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Außergewöhnliche Fortschritte in der Human- und Mausgenetik führten zur Charakterisierung einer Vielzahl von krankheitsrelevanten Mutationen, die entweder natürlich auftreten oder über genetische Manipulation im Tiermodell erzeugt wurden. Die nahezu vollständige Sequenzierung der Genome von Mensch und Maus im Rahmen der internationalen Sequenzierungsprojekte ebnete den Weg für groß angelegte, internationale Mutagenese-Programme, die zum Ziel haben jedes einzelne Gen funktionell zu charakterisieren. Der hierfür bevorzugte Organismus ist die Maus, weil der Aufbau des Mausgenoms dem menschlichen Genom sehr ähnlich ist und weil für die Maus embryonale Stammzellen (mES Zellen) existieren, die ohne Einschränkung ihres pluripotenten Status in Gewebekultur genetisch manipuliert werden können. Darüber hinaus lassen sich mES Zellen über Blastozysteninjektion in Mäuse konvertieren. Dadurch können die Folgen von in vitro gesetzten Mutationen im Kontext eines Gesamtorganismus analysiert werden. Die so genannte „Knock out“ Maus ist ein weit verbreitetes Tiermodell, das nicht nur Genfunktionen in vivo offenbart, sondern auch die Modellierung humaner genetischer Erkrankungen ermöglicht. Außergewöhnliche Fortschritte in der Human- und Mausgenetik führten zur Charakterisierung einer Vielzahl von krankheitsrelevanten Mutationen, die entweder natürlich auftreten oder über genetische Manipulation im Tiermodell erzeugt wurden. Die nahezu vollständige Sequenzierung der Genome von Mensch und Maus im Rahmen der internationalen Sequenzierungsprojekte ebnete den Weg für groß angelegte, internationale Mutagenese-Programme, die zum Ziel haben jedes einzelne Gen funktionell zu charakterisieren. Der hierfür bevorzugte Organismus ist die Maus, weil der Aufbau des Mausgenoms dem menschlichen Genom sehr ähnlich ist und weil für die Maus embryonale Stammzellen (mES Zellen) existieren, die ohne Einschränkung ihres pluripotenten Status in Gewebekultur genetisch manipuliert werden können. Darüber hinaus lassen sich mES Zellen über Blastozysteninjektion in Mäuse konvertieren. Dadurch können die Folgen von in vitro gesetzten Mutationen im Kontext eines Gesamtorganismus analysiert werden. Die so genannte „Knock out“ Maus ist ein weit verbreitetes Tiermodell, das nicht nur Genfunktionen in vivo offenbart, sondern auch die Modellierung humaner genetischer Erkrankungen ermöglicht. Mit dem Ziel Kranheitsgene ihren Signalwegen zuzuordnen wurde in dieser Dissertation ein in situ Proteinmarkierungssystem entwickelt, das Hochdurchsatz-proteomik in mES Zellen ermöglicht. Das System beinhaltet die Einführung einerProteinmarkierungskassette in mES Zellen, die konditionale FlipROSAβgeo-Genfal-lenintegrationen in proteinkodierenden Genen enthalten. Weil die Konditionalität der FlipROSAβgeo-Genfallenkassette auf einem sequenzspezifischen Rekombinations-mechanismus beruht, kann diese postinsertionell über Rekombinase-vermittelten Kassettenaustausch (RMCE) durch eine Proteinmarkierungskassette ersetzt werden. Das hierfür entwickelte Konstrukt entspricht einem durch 5’ Spleißakzeptor- und 3’ Spleißdonorsequenzen definierten dizistronischen Exon, in dem ein Hygromyzin-Resistenzgen über eine P2A Polyproteinspaltungssequenz mit einem für das egfp (enhanced green fluorescent protein) kodierenden nLAP-Tag (N-terminal localization and affinity purification) verbunden ist. Eine erste Validierung dieses Exons in einem retroviralen Genfallenansatz ergab, dass sämtliche in Hygromyzin selektierte und auf DNA-Kassettenintegrationen untersuchte Klone nLAP-markierte Proteine exprimierten. Im Folgenden wurden in den GGTC (German Gene Trap Consortium) und EUCOMM (European Conditional Mouse Mutagenesis Project) mES Zellressourcen Genfallenintergationen identifiziert, die sich für eine RMCE vermittelte, N-terminale in situ Proteinmarkierung eignen. Als kompatibel wurden Genfallenklone klassifiziert, die eine FlipROSAβgeo-Integration im ersten Intron eines proteinkodierenden Gens aufweisen, wobei diese Integration sowohl hinter einem ersten nichtkodierenden, als auch hinter einem ersten kodierenden Exon liegen kann. Allerdings darf im letzteren Fall die kodierende Sequenz keine funktionale Domäne enthalten und muss kurz genug sein, um bei Verlust nicht mit der endogenen Proteinfunktion zu interferieren. Auf diesen Kriterien basierend wurden in den GGTC und EUCOMM Ressourcen 25.130 Proteinmarkierungs-kompatible Genfallenklone identifiziert, die 3.695 mutierten Genen entsprechen. Hiervon wurden acht für die Validierung der RMCE-vermittelten Proteinmarkierungsstrategie ausgewählt. In jedem Fall gelang es die Genfallen-kassette mit dem Proteinmarkierungsexon zu ersetzten. Sowohl der Genfallen-, als auch der RMCE-Proteinmarkierungsansatz führte ohne Ausnahme zur Expression nLAP-Tag markierter Proteine, wobei in allen 13 untersuchten Klonen die Größe der markierten Proteine derjenigen der entsprechenden nativen Proteine mit zusätzlichem Marker entsprach. Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass die physiologische Expression der markierten Proteine sich von denen der Wildtypproteine in der Regel nicht unterscheidet und für Lokalisations- und massenspektrometrische Interaktionsstudien ausreicht. Darüber hinaus spiegelten 90% der hier untersuchten markierten Proteine das subzelluläre Lokalisationsmuster der entsprechenden nativen Proteine wider. Ähnlich verhielt es sich mit den Interaktionspartnern der jeweiligen Proteine, die sich aus bereits bekannten, aber auch noch bisher unbekannten Proteinen zusammensetzen. Insgesamt wurden in dieser Dissertation die Voraussetzungen zu einer Hochdurchsatzproteomanalyse in mES Zellen geschaffen. Während der RMCE-Ansatz die Markierung von über 3.600 Proteinen in mES Zellen ermöglicht, eignet sich der Genfallenansatz neben der Proteinmarkierung in murinen auch für die Markierung von Proteinen in humanen Zellen. In dieser Hinsicht ist die Markierung von Proteinen in humanen ES Zellen und in reprogrammierten Stammzellen (iPS) von Patienten mit unterschiedlichsten Erkrankungen besonders attraktiv, weil damit sowohl Spezies- als auch Krankheitsspezifische Unterschiede im Ablauf individueller Signaltransduktionskaskaden definiert werden können.
Genes coding for membrane proteins make up 25%-30% of the genome in most organisms. Membrane proteins play an important role in cell functioning and their importance is enhanced by the fact that a large number of drugs are targeted at membrane proteins. Paradoxically, experimentally determined structures of membrane protein correspond to only about 1.7% of protein structures deposited in the protein data bank (PDB). This is largely due to the fact that membrane proteins are difficult to deal with owing to their amphipathic nature. The low abundance of membrane proteins in native tissue makes heterologous overexpression of these genes a necessity. This thesis work aimed at heterologous production of several secondary active transporter proteins for structural and functional characterizations and establishing alternative strategies to overcome the obstacles associated with heterologous overproduction. Four members of the heavy metal transporting cation diffusion facilitator (CDF) family from S. typhimurium and A. aeolicus were heterologously overproduced in E. coli and functionally characterized by an in vivo complementation assay using the zinc transport deficient E. coli GG48 strain. Out of these four, Aq_2073 from A. aeolicus was produced in large scale with substantial yield and purity sufficient to carry out structural studies. After extensive stability studies with different detergents, pHs and temperatures, the protein was subjected to 3D and 2D crystallization trials. Several C- terminal truncated constructs were made and the simultaneous crystallization screenings were carried out. These resulted in initial needle like crystals in 3D crystallization trials or optimum sized vesicles with crystalline patches in 2D crystallization trials but no obvious crystal. The protein showed significant increase in melting temperature in the presence of cadmium, when tested by differential scanning calorimetry. Another transporter, STM3880 of the potassium uptake permease (KUP) family from S. typhimurium, was heterologously overproduced in E. coli, purified by affinity chromatography, reconstituted into artificial liposome and functionally characterized by solid supported membrane based electrophysiology. In order to establish alternative expression strategies, continuous exchange cell free expression (CECF) of proteins from four different families was carried out. This method found to be aptly complementing the cell-based production approach. Targets from resistance to homoserine/threonine (RhtB) family not expressing in vivo could be expressed and purified using CECF. STM1781 of the sulfate permease (SulP) family was expressed, purified and characterized for stability while the cell-based production resulted in extensive degradation. PF0780 of multidrug/oligosaccharidyllipid/polysaccharide flippase (MOP) family was also purified to homogeneity and the stability was comparable to in vivo produced protein. Moreover, the effect of maltose binding protein (MBP) fusion at N-terminus on production and membrane integration was tested with three selected targets. The analysis revealed decreased yields in the presence of MBP if the protein had both termini in the cytoplasm. This work succeed in heterologously overproducing and establishing purification protocols for several secondary active transporters aiming at structural and functional characterization in a structural genomics framework. It also showed that integration of alternative strategies, like employing both cell-based and cell-free heterologous expression systems, expands the overall expression space coverage and in turn increases the chance of success of a structural genomics styled project.
The analysis of biomolecular macrocomplexes requires certain preconditions to be fulfilled. The preparation of biomolecular samples usually results in low yields. Due to this constraint of low availability any method should provide a sufficient sensitivity to cope with typical sample amounts. Biomolecules also often show a reduced stability, i.e. a propensity for fragmentation upon ionisation, which requires reasonable soft methods for the investigation. Furthermore macromolecular complexes usually are composed by means of non-covalent interactions presenting additional demands on the softness. This holds true for specific complexes like protein-ligand or DNA double strand binding. For the formation of non-covalent, specific complexes the biomolecules’ native structure and environment are a basic prerequisite and hence crucial. Therefore it is desirable during analysis to keep the biomolecules in a native environment to preserve their structure and weak interactions. One suitable method for analysing biomolecules is mass spectrometry. Mass spectrometry is capable of high throughput screening as well as determining masses with high accuracy and high sensitivity. Especially since the availability of MALDI-MS and ESI-MS mass spectrometry evolved to a versatile tool to investigate biomolecular complexes. Both, MALDI- and ESI-MS are sufficiently soft methods to observe fragile biomolecules. Yet both methods have their advantages and disadvantages. During the recent years an alternative mass spectrometric approach has been developed in our group, termed LILBID-MS (Laser Induced Liquid Bead Ionisation/Desorption). In LILBID microdroplets of aqueous solution containing buffer, salt and further additives among the analyte molecules are injected into vacuum and irradiated one-by-one by mid-IR laser pulses. The absorption of the energy by the water leads to a rapid ablation of the preformed analyte ions. LILBID is highly tolerant for the addition of salts and detergents allowing to study biomolecular complexes in a native environment. As LILBID-MS is soft enough to avoid fragmentation, specific non-covalent complexes can be analysed directly from their native environment by this method. In addition dissociation can be induced on demand by increasing the laser intensity which allows for the study of subunit compositions. A further prominent property of LILBID is the possibility to study hydrophobic membrane proteins due to the tolerated use of detergents. During the course of this work, several instrumental improvements mostly concerning ion focussing and beam steering were introduced. Together with refinements of different modes of measurement the result is a significantly improved signal-to-noise ratio as well as a further improvement in sensitivity. In addition the accessible m/z range for a given flight time has been vastly increased. The new possibilities that LILBID now offers for the study of biomolecular complexes were investigated. The ability to detect specific binding in LILBID-MS was investigated by means of nucleic acids and their interaction with proteins. It could be shown that the stability of a 16bp dsDNA corresponds to that in solution phase regarding the dependency on concentration and type of the salts used. In addition a competitive experiment with the well-known transcription factor p50 was used to demonstrate the detection of sequence-specific binding with LILBID. The improved sensitivity allowed to detect single stranded DNA at nanomolar concentrations and even the 2686bp plasmid pUC19 could be easily detected without fragmentation using a concentration of only 80nM. In case of the transcription factor p63 the mass spectrometric analysis could help to identify a new model of activation and inhibition. For the first time known quarternary structures of membrane proteins like the light-driven proton pump bacteriorhodopsin and the potassium channel KcsA could be detected with mass spectrometry. For the light-driven proton pump proteorhodopsin the type and the concentration of the used detergents significantly influenced the stability of this protein as well as the preferred quarternary structure.
G-protein coupled receptors (GPCRs) are the key players in signal perception and transduction and one of the currently most important class of drug targets. An example of high pharmacological relevance is the human endothelin (ET) system comprising two rhodopsin-like GPCRs, the endothelin A (ETA) and the endothelin B (ETB) receptor. Both receptors are major modulators in cardiovascular regulation and show striking diversities in biological responses affecting vasoconstriction and blood pressure regulation as well as many other physiological processes. Numerous disorders are associated with ET dysfunction and ET antagonism is considered an efficient treatment of diseases like heart failure, hypertension, diabetes, artherosclerosis and even cancer. This study exemplifies strategies and approaches for the preparative scale synthesis of GPCRs in individual cell-free (CF) systems based on E. coli, a newly emerging and promising technique for the production of even very difficult membrane proteins. The preparation of high quality samples in sufficient amounts is still a major bottleneck for the structural determination of the ET receptors. Heterologous overexpression has been a challenge now for decades but extensive studies with conventional cell-based systems had only limited success. A central milestone of this study was the development of efficient preparative scale expression protocols of the ETA receptor in qualities sufficient for structural analysis by using individual CF systems. Newly designed optimization strategies, the implementation of a variety of CF expression modes and the development of specific quality control assays finally resulted in the production of several milligrams of ETA receptor per one millilitre of reaction mixture. The versatility of CF expression was extensively used to modulate GPCR sample quality by modification of the solubilization environment with detergents and lipids in a variety of combinations at different stages of the production process. Downstream processing procedures of CF synthesized GPCRs were systematically optimized and sample properties were analysed with respect to homogeneity, protein stability and receptor ligand binding competence. Evaluation was accomplished by an array of complementary and specifically modified techniques. Depending on its hydrophobic environment, CF production of the ETA receptor resulted in non-aggregated, monodisperse forms with sufficient long-term stability and high degrees of secondary structure thermostability. The obtained results document the CF production of the ETA receptor in two different modes as an example of a class A GPCR in ligand-binding competent and non-aggregated form in quantities sufficient for structural approaches. The presented strategy could serve as basic guideline for the production of related receptors in similar systems.
Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und Synthese von spaltbaren Linkern. Dabei wurden zwei unterschiedliche Themengebiete bearbeitet: 1) Entwicklung eines enzymatisch spaltbaren Safety-Catch-Linkers, der eine flexible Modifizierung ermöglicht für den potentiellen Einsatz zur zielgerichteten Zellaufnahme von (Antisense-)Oligonukleotiden. 2) Entwicklung eines Fluorid-spaltbaren Linkers für die reversible Fluo¬reszenz¬markie¬rung von Triphosphaten zum Einsatz in einer neuen Methode der DNA-Sequenzierung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuer, variabler enzymatisch spaltbarer Safety-Catch-Linker entwickelt und es wurden drei Derivate synthetisiert. Die drei neuen Safety-Catch-Linker sind über Amid- bzw. Esterbindungen an die 5' Position von 2' Desoxythymidin angebunden und sind Substrate für zwei unterschiedliche Enzyme. Zwei der synthetisierten Derivate des Linkers sind Substrate der Penicillin G Acylase und eins ist ein Substrat für die Pyroglutamyl Aminopeptidase I. Sie wurden hinsichtlich ihrer Spaltungs- und Stabilitätseigenschaften intensiv untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Ester-verknüpften Linker für eine Anwendung unter physiologischen Bedingungen geeignet sind. Es wurden kinetische Spaltungsexperimente durchgeführt und dabei eine sehr effektive enzymatische Spaltung durch das entsprechende Enzym beobachtet. Es wurde außerdem der Mechanismus einer, bei höheren pH-Werten beobachteten, nicht-enzymatischen Spaltung aufgeklärt. Darüber hinaus konnte das sehr basenlabile, mit Pyroglutamyl Aminopeptidase I spaltbare Derivat unter Anwendung einer aminoschutzgruppenfreien Oligonukleotidsynthesemethode erfolgreich in ein Antisense-Oligonukleotid eingebaut werden. Für das EU-Projekt „ArraySBS“ wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neuer, hoch effizient mit Fluoridionen spaltbarer Linker für die reversible Anbindung eines Fluoreszenzfarbstoffs an die Baseneinheit eines Nukleotids entwickelt. Die spaltbare Einheit des Linkers basiert auf dem Strukturmotiv der 2-Cyanoethylgruppe, als Spacer zwischen dem Nukleotid und dem Fluoreszenzfarbstoff wurde eine Triglykoleinheit verwendet. Die Spaltungseigenschaften wurden an einer Modellverbindung, einem modifizierten Nukleosid und einem immobilisierten Oligonukleotid intensiv untersucht. Dabei wurde eine vollständige Spaltung mit 1 M TBAF in THF in weniger als einer Minute gefunden und die erwartete beta-Eliminierung als Spaltungsmechanismus bestätigt. Mit Hilfe des entwickelten Linkers wurden vier neue, Fluoreszenz-markierte, reversible Terminatoren in sehr hoher Reinheit hergestellt und analytisch eindeutig identifiziert. Dabei handelt es sich um ein Fluorescein-markiertes 2'-Desoxyuridin Derivat, ein Cy3-markiertes 2' Desoxycytidin, ein Cy5-markiertes 2'-Desoxyguanosin und ein TexasRed-markiertes 2' Desoxyadenosin Derivat. Diese wurden dann in Zusammenarbeit mit den Kooperationspartnern des EU Projekts erfolgreich durch eine DNA-Polymerase in DNA-Template eingebaut und in einem ersten Anwendungsexperiment an immobilisierten Hairpin-Templaten in zwei Sequenzierungszyklen eingesetzt.
Transmissible spongiform encephalopathies (TSEs) are rare but fatal neurodegenerative diseases affecting human and animals. The prion protein which is the causative agent, according to “protein-only” hypothesis misfold in to rogue amyloid conformer. Despite several years of studies, the atomic structural details of the rogue conformers have not been clearly understood. This study focused on developing an in-vitro conversion method, which allows us to monitor the transition from unfolded state of prion protein to fibril state. In order to reach maximal unfolded state, we have used 8 M urea as chemical denaturant, pH 2 and prion fragment 90-230 as the model. It has been demonstrated earlier that acidic pH and mild denaturant induce the fibril formation. The mechanism underlying the structural transition from monomeric state to polymeric form is largely unknown. We have confirmed by EM and AFM that fibrils are formed in our conditions, which resemble to naturally occurring fibrils in morphologies observed. The agitation accelerates the rate of fibril formation and, which allow us to do time-resolved NMR on these preparations. The conformational flexibility is inherent to amyloid fibrils and has been observed in our preparations. We aimed to map the important segment of prion protein, which forms the rigid core in its fibrillar structured form. Our time-resolved NMR studies allowed us to monitor the changes happening from unfolded state to fibrillar state. Analysis of data identified the segment between residues 145 to 223 forming the rigid core in these fibrils, which correspond to β strand 2, helix 2 and major part of helix 3 of native prion monomeric structure. Most of the point mutations which are associated with hereditary prion disease are part of rigid core, which undergo a refolding on fibril formation. The C-terminal residues from 224 to 230 displayed peak shifting and therefore, indicate the adaptation to a fibril specific conformation. The major part of N-terminal 90-144 segment, remains dynamic, which can be understood by their accessibility to amyloid specific antibodies. This provides novel structural insight to the amyloid formation from unfolded state of prion protein fragment 90-230, which represents the proteinase-K resistant part naturally occurring prions. Earlier studies have established the core to 160-220 where hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry or site-directed spin labeling EPR spectroscopy was used for analysis. Those studies have been initiated from either native-like or partially unfolded state of recombinant prion protein, and therefore, it is quite striking to find out that fibrils initiated from unfolded monomeric state share the same “amyloid core”. This structural insight has important implications for understanding the molecular basis of prion propagation.
Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse: Zur Erschließung des Themas Lebensmittelverpackungen im Chemieunterricht wurde zunächst eine grundlegende fachliche Recherche durchgeführt, um mögliche thematische Schwerpunkte zu identifizieren und Grundlagen für eine experimentelle Zugänglichkeit zu erarbeiten. Parallel hierzu wurde der derzeitige Stand der fachdidaktischen Forschung unter besonderer Berücksichtigung des Themas Lebensmittelverpackungen erhoben. Es zeigte sich, dass nur vereinzelt auf diese Themenstellung eingegangen wird. Dabei steht allerdings, wie etwa bei dem Recycling von Joghurtbechern, die stoffliche Weiterverwendung von Abfällen im Vordergrund, während die Anforderungen an die Eigenschaften einer Verpackung keine Rolle spielen. Daher erfahren Bau und Funktion unterschiedlicher Verpackungsmaterialien in der vorliegenden Arbeit eine besondere Berücksichtigung. Die vorliegende Arbeit umfasst im Wesentlichen zwei Schwerpunkte: - Die schulexperimentelle Erschließung des Themas Lebensmittelverpackungen für unterschiedliche Klassenstufen, - die exemplarische Ausarbeitung von Unterrichtseinheiten, die die Möglichkeit der Integration der Experimente in die Schulpraxis aufzeigen. Bei der experimentellen Entwicklung stand die Barrierefunktion der Lebensmittelverpackungen und im Hinblick auf die Verträglichkeit mit Lebensmitteln deren chemische Zusammensetzung im Vordergrund. Gesichtspunkte wie die mechanische Belastbarkeit, z. B. die Reißfestigkeit einer Verpackungsfolie, wurden erst in zweiter Linie erarbeitet. Die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen wurden thematisiert. Zunächst wurde eine Versuchsreihe ausgearbeitet, die die Funktion von Aluminiumschichten in Lebensmittelverpackungen in das Zentrum der Betrachtung stellt. Hierbei konnte zur Bestimmung der Dicke einer Aluminiumschicht mit schulischen Mitteln ein Verfahren ausgearbeitet werden, in dem die Aluminiumanteile einer ausgemessenen Fläche einer Verpackung gelöst und anschließend über eine Titration bestimmt werden. Diese Versuchsreihe kann auf viele Beispiele angewandt werden und liefert zuverlässige Ergebnisse. Der Nachweis unterschiedlicher Kunststoffe in Lebensmittelverpackungen stand im Mittelpunkt einer zweiten Versuchsserie. Hierbei wurden Versuche zur Analyse von Verpackungsstoffen (Polyolefine und Polykondensate) entwickelt und zusammengestellt. Einfache Versuche zeigen die Möglichkeit zur Trennung der Schichten von Verbundfolien sowie die chemische Beschaffenheit der verwendeten Polymere. Es wird anhand der gewählten Beispiele auf die unterschiedlichen Eigenschaften von Folien, wie Sauerstoffdurchlässigkeit und Wasserdampflöslichkeit, eingegangen. Dabei wird die gezielte Kombination unterschiedlicher Folien berücksichtigt. Eine wesentliche Fragestellung bei der Auswahl von Lebensmittelverpackungen ist die Frage nach der Barrierewirkung gegenüber unerwünschten Stoffen, z.B. von Sauerstoff. Hierbei gelang es, eine Zink-Luft-Batterie so in eine geeignete Schaltung einzubauen, dass sie zum Nachweis des Sauerstoffdurchtritts durch eine Folie verwendet werden kann. Allerdings ist dieser bei üblicherweise verwendeten Folien so gering, dass im Sinne einer didaktischen Reduktion für einen Modellversuch Backpapier eingesetzt wird, um ein Experiment zu erhalten, das in einer Schulstunde durchgeführt werden kann. Eine weitere umfangreiche Versuchsserie wurde zur Durchlässigkeit von PET-Flaschen gegenüber Kohlenstoffdioxid entwickelt. Besonders interessant für Schülerinnen und Schüler sind dabei Experimente, die zeigen, dass PET Kohlenstoffdioxid in geringen Mengen speichert. Exemplarische Unterrichtsentwürfe zeigen, welche konkreten Möglichkeiten für die Umsetzung des Themas gegeben sind. Hierfür wurden exemplarisch Entwürfe zum Forschend-entwickelnden Unterrichtsverfahren, zum Analytisch-synthetischen Verfahren, zum Expertenunterricht, zur Chemie im Kontext, zum Wahldifferenzierten Chemieunterricht und zum Projektunterricht / projektorientierten Chemieunterricht ausgearbeitet. Insgesamt vermittelt die vorliegende Arbeit einen umfassenden Zugang zum Thema Lebensmittelverpackung im Chemieunterricht, wobei ausgehend von den fachlichen Grundlagen die schulexperimentellen Möglichkeiten und Wege der unterrichtlichen Umsetzung entwickelt wurden.
Innerhalb der letzten 30 Jahre haben sich photoaktivierbare Verbindungen („caged compounds“) zu einem äußerst wertvollen Werkzeug entwickelt. Seit der erstmals publizierten Anwendung von lichtaktivierbarem ATP im Jahre 1978 durch Hoffman et al. konnten viele neue Erkenntnisse im Bereich der Physiologie, Molekularbiologie und Biochemie mit Hilfe von photoaktivierbaren Verbindungen gewonnen werden. Hierunter versteht man Substanzen, deren biologische Wirksamkeit temporär inaktiviert ist, jedoch durch Bestrahlung mit Licht wiederhergestellt werden kann. Die Inaktivierung wird durch spezielle, lichtreaktive Chromophore erreicht, sogenannten photolabilen Schutzgruppen („cages“). Der Einsatz dieser Technik zur Aktivierung von Nukleinsäuren eröffnet ein weites Feld an Anwendungsmöglichkeiten. So ist auf diese Weise eine orts- und zeitaufgelöste Kontrolle der Aktivität von z.B. Antisense-DNA, siRNA oder Aptameren durch Licht möglich. Während der vorliegenden Doktorarbeit konnten zwei neuartige photolabil geschützte Desoxythymidine als Phosphoramidite zum Einsatz in der automatisierten DNA-Synthese dargestellt werden. Hierfür wurden jeweils NDBF-OH bzw. pHP-OH in O4-Position der Nukleobase eingeführt. Es konnte gezeigt werden, dass sich die beiden Nukleoside nach ihrem Einbau in DNA mittels UV-Licht entschützen lassen. Die photolabilen Schutzgruppen besaßen jedoch nur eine geringe chemische Stabilität unter verschiedenen basischen Abspaltbedingungen und sind deshalb nicht für die automatisierte DNA-Festphasensynthese unter Standardbedingungen geeignet. Durch Homologisierung der NDBF-Gruppe mit einer zusätzlichen Methyleneinheit zu hNDBF-OH wurde eine verbesserte Variante synthetisiert, welche eine ausreichende Basenstabilität und hervorragende photochemische Eigenschaften aufweist. Wie im Arbeitskreis Heckel gezeigt werden konnte, ist mittels in O6-Position hNDBF-modifiziertem Desoxyguanosin sowohl die DNA-Festphasensynthese unter Standardbedingungen möglich, als auch die spätere Photolyse dieser Schutzgruppe bei einer Wellenlänge von 420 nm. Hierdurch eröffnet sich zum ersten Mal die Möglichkeit, bei Verwendung von beispielsweise NPP und hNDBF, photolabil geschützte Bereiche in Nukleinsäuren wellenlängenselektiv durch Licht unterschiedlicher Wellenlänge zu aktivieren. In einem weiteren Projekt wurden erfolgreich photoaktivierbare Varianten des bivalenten Fusionsaptamers HD1-22 getestet. HD1-22 besitzt zwei Aptamerdomänen, HD1 und HD22, welche jeweils an eine der beiden Exosites I bzw. II von Thrombin binden. Im konkreten Fall konnten wir die Blutgerinnungsaktivität von Thrombin unter Verwendung einer photolabil geschützten Aptamersequenz von vollständig aktiv zu komplett inaktiv modulieren: Vor der UV-Bestrahlung war lediglich die Exosite II durch die HD22-Domäne blockiert. Dies erlaubte keinerlei Bindung des natürlichen Antikoagulans Antithrombin III an Thrombin – weder durch Heparin vermittelt noch ohne Beteiligung von Heparin. Der Zugang zur Exosite I war hingegen nicht eingeschränkt, die Blutgerinnungsaktivität des Thrombins somit durch die Rekrutierung von Fibrinogen an die Exosite I vollständig aktiv und nicht durch Antithrombin inhibierbar. Durch lichtvermittelte Entschützung der HD1-Domäne konnte nun eine Inaktivierung der Exosite I erfolgen, welche durch die hohe Bindungsaffinität der HD22-Aptamerdomäne stärker ausfiel als bei der ausschließlichen Verwendung eines HD1 Aptamers. Die koagulative Wirkung des Thrombins wurde somit vollständig aufgehoben. Im dritten Teil dieser Arbeit wurde der Grundstein für die Entwicklung eines kovalenten, lichtaktivierbaren Thrombin-Thrombinaptamer-Reagenzes gelegt. Dieses könnte zur gezielten Thromboembolisierung bei bestimmten malignen Tumorerkrankungen eingesetzt werden, um das entartete Gewebe von der Blut- und damit Nährstoffversorgung abzuschneiden. Zudem könnte so möglicherweise während einer Tumorexzision die Freisetzung von metastasierenden Krebszellen unterbunden werden. Das Reagenz besteht aus der von Heckel et al. publizierten „ausschaltbaren“ Variante des HD1-Aptamers. Diese besitzt einen photolabil geschützten Gegenstrang. Solange die Schutzgruppe intakt ist, bindet das Aptamer an die Exosite I von Thrombin und verhindert auf diese Weise die Rekrutierung von Fibrinogen. Wird die Sequenz jedoch mit UV-Licht bestrahlt, so erfolgt die Entschützung des Gegenstrangs und durch die folgende Basenpaarung eine Inaktivierung des HD1 Aptamers. Hieraus resultiert die Freisetzung von aktivem Thrombin, welches direkt zur Ausbildung eines Thrombus führt. Durch die – ebenfalls photospaltbare – kovalente Anbindung des „ausschaltbaren“ HD1 an die Proteinoberfläche werden eine vorzeitige Dissoziation des Aptamers und damit eine vorzeitige Wiederherstellung der Proteinaktivität verhindert.
Succinate:quinone oxidoreductases (SQORs) are integral membrane protein complexes, which couple the two-electron oxidation of succinate to fumarate (succinate → fumarate + 2H+ + 2e-) to the two-electron reduction of quinone to quinol (quinone + 2H+ + 2e- → quinol) as well as catalyzing the opposite reaction, the reduction of fumarate by quinol. In mitochondria and some aerobic bacteria, succinate:ubiquinone reductase, also known as complex II of the aerobic respiratory chain or as succinate dehydrogenase from the tricarboxylic acid (TCA or Krebs) cycle, catalyzes the oxidation of succinate by ubiquinone, which is mildly exergonic under standart conditions and not directly associated with energy storage in the form of a transmembrane electrochemical proton potential (Δp). Gram-positive bacteria do not contain ubiquinone but rather menaquinone, a quinone with significantly lower oxidation-reduction (“redox”) midpoint potential. In these cases, the catalyzed oxidation of succinate by quinone is endergonic under standard conditions. Consequently, these bacteria face a thermodynamic problem in supporting the catalysis of this reaction in vivo. Based on experimental evidence obtained on whole cells and purified membranes, it had previously been proposed that the SQR from Gram-positive bacteria supports this reaction at the expense of the protonmotive force, Δp. Nonetheless, it has been argued that the observed Δp dependence is not associated specifically with the activity of SQR because the occurrence of artifacts in experiments with bacterial membranes and whole cells can not be fully excluded. Clearly, definitive insight into the mechanism of catalysis of this intriguing reaction required a corresponding functional characterization of an isolated, membranebound SQR from a Gram-positive bacterium. The first aim of the present work addresses the question if the general feasibility of the energetically uphill electron transfer from succinate to menaquinone is associated specifically to a single enzyme complex, the SQR. The prerequisite to achieve this goal was stable preparation of this enzyme.
Functional and structural characterization of Aquifex aeolicus sulfide:quinone oxidoreductase
(2010)
This work presents the first complete structure of the membrane protein sulfide:quinone oxidoreductase (SQR), obtained by X-ray crystallography. Its description is complemented by the results of biochemical and functional experiments. SQRs are ubiquitous flavoprotein disulfide reductases (FDRs), present in all domains of life, including in humans. Their physiological role extends from sulfide detoxification to sulfide-dependent respiration and photosynthesis (in archaea and bacteria), to heavy metal tolerance (in yeast) and possibly to sulfide signalling (in higher eukaryotes). Until now understanding the function of SQRs was difficult because of the poor level of sequence conservation in this enzyme family, the limited functional characterization available and the absence of any structural data. SQR was identified in the native membranes of the hyperthermophilic bacterium Aquifex aeolicus by peptide mass fingerprinting (PMF) and by a spectrophotometric activity assay. The protein was solubilized in the detergent dodecyl-beta-D-maltoside (DDM) and purified to homogeneity in a functionally active state. It binds one FAD molecule per protein monomer and FAD is its only cofactor. Its structure was determined in the “as-purified”, substrate-bound and inhibitor-bound forms at resolutions of 2.3, 2.0 and 2.9 Å, respectively. It is composed of two Rossmann-fold domains and of one membrane-attachment region. Despite the overall monomeric architecture being similar to that of FDRs, the structure reveals properties that had not been observed in FDRs until now and that have strong implications for the SQR catalytic mechanism. Surprisingly, A. aeolicus SQR is trimeric in the crystal structure and in solution, as determined by density-matched analytical ultracentrifugation, cross-linking and single particle electron microscopy. The trimer creates an appropriate surface for binding lipids and thus ensures that SQR exclusively reduces hydrophobic quinones. SQR inserts to a depth of about 12 Å into the membrane as an integral monotopic membrane protein. The interaction is mediated by an amphipathic helix-turn-helix tripodal motif and two lipid clamps. A channel in the membrane-binding domain extends towards the si-side of FAD and represents the quinone-binding site. The quinone ring is sandwiched between the conserved amino acids Phe 385 and Ile 346 and is possibly protonated upon reduction via Glu 318, Lys 382 and/or neighboring solvent molecules. Sulfide polymerization occurs on the re-side of FAD, where the highly conserved Cys 156 and Cys 347 appear to be covalently bound to the putative product of the reaction, a polysulfur chain which takes the form of an S8 ring in some monomers. Finally, the structure shows that FAD is covalently connected to the protein in an unprecedented way, via a putative disulfide bridge between the 8-methyl group of the isoalloxazine moiety and Cys 124. The high resolution insight into the protein and all unexpected structural observations presented in this work suggest that the catalytic mechanism of SQRs is significantly different from that of FDRs. In agreement with the structural and functional data, two reaction schemes are proposed for A. aeolicus SQR. They both provide a detailed description of how sulfide and quinones reach and bind the active site, how electrons are transferred from sulfide to quinone via FAD and how the elongating polysulfur product is attached to the polypeptide and is finally released. The two hypotheses differ in defining the structure of the covalent protein-FAD intermediate that forms during the reaction cycle and whose identity still remains experimentally undetermined. Remarkably, the structure of the active site and the FAD-binding mode of A. aeolicus SQR are not conserved in another SQR structure which also became available recently, that of the archaeon Acidianus ambivalens. The variability in SQRs suggests that not all of these enzymes follow the same catalytic mechanism, despite having been considered homologous. Consequently, the currently available but contradictory sequence-based classifications of the SQR family were revised. A structure-based alignment calculated on the increasing number of available sequences allowed to define new SQR groups and their characteristic sequence fingerprints in agreement with the reported structural and functional data. In conclusion, the results obtained in this work offer for the first time a detailed look into the intriguing but complicated reactions catalysed by SQRs and provide a stimulus for further genetic, biochemical and structural investigation.