S.R. Adams, V. Lev‐Ram, R.Y. Tsien (1997) A new caged Ca2+, azid‐1, is far more photosensitive than 

nitrobenzyl‐based chelators. Chem Biol, 4, 867‐878 

 

[89] G.C.R. Ellis‐Davies, J.H. Kaplan  (1988) A new class of photolabile chelators  for the rapid release of 

divalent cations: generation of Ca and caged Mg. J Org Chem, 53, 1966‐1969  

 

[90] G.C.R. Ellis‐Davies, J.H. Kaplan (1994) EGTA photolabile chelator that selectively binds Ca2+ with high 

affinity and releases it rapidly upon photolysis. Proc Natl Acad Sci USA, 91, 187‐191 

 

[91] Y.O. Matsuyama, Y. Tatsu (2008) Photocontrolled Cell Adhesion on a Surface Functionalized with a 

Caged Arginine‐Glycine‐Aspartate Peptide. Angew Chem Int Ed, 47, 7527‐7529 

 

[92] T. Kuner, Y. Li, K.R. Gee, L.F. Bonewald, G.J. Augustine (2008) Photolysis of a caged peptide reveals 

rapid  action of N‐ethylmaleimide  sensitive  factor before neurotransmitter  release. Proc Natl Acad  Sci 

USA, 105, 347‐352 

 

[93]  S.  Bourgault, M.  Letourneau,  A.  Fournier  (2007)  Development  of  photolabile  caged  analogs  of 

endothelin‐1. Peptides, 28, 1074‐1082 

 

179  

[94] N.Wu, A. Deiters, T. A. Cropp, D. King, P. G. Schultz (2004) A Genetically Encoded Photocaged Amino 

Acid. J Am Chem Soc, 126, 14306‐14307 

 

[95] L.Wang, P. G. Schultz (2005) Expanding the Genetic code. Angew Chem Int Ed, 44, 34‐66 

 

[96]  M.  Endo,  K.  Nakayama,  Y.  Kaida,  T.  Majima  (2004)  Design  and  synthesis  of  photochemically 

controllable caspase‐3. Angew Chem Int Ed, 43, 5643‐5645 

 

[97] W.  T. Monroe, M. M. McQuain, M.  S.  Chang,  J.  S.  Alexander,  F.  R.  Haselton  (1999)  Targeting 

Expression with Light Using Caged DNA. J Biol Chem, 274, 20895‐20900 

 

[98] H. Ando,  T.  Furuta,  R.  Y.  Tsien, H. Okamoto  (2001)  Photo‐mediated  gene  activation  using  caged 

RNA/DNA in zebrafish embryos. Nat Genet, 28, 317‐325 

 

[99] S. Shah, S. Rangarajan, S. H. Friedman (2005) Light‐Activated RNA Interference. Angew Chem Int Ed, 

44, 1328‐1332 

 

[100] V. Mikat, A. Heckel (2007) Light‐dependent RNA interference with nucleobase‐caged siRNAs. RNA, 

13, 2341‐2347 

 

[101] S.G. Chaulk, A.M. MacMillan (1998) Caged RNA: photo‐control of a ribozyme reaction. Nucleic Acids 

Res, 26, 3173‐3178 

 

[102] H.  Lusic, D.D.  Young, M.O.  Lively, A. Deiters  (2007) Photochemical DNA Activation. Org  Lett,  9, 

1903‐1906 

 

[103]  X.  Tang,  J.  Swaminathan,  A.M.  Gewirtz,  I.J.  Dmochowski  (2008)  Regulating  gene  expression  in 

human leukemia cells using light‐activated oligodeoxynucleotides. Nucleic Acids Res, 36, 559‐569 

 

[104]  X.  Tang,  S.  Maegawa,  E.S.  Weinberg,  I.J.  Dmochowski  (2007)  Regulating  Gene  Expression  in 

Zebrafish Embryos Using Light‐Activated, Negatively Charged Peptide Nucleic Acids. J Am Chem Soc, 129, 

11000‐11001 

180  

[105]  L. Krock, A. Heckel  (2005) Photoinduced Transcription by Using Temporarily Mismatched Caged 

Oligonucleotides, Angew Chem Int Ed, 44, 471‐473 

 

[106]  X.  Tang,  J.L. Richards, A.E.  Peritz,  I.J. Dmochowski  (2005)  Photoregulation of DNA polymerase  I 

(Klenow) with caged fluorescent oligodeoxynucleotides. Bioorg Med Chem Lett, 15, 5303‐5306 

 

[107] K. Tanaka, H. Katada, N. Shigi, A. Kuzuya, M. Komiyama (2008) Site‐Selective Blocking of PCR by a 

Caged Nucleotide Leading to Direct Creation of Desired Sticky Ends  in The Products.   ChemBioChem, 9, 

2120‐2126 

 

[108]  S. Munck, P. Bedner, T. Bottaro, H. Harz  (2004)  Spatiotemporal properties of  cytoplasmic  cyclic 

AMP gradients can alter the turning behaviour of neuronal growth cones. Eur J Neurisci, 19, 791‐797 

 

[109] H. Yoshimura, N. Kato (2000) Diverse roles of intracellular cAMP in early synaptic modifications in 

the rat visual cortex. J Physiol, 522, 417‐426 

 

[110] J. Pollock, J. H. Crawford, J. F. Wootton, J. E. T. Corrie, R. H. Scott (2003) A comparison between the 

distinct  inward  currents  activated  in  rat  cultured  dorsal  root  ganglion  neurones  by  intracellular  flash 

photolysis of two forms of caged cyclic guanosine monophosphates. Neurosci Lett, 338, 143‐146 

 

[111] H. Takeuchi, T. Kurahashi (2003) Identification of Second Messenger Mediating Signal Transduction 

in the Olfactory Receptor Cell. J Gen Physiol, 122, 557‐567 

 

[112] V. Hagen, J. Bendig, S. Frings, T. Eckardt, S. Helm, D. Reuter, U.B. Kaupp (2001) Highly Efficient and 

Ultrafast Phototriggers for cAMP and cGMP by Using Long‐Wavelength UV/Vis‐Activation. Angew Chem 

Int Ed, 40, 1046‐1048 

 

[113] V. Hagen, S. Frings, B. Wiesner, S. Helm, U.B. Kaupp, J. Bendig (2003) [7‐(Dialkylamino)coumarin‐4‐

yl]methyl‐Caged  Compounds  as  Ultrafast  and  Effective  Long‐Wavelength  Phototriggers  of  8‐Bromo‐

Substituted Cyclic Nucleotides. ChemBioChem, 4, 434‐442 

 

181  

[114]  V.  Hagen,  B.  Dekowski,  V.  Nache,  R.  Schmidt,  D.  Geissler,  D.  Lorenz,  J.  Eichhorst,  S.  Keller,  H. 

Kaneko,  K.  Benndorf,  B.  Wiesner  (2005)  Coumarinylmethyl  Esters  for  Ultrafast  Release  of  High 

Concentrations of Cyclic Nucleotides upon One‐  and  Two‐Photon Photolysis. Angew Chem  Int  Ed, 44, 

7887‐7891 

 

[115]  R.O.  Schonleber,  J.  Bendig,  V.  Hagen,  B.  Giese  (2002)  Rapid  Photolytic  Release  of  Cytidine  5’‐

Diphosphate from a Coumarin Derivative: a New Tool for the Investigation of Ribonucleotide Reductases. 

Bioorg Med Chem, 10, 97‐101 

 

[116] D. Geissler, W.  Kresse,  B. Wiesner,  J.  Bendig, H.  Kettenmann,  V. Hagen  (2003) DMACM‐Caged 

Adenosine Nucleotides: Ultrafast Phototriggers  for ATP, ADP, and AMP Activated byLong‐W avelength 

Irradiation. ChemBioChem, 4, 162‐170 

 

[116] T.S. Seo, X. Bai, D.H. Kim, Q. Meng, S. Shi, H. Ruparel, Z. Li, N.J. Turro, J. Ju (2005) Four‐color DNA 

sequencing by synthesis on a chip using photocleavable fluorescent nucleotides, Proc Natl Acad Sci USA, 

102, 5926‐5931 

 

[117] Q. Meng, D.H. Kim, X. Bai, L. Bi, N.J. Turro, J. Ju (2006) Design and Synthesis of a Photocleavable 

Fluorescent  Nucleotide  3¢‐O‐Allyl‐dGTP‐PC‐Bodipy‐FL‐510  as  a  Reversible  Terminator  for  DNA 

Sequencing by Synthesis. J Org Chem, 71, 3248‐3252 

 

[118] Z. Li, X. Bai, H. Ruparel, S. Kim, N.J. Turro, J. Ju (2003) A photocleavable fluorescent nucleotide for 

DNA sequencing and analysis. Proc Natl Acad Sci USA, 100, 414‐419 

 

[119] T.S. Seo, X. Bai, H. Ruparel, Z. Li, N.J. Turro, J. Ju (2004) Photocleavable fluorescent nucleotides for 

DNA sequencing on a chip constructed by site‐specific coupling chemistry. Proc Natl Acad Sci USA, 101, 

5488‐5493 

 

[120] X. Bai, Z. Li, S. Jockusch, N.J. Turro, J. Ju (2003) Photocleavage of a 2‐nitrobenzyl  linker bridging a 

fluorophore to the 5’ end of DNA. Proc Natl Acad Sci USA, 100, 409‐413 

 

182  

[121] J. Guo, L. Yu, N.J. Turro, J. Ju (2010) An Integrated System for DNA Sequencing by Synthesis Using 

Novel Nucleotide Analogues. Accounts Chem Res, 43, 551‐563 

 

[122] W.H. Li (2006) Crafting new cages. Nat. Methods, 3, 13‐15 

 

[123] H.M. Lee, D.R. Larson, D.S. Lawrence (2009)  Illuminating the Chemistry of Life: Design, Synthesis, 

and Applications of “Caged” and Related Photoresponsive Compounds. ACS Chem Biol, 6, 409‐427 

 

[124]  A.P.  Pelliccioli,  J.  Wirz  (2002)  Photoremovable  protecting  groups:  reaction  mechanisms  and 

applications. Photochem Photobiol Sci, 1, 441–458 

 

[125]  J.W.  Walker,  G.P.  Reid,  J.A.  McCray,  D.R.  Trentham  (1988)  Photolabile  1‐(2‐nitrophenyl)ethyl 

phosphate esters of adenine nucleotide analogues: Synthesis and mechanism of photolysis. J Am Chem 

Soc, 110, 7170‐7177 

 

[126]  M.E.  Riveiro,  N.D.  Kimpe,  A.  Moglioni,  R.  Vazquez,  F.  Monczor,  C.  Shavo,  C.  Davio  (2010) 

Coumarins: Old Compounds with Novel Promising Therapeutic Perspectives. Curr Med Chem, 17, 1325‐

1338 

 

[127]  M.A.  Musa,  J.S.  Cooperwood,  M.O.F.  Khan  (2008)  A  Review  of  Coumarin  Derivatives  in 

Pharmacotherapy of Breast Cancer. Curr Med Chem, 15, 2664‐2679 

 

[128] M. Curini, G. Cravotto, F. Epifano, G. Giannone (2006) Chemistry and biological activity of natural 

and synthetic prenyloxycoumarins. Curr Med Chem, 13, 199‐222 

 

[129]  D.  Voora,  H.L. McLeod,  C.  Eby,  B.F.  Gage  (2005)  The  pharmacogenetics  of  coumarin  therapy. 

Pharmacogenomics, 6, 503‐513 

 

[130] L. Wu, X. Wang, W. Xu, F. Farzaneh, R. Xu (2009) The Structure and Pharmacological Functions of 

Coumarins and Their Derivatives. Curr Med Chem, 16, 4236‐4260 

 

[131] R. D. H. Murray (1989) Coumarins. Natural Products Reports, 6, 477‐505 

183  

[132]  A.  Lacy,  R.  O’Kennedy  (2004)  Studies  on  Coumarins  and  Coumarin‐Related  Compounds  to 

Determine their Therapeutic Role in the Treatment of Cancer. Curr Pharm Design, 10, 3797‐3811 

 

[133]  K.C.  Fylaktakidoua,  D.J.  Hadjipavlou‐Litinab,  K.E.  Litinasc,  D.N.  Nicolaides  (2004)  Natural  and 

Synthetic Coumarin Derivatives with Anti‐Inflammatory/Antioxidant Activities. Curr  Pharm Design,  10, 

3813‐3833 

 

[134]  A.Z.  Suzuki,  T. Watanabe, M.  Kawamoto,  K. Nishiyama, H.  Yamashita, M.  Ishii, M.  Iwamura,  T. 

Furuta  (2003) Coumarin‐4‐ylmethoxycarbonyls  as Phototriggers  for Alcohols  and Phenols. Org  Lett, 5, 

4867‐4870 

 

[135] F. Kilic, N.D. Kashikar, R. Schmidt, L. Alvarez, L. Dai, I. Weyand, B. Wiesner, N. Goodwin, V. Hagen, 

U.B.  Kaupp  (2009)  Caged  Progesterone:  A  New  Tool  for  Studying  Rapid  Nongenomic  Actions  of 

Progesterone. J Am Chem Soc, 131, 4027‐4030 

 

[136] W. Lin, D.S. Lawrence  (2002) A Strategy  for  the Construction of Caged Diols Using a Photolabile 

Protecting Group. J Org Chem, 67, 2723‐2726 

 

[137] M. Lu, O.D. Fedoryak, B.R. Moister, T.M. Dore (2003) Bhc‐diol as a Photolabile Protecting Group for 

Aldehydes and Ketones. Org Lett, 5, 2119‐2122 

 

[138] K. K. Rohatgi‐Mukherjee  (1986) Fundamentals of Photochemistry, Revised Edition. Wiley Eastern 

Limited, New Deli, India 

 

[139]  A.  Gilbert,  J.  Baggott  (1991)  Essentials  of  Molecular  Photochemistry.  Blackwell  Scientific 

Publications, Oxford, United Kingdom 

 

[140]  X.  Yu,  D.  Scheller,  O.  Rademacher,  T. Wolff  (2003)  Selectivity  in  the  Photodimerization  of  6‐

Alkylcoumarins. J Org Chem, 68, 7386‐7399 

 

[141]  R.  Ainet  (1962)  The  Photodimers  of  coumarin  and  related  compounds.  Canadian  Journal  of 

Chemistry, 40, 1249‐1257 

184  

[142] G. Hammondch, A.A. Stout, A.A. Lamo (1964) Mechanisms of Photochemical Reactions in Solution. 

XXV: The Photodimerization of Coumarin. J Am Chem Soc, 86, 3103‐3106 

 

[143] H. Morrison, H. Curtis, T. McDowell (1966) Solvent Effects on the Photodimerization of Coumarin. J 

Am Chem Soc, 88, 5415‐5419 

 

[144] V. Ramamurthy, K.S. Schanze  (2005) Molecular and Supramolecular Chemistry – Optical Sensors 

and Switches, Volume 7. Marcel Dekker, Inc., New York, USA 

 

[145] J. S. Seixas de Melo, R. S. Becker, A. L. Maçanita (1994) Photophysical Behavior of Coumarins as a 

Function of Substitution and Solvent: Experimental Evidence for the Existence of a Lowest Lying 1(n,π*) 

State. J Phys Chem, 98, 6054‐6058 

   

[146]  A.  Barik,  S.  Nath,  H.  Pal  (2003)  Effect  of  solvent  polarity  on  the  photophysical  properties  of 

coumarin‐1 dye. J Chem Phys, 119, 10202‐10208 

 

[147]  J.  Seixas  de Melo, R.S.  Becker,  F.  Elisei, A.L. Maçanita  (1997)  The  photophysical  behavior  of  3‐

chloro‐7‐methoxy‐4‐methylcoumarin  related  to  the  energy  separation  of  the  two  lowest‐lying  singlet 

excited states. J Chem Phys, 107, 6062‐6069 

 

[148] S. Nad, H. Pal (2001) Unusual Photophysical Properties of Coumarin‐151. J Phys Chem A, 105, 1097‐

1106 

 

[149] H. Pal, S. Nad, M. Kumbhakar (2003) Photophysical properties of coumarin‐120: Unusual behavior 

in nonpolar solvents. J Chem Phys, 119, 443‐452 

 

[150] C. Reichardt, K. Dimroth (1968) Fortschr Chemischen Forschung, Bd 11/1 

 

[151] C. Reichardt (1988) Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry, 2nd Edition. VCH, Weinheim, 

Germany 

 

185  

[152] M.L. Horng,  J.A. Gardecki, A.  Papazyan, M. Maroncelli  (1995)  Subpicosecond Measurements  of 

Polar Solvation Dynamics: Coumarin 153 Revisited. J Phys Chem, 99, 17311‐17337 

 

[153] R.S. Moog, W.W. Davis, S.G. Ostrowski, G.L. Wilson (1999) Solvent effects on electronic transitions 

in several coumarins. Chem Phys Lett, 299, 265‐271 

 

[154] N. Mataga, Y. Kaifu, M. Koizumi (1956) Solvent Effects upon Fluorescence Spectra and the Dipole 

Moments of Excited Molecules. B Chem Soc Jpn 29, 465‐470 

 

[155]  G.  Jones  II,  W.R.  Jackson,  C.  Choi  (1985)  Solvent  Effects  on  Emission  Yield  and  Lifetime  for 

Coumarin Laser Dyes: Requirements for a Rotatory Decay Mechanism. J Phys Chem, 89, 294‐300 

 

[156]  P.  Dahiya,  M.  Kumbhakar,  T.  Mukherjee,  H.  Pal  (2005)  Effect  of  protic  solvents  on  twisted 

intramolecular charge transfer state formation in coumarin‐152 and coumarin‐481 dyes. Chem Phys Lett, 

414, 148‐154 

 

[157]  A.  Barik, M.  Kumbhakar,  S.  Nath,  H.  Pal  (2005)  Evidence  for  the  TICT mediated  non‐radiative 

deexcitation process  for  the excited  coumarin‐1 dye  in high polarity protic  solvents. Chem Phys, 315, 

277‐285 

 

[158] K. Das, B. Jain, H. S. Patel (2006) Hydrogen Bonding Properties of Coumarin 151, 500, and 35: The 

Effect of Substitution at the 7‐Amino Position. J Phys Chem A, 110, 1698‐1704 

 

[159]  T.L.  Arbeloa,  F.L.  Arbeloa,  M.J.  Tapia,  I.L.  Arbeloa  (1993)  Hydrogen‐Bonding  Effect  on  the 

Photophysical Properties of 7‐ Aminocoumarin Derivatives. J Phys Chem, 97, 4704‐4707 

 

 

[160] T. Gustavsson, L. Cassara, V. Gulbinas, G. Gurzadyan, J.C. Mialocq, S. Pommeret, 

M. Sorgius, P. van der Meulen (1998) Femtosecond Spectroscopic Study of Relaxation Processes of Three 

Amino‐Substituted Coumarin Dyes in Methanol and Dimethyl Sulfoxide. J Phys Chem A, 102, 4229‐4245 

 

186  

[161]  G.  Ciamician,  P.  Silber  (1902)  Chemische  Lichtwirkungen.  Berichte  der  deutschen  chemischen 

Gesellschaft, 35, 4229 

 

[162]  Z.  Guo,  T.  Jiao,  M.  Liu  (2007)  Effect  of  Substituent  Position  in  Coumarin  Derivatives  on  the 

Interfacial Assembly: Reversible  Photodimerization  and  Supramolecular  Chirality.  Langmuir,  23,  1824‐

1829 

 

[163]  K.  Mori,  O.  Murai,  S.  Hashimoto,  Y.  Nakamura  (1996)  Highly  Regio‐  and  Stereoselective 

Photocycloaddition  between  Coumarin  and  Thymine  by Molecular  Recognition.  Tetrahedron  Lett,  37, 

8523‐8526 

 

[164] S.C. Shim, S.C. Chae (1979) Photochem. Photobiol., 30, 349 

 

[165] D. Kanne, K. Straub, J.E. Hearst, H. Rapoport  (1982)  Isolation and Characterization of Pyrimidine‐

Psoralen‐Pyrimidine Photodiadducts from DNA. J Am Chem Soc, 104, 6754‐6764 

 

[166]  T.  Furuta,  H.  Torigai,  M.  Sugimoto,  M.  Iwamura  (1995)  Photochemical  Properties  of  New 

Photolabile CAMP Derivatives in a Physiological Saline Solution. J Org Chem, 60, 3953‐3956 

 

[167] B. Schade, V. Hagen, R. Schmidt, R. Herbrich, E. Krause, T. Eckardt, J. Bendig  (1999) Deactivation 

Behavior  and  Excited‐State  Properties  of  (Coumarin‐4‐yl)methyl  Derivatives.  1.  Photocleavage  of  (7‐

Methoxycoumarin‐4‐yl)methyl‐Caged Acids with Fluorescence Enhancement. J Org Chem, 64, 9109‐9117 

 

[168] R.S. Givens, B. Matuszewski  (1984) Photochemistry of phosphate esters: an efficient method  for 

the generation of electrophiles. J Am Chem Soc, 106, 6860‐6861 

 

[169]  J.  Bendig,  S.  Helm,  V.  Hagen  (1997)  (Coumarin‐4‐yl)methyl  Ester  of  cGMP  and  8‐Br‐cGMP: 

Photochemical Fluorescence Enhancement. J Fluoresc, 7, 357‐361 

   

 

 

187  

[170] T. Eckardt, V. Hagen, B. Schade, R. Schmidt, C. Schweitzer, J. Bendig (2002) Deactivation Behavior 

and  Excited‐State  Properties  of  (Coumarin‐4‐yl)methyl  Derivatives.  2.  Photocleavage  of  Selected 

(Coumarin‐4‐yl)methyl‐Caged Adenosine Cyclic 3’,5’‐Monophosphates with Fluorescence Enhancement. 

J Org Chem, 67, 703‐710 

 

[171]  R.  Schmidt,  D.  Geissler,  V.  Hagen,  J.  Bendig  (2005)  Kinetics  Study  of  the  Photocleavage  of 

(Coumarin‐4‐yl)methyl Esters. J Phys Chem A, 109, 5000‐5004 

 

[172] R. Schmidt, D. Geissler, V. Hagen,  J. Bendig  (2007) Mechanism of Photocleavage of  (Coumarin‐4‐

yl)methyl Esters. J Phys Chem A, 111, 5768‐5774 

 

[173]  N.  Kotzur,  B.  Briand,  M.  Beyermann,  V.  Hagen  (2009)  Wavelength‐Selective  Photoactivatable 

Protecting Groups for Thiols. J Am Chem Soc, 2009, 131, 16927‐16931 

 

[174] H. Du, R.A. Fuh, J. Li, A. Corkan, J.S. Lindsey (1998) PhotochemCAD: A Computer‐Aided Design and 

Research Tool in Photochemistry. Photochem Photobiol, 68, 141‐142 

 

[175] M. Montalti, A. Credi, L. Prodi, M.T. Gandolfi (2006) Handbook of Photochemistry, 3rd Edition, CRC 

Press, Taylor and Francis Group, Boca Raton, FL, USA 

 

[176] J. Pina, J. Seixas de Melo, H.D. Burrows, A.L. Maçanita, F. Galbrecht, T. Bunnagel, U. Scherf (2009) 

Alternating  Binaphthyl−Thiophene  Copolymers:  Synthesis,  Spectroscopy,  and  Photophysics  and  Their 

Relevance to the Question of Energy Migration versus Conformational Relaxation. Macromolecules, 42, 

1710‐1719 

 

[177]  G.  Striker  (1982)  Effective  Implementation  of  Modulation  Functions  in  Deconvolution  and 

Reconvolution of Analytical Signals, edited by M. Bouchy. University Press, Nancy, France 

 

[178]  G.  Striker,  V.  Subramaniam,  C.A.  Seidel,  A.  Volkmer,  (1999)  Photochromicity  and  Fluorescence 

Lifetimes of Green Fluorescent Protein. J Phys Chem B, 103, 8612 

 

188  

[179]  J. Bourson, J. Pouget, B. Valeur  (1993)  Ion‐responsive  fluorescent compounds. 4. Effect of cation 

binding on  the photophysical properties of  a  coumarin  linked  to monoaza‐  and diaza‐crown ethers.  J 

Phys Chem, 97, 4552‐4557 

 

[180] 

http://www.sigmaaldrich.com/catalog/ProductDetail.do?lang=en&N4=A26209|ALDRICH&N5=SEARCH_C

ONCAT_PNO|BRAND_KEY&F=SPEC ‐ Adenosine 5’‐triphosphate disodium salt hydrate, Aldrich, 99%, 1g, 

22.10€; 

http://www.sigmaaldrich.com/catalog/ProductDetail.do?lang=en&N4=D6500|SIGMA&N5=SEARCH_CON

CAT_PNO|BRAND_KEY&F=SPEC ‐ 2’‐Deoxyadenosine 5’‐triphosphate disodium salt, Sigma, 97%, 100 mg, 

246.60€. Sigma Aldrich website, prices and information available in February 17th, 2010 

 

[181] W. D. Kumler, J. J. Eiler (1943) The Acid Strength of Mono and Diesters of Phosphoric Acid. The n‐

Alkyl  Esters  from  Methyl  to  Butyl,  the  Esters  of  Biological  Importance,  and  the  Natural  Guanidine 

Phosphoric Acids. J Am Chem Soc, 65, 2355‐2361 

 

[182]  D.O.  Hummel  (2002) Atlas  of  Plastics  Additives:  Analysis  by  Spectrometric Methods.  Springer, 

Berlin, Germany 

 

[183] P.W. Atkins (1990) Physical Chemistry, 4th Edition. Oxford University Press, Oxford, United Kingdom, 

page 848, equation 7 

 

[184] R.D. Lide (1991) CRC Handbook of Chemistry and Physics, 72nd Edition, CRC Press, Inc., Boca Raton, 

USA 

 

[185] R. Billing, D. Rehorek, H. Hennig  (1990) Photoinduced Electron Transfer  in  Ion Pairs,  in J. Mattay, 

Photoinduced  Electron  Transfer  II,  Topics  of  Current  Chemistry,  Vol  158,  Springer‐Verlag,  Berlin 

Heidelberg, Germany 

 

[186]  K.  Rechthaler,  G.  Kohler  (1994)  Excited  state  properties  and  deactivation  pathways  of  7‐

aminocoumarins. Chem Phys, 189, 99‐116 

 

189  

[187] M. Yamaji, K. Nozaki, X. Allonas, S. Nakajima, S. Tero‐Kubota, B. Marciniak  (2009) Photoinduced 

Bond Dissociation of 4‐Methylcoumarin Derivatives in Solution Studied by Laser Flash Photolysis and DFT 

Calculations. J Phys Chem A, 113, 5815‐5822 

 

[188] V.O. Stern, M. Volmer (1919) On the quenching‐time of fluorescence. Physik Zeitschr, 20, 183‐188 

 

[189] P.D. Wood, L.J.  Johnston  (1998) Photoionization and Photosensitized Electron‐Transfer Reactions 

of Psoralens and Coumarins. J Phys Chem A, 102, 5585‐5591 

 

[190] L. Chen, P.D. Wood, A. Mnyusiwalla, J. Marlinga, L.J. Johnston (2001) Electron‐Transfer Reactions in 

Micelles: Dynamics of Psoralen and Coumarin Radical Cations. J Phys Chem B, 105, 10927‐10935 

 

[191] H.K.  Kang,  E.J.  Shin,  S.C.  Shim  (1992)  Transient  absorption  spectra  and  quenching  of  coumarin 

excited states by nucleic acid bases. J Photochem Photobiol B, 13, 19 

 

[192] E.J. Land, T.G. Truscott (1979) Triplet excited state of coumarin and 4’5’ dihydropsolaren: reaction 

with nucleic bases and aminoacids. Photochem Photobiol, 29, 861 

 

[193] P. Crozet (1974) Triplet‐triplet absorption of coumarin and 7‐hydroxycoumarin. Chem Phys Lett, 25, 

114 

 

[194]  B.R.  Henry,  E.A.  Lawler  (1973)  Substituent  effects  on  the  triplet‐triplet  absorption  spectra  of 

coumarin and its derivatives. J Mol Spectrosc, 48, 117 

 

[195] J. C. Wang (1996) DNA Topoisomerases. Annu Rev Biochem, 65, 635‐692 

 

[196] R.J. Lewis, F.T.F. Tsai, D.B. Wigley (1996) Molecular mechanisms of durg inhibition of DNA gyrase. 

BioEssays, 18, 661‐671 

 

 

 

190  

[197]  F.T.F.  Tsai, O.M.P.  Singh,  T.  Skarzynski,  A.J. Wonacott,  S. Weston,  A.  Tucker,  R.A.  Pauptit,  A.L. 

Breeze, J.P. Poyser, R. O’Brien, J.E. Ladbury, D.B. Wigley (1997) The High‐Resolution Crystal Structure of a 

24‐kDa Gyrase B Fragment From E. coli Complexed With One of the Most Potent Coumarin  Inhibitors, 

Clorobiocin. Proteins, 28, 41‐52 

 

[198] U. Galm, M.A. Dessoy, J. Schmidt, L.A. Wessjohann, L. Heide (2004) In Vitro and In Vivo Production 

of New Aminocoumarins by a Combined Biochemical, Genetic, and Synthetic Approach. Chem Biol, 11, 

173‐183 

 

[199] D. Lafitte, V. Lamour, P.O. Tsvetkov, A.A. Makarov, M. Klich, P. Deprez, D. Moras, C. Briand, R. Gilli 

(2002)  DNA  Gyrase  Interaction  with  Coumarin‐Based  Inhibitors:  The  Role  of  the  Hydroxybenzoate 

Isopentenyl Moiety and the 5’‐Methyl Group of the Noviose. Biochemistry, 41, 7217‐7223 

 

[200] A. Maxwell (1997) DNA gyrase as a drug target. Trends Microbiol, 5, 102‐109 

 

[201]  G.  Kontopidis,  C.  Holt,  L.  Sawyer  (2004)  β‐Lactoglobulin:  Binding  Properties,  Structure,  and 

Function. J Dairy Sci, 87, 785‐796 

 

[202] D. R. Flower (1996) The lipocalin protein family : structure and function. Biochem J, 318, 1‐14 

 

[203] L. Sawyer, G. Kontopidis (2000) The core lipocalin, bovine L‐lactoglobulin. Biochimica et Biophysica 

Acta, 1482, 136‐148 

 

[204] C. Tanford, L.G. Bunville, Y. Nozaki (1959) The reversible transformation of beta‐lactoglobulin at pH 

7.5. J Am Chem Soc, 81, 4032‐4036 

 

[205]  J. Pronchik,  J.T. Giurleo, D.S. Talaga  (2008) Separation and Analysis of Dynamic Stokes Shift with 

Multiple  Fluorescence  Environments: Coumarin 153  in Bovine b‐Lactoglobulin A.  J Phys Chem B, 112, 

11422‐11434 

 

[206]  J.  Szejtli,  L.  Szente  (2005)  Elimination  of  bitter,  disgusting  tastes  of  drugs  and  foods  by 

cyclodextrins. Eur J Pharm Biopharm, 61, 115‐125 

191  

[207] S. Scypinski,  J. M. Drake  (1985) Photophysics of coumarin  inclusion complexes with cyclodextrin: 

Evidence for normal and inverted complex formation. J Phys Chem, 89, 2432‐2435 

 

[208] P. Sen, D. Roy, S.K. Mondal, K. Sahu, S. Ghosh, K. Bhattacharyya  (2005) Fluorescence Anisotropy 

Decay and Solvation Dynamics in a Nanocavity:  Coumarin 153 in Methyl β‐Cyclodextrins. J Phys Chem A, 

109, 9716‐9722 

 

[209] S. Sakamoto, K. Kudo (2008) Supramolecular Control of Split‐GFP Reassembly by Conjugation of β‐

Cyclodextrin and Coumarin Units. J Am Chem Soc, 130, 9574‐9582 

 

[210] L.M.S. Chang, F.J. Bollum  (1971) Enzymatic Synthesis of Oligodeoxynucleotides. Biochemistry, 10, 

536‐542 

 

[211] G.B. Dutt, T.K. Ghanty (2003) Rotational Diffusion of Coumarins in Electrolyte Solutions: The Role of 

Ion Pairs. J Phys Chem B, 107, 3257‐3264 

 

[212]  http://www.exciton.com/laserdyeslist.html  Coumarin  laser  dyes  product  specs  sheets,  Exciton. 

Information as in August 19th, 2010 

 

[213] 

http://www.sigmaaldrich.com/catalog/ProductDetail.do?lang=en&N4=36798|SIGMA&N5=SEARCH_CON

CAT_PNO|BRAND_KEY&F=SPEC, Sigma‐Aldrich product  specs  sheet.  Information as  in September 11th, 

2010 

 

[214] U.S. Raikar, C.G. Renuka, Y.F. Nadaf, B.G. Mulimani (2006) Steady‐state, time‐resolved fluorescence 

polarization behaviour and determination of dipole moments of coumarin  laser dye. J Mol Struct, 787, 

127‐130 

 

[215] A. Rapaport, F. Szipocs, M. Bass (2004) Dependence of two‐photon absorption excited fluorescence 

in dye solutins on the angle between the linear polarizations of two intersecting beams. Appl Phys B, 78, 

65‐72 

 

192  

[216] 

http://www.sigmaaldrich.com/catalog/ProductDetail.do?lang=en&N4=12832|FLUKA&N5=SEARCH_CON

CAT_PNO|BRAND_KEY&F=SPEC. Sigma‐Aldrich product specs sheet.  Information as  in September 11th, 

2010 

 

[217] U.S. Raikar, C.G. Renuka, Y.F. Nadaf, B.G. Mulimani, A.M. Karguppikar (2006) Rotational Diffusion 

and Solvatochromic Correlation of Coumarin 6 Laser Dye. J Fluoresc, 16, 847‐854 

 

[218]  R.N.  Barnett,  C.L.  Cleveland,  U.  Landman  (2010)  Oxidation  of  DNA:  Damage  to  Nucleobases. 

Accounts Chem Res, 43, 280‐287 

 

[219] F. Boussicault, M. Robert (2008) Electron Transfer in DNA and in DNA‐Related Biological Processes: 

Electrochemical Insights. Chem Rev, 108, 2622‐2645 

 

[220] K. Senthilkumar, F.C. Grozema, C.F. Guerra, F.M. Bickelhaupt, F.D. Lewis, Y.A. Berlin, M.A. Ratner, 

L.D.A. Siebbeles (2005) Absolute Rates of Hole Transfer in DNA. J Am Chem Soc, 127, 14894‐14903 

 

[221] B. Giese (2002) Electron transfer in DNA. Curr Opin Chem Biol, 6, 612‐618 

 

[222]  M.  Amos  (2005)  Theoretical  and  Experimental  DNA  Computation,  Springer‐Verlag,  Berlin 

Heidelberg, Germany