Biochemie und Chemie
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Introduction: Immune paralysis with massive T-cell apoptosis is a central pathogenic event during sepsis and correlates with septic patient mortality. Previous observations implied a crucial role of peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARγ) during T-cell apoptosis.
Methods: To elucidate mechanisms of PPARγ-induced T-cell depletion, we used an endotoxin model as well as the caecal ligation and puncture sepsis model to imitate septic conditions in wild-type versus conditional PPARγ knockout (KO) mice.
Results: PPARγ KO mice showed a marked survival advantage compared with control mice. Their T cells were substantially protected against sepsis-induced death and showed a significantly higher expression of the pro-survival factor IL-2. Since PPARγ is described to repress nuclear factor of activated T cells (NFAT) transactivation and concomitant IL-2 expression, we propose inhibition of NFAT as the underlying mechanism allowing T-cell apoptosis. Corroborating our hypothesis, we observed up-regulation of the pro-apoptotic protein BIM and downregulation of the anti-apoptotic protein Bcl-2 in control mice, which are downstream effector proteins of IL-2 receptor signaling. Application of a neutralizing anti-IL-2 antibody reversed the pro-survival effect of PPARγ-deficient T cells and confirmed IL-2-dependent apoptosis during sepsis.
Conclusion: Apparently antagonizing PPARγ in T cells might improve their survival during sepsis, which concomitantly enhances defence mechanisms and possibly provokes an increased survival of septic patients.
Na+/H+ antiporters are ubiquitous membrane proteins involved in ion homeostasis and pH sensing. The amino acid sequence of one such antiporter, MjNhaP1, from Methanococcus jannaschii, shows a significant homology to eukaryotic sodium proton exchangers like NHE1 from Homo sapiens and SOS1 of Arabidopsis thaliana than to the well-characterized Escherichia coli NhaA or NhaB. MjNhaP1 shows activity at acidic pH unlike NhaA, which is active at basic pH. 13 transmembrane helices have been predicted to be present in NhaP1. A projection map, calculated by Cryo-EM of 2D crystals of MjNhaP1 grown at pH 4, showed it to be a dimer containing elongated densities in the centre of the dimer and a cluster of density peaks on either side of the dimer core (Vinothkumar et al., 2005). Incubation of 2D crystals at pH 8 on the EM grid resulted in well-defined conformational changes, clearly evident in a difference map as a major change in density distribution within the helix bundle (Vinothkumar et al., 2005). The aim of this dissertation is to understand the working mechanism of MjNhaP1 by determining its three-dimensional structure. The aim was initially approached by structure determination by X-ray crystallography. The limitation for this method was the low expression yield, which was 0.5–0.7mg/ml (Vinothkumar et al., 2005). After various optimization trials, the expression yield of the recombinant protein could be elevated to 2-2.5mg of pure protein per litre of culture by the method of autoinduction (Studier et al., 2005). To obtain well diffracting 3D crystals, purification conditions (Vinothkumar et al., 2005) were modified. 3D crystals were obtained under various conditions, which has so far not diffracted X-Ray beyond 8Å. Parallely, optimization of parameters (Vinothkumar et al., 2005) for 2D crystals formation was carried out. A combination of 1% DDM used for lipid solubilization, and 1% OG in the buffer of the purified protein produced 1-2 μm wide tubular 2D crystals of NhaP1. This batch of crystal proved to be the optimal for data collection at higher tilt angle with the electron microscope. A 3D map showed p22121 symmetry and revealed a tight dimer with an oval shape. The region in the central part of the dimer is composed of several tilted helices forming an interface between both monomers. On either side of the dimer interface, a group of six tightly packed helices form a bundle. This bundle contains three straight helices in the centre of the monomer and three helices in the periphery. Comparison of the structures of E.coli NhaA and M. jannaschii NhaP1 show substantial differences in length and slope of corresponding helices between both antiporters. A 3D model of NhaP1 based on the 3D map revealed 13 helices, which has been named as A-M to distinguish it from the NhaA helices. Overlaying the X-ray structure onto the 3D map revealed that the disrupted helices IV and XI of NhaA superimpose two central helices at similar position in the 3D map of NhaP1. The disrupted helices IV and XI in the X-ray structure of NhaA have been proposed as the putative ion-binding and translocation site (Hunte C et al, 2005; Arkin IT et al, 2007; Screpanti & Hunte (2007). This motif appears to be present also in NhaP1, as suggested by the close fit of NhaA helices IV and XI on the putative helices E and L of the NhaP1 model. These two putative helices E and L in NhaP1 contain the highly conserved TDP and GPRVVP motif, which are crucial for antiporter activity (Hellmer et al., 2002, Hellmer et al., 2003). In the overlay, helix V of NhaA containing the two essential, conserved aspartates D163 and D164 fits the density of the putative helix F of NhaP1, which contains the conserved motif FNDP. The homologous D161 in the FNDP motif of NhaP1 is essential for transport activity as show by mutagenesis (Hellmer at al., 2003). Significant differences are visible in the region of the dimer interface of the 3D map of NhaP1 occupied by helices VI, VII, and VIII in NhaA. This region shows an extra helical density (A) in the 3D map of NhaP1. By alignment of MjNhaP1 sequence with the amino acid sequences of several Na+/H+ exchangers, it was evident that the additional helix (A) is located in the N terminus of NhaP1. In our sequence alignment, a putative hydrophobic segment corresponding to this additional helix A is present in other archaeal and eukaryotic antiporters but not in any of the bacterial ones. The N-terminus of the human Na+/H+ exchanger NHE1 has been predicted to contain a highly hydrophobic signal peptide. This indicates the probability of the N-terminal helix A of NhaP1 to be an uncleaved signal peptide. Besides being a signal sequence targeting NhaP1 to the membrane, the map suggests that this helix might be involved in the formation of dimer contacts between both monomers. A gene duplication event is evident in the 3D map of NhaP1, as not only the helices D, E, F and K, L, M are related by an inverted repeat but also the helices B, C and I, J are related. We present here the three-dimensional architecture of a Na+/H+ antiporter from archaea. The presence of the 13th helix suggests the location of the N-terminus to be located in the cytosol and the C-terminus in the periplasm. This would orient NhaP1 in an inverted manner in the membrane in comparison to NhaA. Further structural information at higher resolution and biochemical and biophysical investigations are required to confirm the topology.
Die vorliegende Arbeit ist aus drei Teilen aufgebaut. Im ersten, relativ kurz gehaltenen Kapitel wird die klassische Standard-Industrie-Solarzelle auf der Basis monokristallinen Siliziums vorgestellt. Der bisherige Herstellungsprozess der Standard-Industrie-Solarzelle, der in wesentlichen Teilen darauf abzielt, diese Verluste zu minimieren, dient als Referenz für die Entwicklung neuer Fertigungsverfahren, wie sie in den Kapiteln 2 und 3 dieser Arbeit vorgestellt werden. Den ersten thematischen Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Entwicklung eines alternativen Wafering-Konzeptes zum Multi-Drahtsägen, der klassischen Technologie zur Fertigung von Silizium-Wafern. Die Basis des neuen, hier vorgestellten Wafering-Prozesses bildet das Laser-Micro-Jet-Verfahren (LMJTM). Dieses System besitzt eine Reihe von Vorteilen gegenüber klassischen „trockenen“ Laserverfahren. Das ursprünglich auf reinem, deionisiertem Wasser als Strahlmedium aufbauende System wurde im Rahmen dieser Arbeit so modifiziert, dass der Flüssigkeitsstrahl nunmehr nicht nur als flüssiger Lichtleiter dient, sondern gleichzeitig auch als Transportmedium für Ätzmittel, welche den thermischen Abtrag des Siliziums durch den Laserstrahl unterstützen. Ausgehend vom aus der Literatur bekannten chemischen Verhalten des Siliziums wurden 3 Ätzsysteme für Silizium vorgestellt. Dabei wurden Vor- und Nachteile für deren technischen Einsatz diskutiert. Den praktischen Teil dieses Arbeitspaketes bildete der Test zweier Ätzmedien im Experiment. Dabei konnte gezeigt werden, dass wasserfreie Strahlmedien basierend auf perfluorierten Lösemitteln mit bereits sehr geringen Zusätzen gasförmigen Chlors als Ätzmittel für Silizium wässrigen alkalischen Ätzsystemen jeder Konzentration prinzipiell überlegen sind- Parallel zur Evaluation des Einflusses der chemischen Beschaffenheit des Flüssigkeitsstrahls auf den Abtragsprozess fand auch eine Untersuchung verschiedener Prozessparametereinflüsse statt, etwa der Laserleistung, der Laserlichtwellenlänge, etc. Den zweiten thematischen Schwerpunkt der Arbeit bildet die Modifizierung der nasschemischen Schritte zwischen dem Wafering und dem ersten Hochtemperatur-Fertigungsschritt in der Solarzellen-Produktion, der Emitterdiffusion. Diese nasschemischen Schritte umfassen bei der Standard-Industrie-Solarzelle in der Regel eine zum Teil aufwändige Reinigung der Wafer-Oberflächen von partikulären und metallischen Kontaminationen, die vor allem vom Wafering-Prozess herrühren, als auch eine Texturierung der Substrate. Kernanliegen des praktischen Teils dieses Arbeitspaketes ist zum einen die Suche nach alternativen Texturmitteln zum 2-Propanol, dem klassischen Badadditiv in basischen Ätzbädern, das in der Praxis über zahlreiche Nachteile verfügt, etwa einem relativ niedrigen Siedepunkt, der zu seinem permanenten Ausgasen aus der Lösung führt. Zum anderen sollte der auf die Textur folgende Reinigungsprozess rationalisiert werden, um Prozesskosten zu minimieren, entweder durch eine Straffung des Prozesses durch Verringerung des Chemikalienverbrauchs und einer Reduzierung der Prozesszeit oder durch eine Verringerung der Chemikalienkosten. Bei der Suche nach neuen Texturmitteln wurden 45 verschiedene organische Substanzen verschiedener Verbindungsklassen hinsichtlich ihrer Texturwirkung auf monokristallinen Silizium-substraten getestet. Mit 1-Pentanol und p-Toluolsulfonsäure wurden zwei Substanzen ermittelt, welche in der Zukunft als praktikable Alternativen zu 2-Propanol als Texturadditive dienen könnten. Im Kontext der Suche nach neuen Reinigungsverfahren wurden eine Reihe verschiedener neuer Reinigungssequenzen getestet, die sich entweder durch veränderte - in der Regel verringerte - Badkonzentrationen, durch neue Badsequenzen, welche auf bestimmte Teilschritte verzichten oder durch neue Badkompositionen, etwa durch Hinzuziehen von Komplexbildnern für metallische Verunreinigungen von den klassischen Reinigungsprozessen unterscheiden. Der Erfolg des Reinigungseffektes der nasschemischen Sequenzen wurde anhand der Ladungsträger-Lebensdauer in den Wafern abgeschätzt. Dabei konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe von LMJ produzierte (gelaserte) Wafer-Oberflächen wesentlich straffere Reinigungsprozesse erfordern als drahtgesägte Substrate. Neben einer deutlichen Straffung des Reinigungsprozesses ist auch eine Verkürzung der Texturzeit bei den mit Lasern geschnittenen Oberflächen möglich, die wiederum ihren Grund im geringeren Schädigungsgrad dieser Oberflächen hat, der einen geringeren Materialabtrag durch die Ätzbäder erfordert, als bei drahtgesägten Wafern. Abschließend konnte noch gezeigt werden, dass drahtgesägte Substrate, die bei gleicher Prozesszeit mit den neuen Texturmitteln prozessiert wurden, über erheblich höhere mechanische Stabilitäten verfügen, als jene, bei denen das klassische Texturmittel 2-Propanol eingesetzt wurde.
Die vorliegende Arbeit befasste sich in erster Linie mit der Regulation des P2X2 Rezeptors (P2X2R) durch Phosphoinositide (PI). P2X Rezeptoren sind durch extrazelluläres ATP aktivierte Kationenkanäle, die ubiquitär unter Vertebraten, v. a. im zentralen wie peripheren Nervensystem exprimiert werden. Bis heute sind 7 verschiedene Untereinheiten dieser Rezeptorfamilie bekannt, die nach homo- oder heterotrimerer Assemblierung unterschiedliche funktionelle Phänotypen ausbilden. Die P2X Rezeptoren sind an einer Vielzahl von physiologischen und pathophysiologischen Prozessen beteiligt. Für ihre Beteiligung am zellulären Signalgeschehen wurde in der Vergangenheit der Begriff der purinergen Signaltransduktion geprägt. PI4,5P2 ist ein zelluläres, an der Innenseite der Plasmamembran verankertes Phospholipid, dem zahlreiche, essentielle Funktionen zukommen. Dass es auch Signalfunktion besitzen kann, wurde erst spät (1980) bekannt; dass es darüber hinaus zudem membranäre Transportsysteme reguliert, konnte erst in den letzten Jahren gezeigt werden. Die ersten Kanäle, für die eine Phosphoniositid (PI)-Beeinflussung nachgewiesen wurde, waren die einwärts gleichrichtenden K+-Kanäle. 2006 wurden die ersten vorläufigen Hinweise publiziert, dass auch die Kanalfunktion der P2X Rezeptoren durch Phosphoinositide beeinflusst werden kann. Darauf aufbauend wurde in der vorliegenden Arbeit der P2X2R nach Expression in Xenopus Oozyten elektrophysiologisch auf eine mögliche Regulation durch PIPns untersucht. Um die in der Oozyte vorliegenden PI-Level gezielt während der Messung ändern zu können, wurde die spannungsgesteuerte Phosphoinositid-Phosphatase Ci-VSP coexprimiert. Ci-VSP, die der PTEN-Phosphatase strukturell sehr ähnlich ist, wurde 2005 aus der Schlauchascidie Ciona intestinalis kloniert. In der veröffentlichten Klonierungsarbeit wurde bereits gezeigt, dass Ci-VSP in der Lage ist, bekannte PI4,5P2-sensitive Membrankanäle, wie z. B. bestimmte K+-Kanäle, spannungsabhängig zu inhibieren. Es konnte in TEVC-Experimenten gezeigt werden, dass die durch Depolarisation induzierte Aktivierung dieser Phosphatase den P2X2 Rezeptorstrom in seiner Desensibilisierung sowohl beschleunigt als auch verstärkt. Dieser Effekt war spannungsabhängig und nahm mit höherer Depolarisation zu. Die ermittelte Spannungsabhängigkeit stimmte dabei mit dem sensitiven Potentialbereich der spannungsgesteuerten Ci-VSP-Domäne, gemessen an ihren gating-Strömen, überein. Der „Ci-VSP-Effekt“ auf den P2X Rezeptor konnte nur in Anwesenheit von ATP, d.h. bei aktiviertem Rezeptor, beobachtet werden. Wurden die Oozyten mit Wortmannin, einem PI4-Kinase(PI4K)-Inhibitor, behandelt, zeigte sich eine vergleichbare Veränderung des Rezeptorstroms. Eine PI4K-Inhibition zielt demnach offensichtlich auf die gleichen Regulationsmechanismen wie die Ci-VSP-Aktivierung. In weiterführenden zellfreien Patch Clamp-Messungen an Oozytenmembranen wurden sowohl Einzelkanal- als auch makroskopische Ströme des P2X2R unter Einfluss verschiedener, intrazellulär verabreichter PIs und PI-beeinflussender Enzyme untersucht. Einzig die Zugabe von PI4,5P2 hatte einen deutlich aktivierenden Einfluss auf den makroskopischen Rezeptorstrom, andere getestete PIs (wie auch PI3-Kinase und PTEN-Phosphatase) zeigten keinerlei Wirkung. Vergleichbare Ergebnisse konnten in vorläufigen Einzelkanal-Messungen an diesem Rezeptor Subtyp beobachtet werden. Da die PI4-Kinase offensichtlich an der beobachteten Beeinflussung der P2X2R Desensibilisierung beteiligt ist, wurde die P2X2-Rezeptorsequenz auf potentielle - über sogenannte SH3-Epitope vermittelte - PI4K-Interaktionsbereiche hin untersucht. Diese SH3-Epitope kommen in vielen zellulären Proteinen vor, um Protein-Protein-Interaktionen zu vermitteln. Nach Sequenzanalyse des maßgeblich am Desensibilisierungsgeschehen beteiligten C-Terminus des P2X2R konnte im distalen Teil ein SH3-Bindungsmotiv lokalisiert werden, das daraufhin durch gerichtete Mutagenese (P2X2-P451A/P454A) unwirksam gemacht wurde. Dieser mutierte Rezeptor verhielt sich in seiner Desensibilisierung wie der Wildtyp nach Wortmannin-Behandlung, zeigte also eine intrinsisch verstärkte Desensibilisierung. Eine Wortmannin-Behandlung der Oozyten, die den mutierten Rezeptor exprimierten, führte hingegen zu keiner weiteren Beeinflussung des Rezeptorstroms. Somit konnte letztlich der Schluss gezogen werden, dass die PI4K, und das mit ihr in direkter Verbindung stehende PI4,5P2, einen maßgeblichen Einfluss auf das Desensibilisierungsverhalten des P2X2R hat. Auf Basis der erarbeiteten Befunde wurde ein kinetisches Reaktionsmodell des P2X2R erstellt, das bisher aufgestellte Modelle mit den Ergebnissen dieser Arbeit vereint, aber auch in teilweisem Gegensatz zu dem von FUJIWARA & KUBO [2006] steht. Des Weiteren wurde im Verlauf dieser Arbeit die reversible Inhibition des P2X2R durch eine Reihe von Aminoglykosid-Antibiotika untersucht. Durch Analyse der Dosis-Wirkungs-Beziehungen, der Spannungs- sowie wie ATP-Konzentrations-Abhängigkeit der Inhibition konnte gezeigt werden, dass es sich dabei um einen nicht-kompetitiven open pore block handelte. Durch weiterführende Untersuchungen an einer nicht-desensibilisierenden P2X2/1 Rezeptorchimäre wurde gezeigt, dass eine Aminoglykosid-Inhibition die ATP-Dissoziation von der Rezeptorbindungsstelle signifikant verlangsamte. Dieser Befund deutet auf eine im Vergleich zum geschlossenen Zustand erhöhte Affinität des offenen Zustands für ATP hin. Neben den hier untersuchten Aminglykosiden sind bislang keine weiteren Substanzklassen bekannt, die den P2X2R durch einen derartigen Mechanismus hemmen.
The transcription factor p63 is part of the p53 protein family, which consists of three members, p53, p63 and p73. P63 shares structural similarity with all family members, but is associated to different biological functions than p53 or p73. While p53 is mainly linked to tumor suppression and p73 is connected with neuronal development, p63 has been connected to critical biological roles within ectodermal development and skin stem cell biology as well as supervision of the genetic stability of oocytes. Due to its gene structure p63 is expressed as at least six different isoforms, three of them containing a N-terminal transactivation domain. The isoforms that are of biological relevance both have a C-terminal inhibitory domain that negatively regulates the transcriptional activity. This inhibitory domain is supposed to contain two individual components of which one is internally binding and masking the transactivation domain while the other one can be sumoylated. To further investigate this domain a mutational analysis with the help of transactivation assays in SAOS2 cells was carried out to identify the critical amino acids within the inhibitory domain and the impact on transcriptional activity of TAp63alpha, the p63-isoform which is essential for the integrity of the female germline. The results of these experiments show that a stretch of approximately 13 amino acids seems to be important for the regulation of transcriptional activity in TAp63alpha, due to the increased transcriptional activity occurring in this region after mutation. Additional experiments showed that this mechanism is distinct from sumoylation, which seems to have only implications for the intracellular level of TAp63alpha. As a conclusion, the C-terminus of the Tap63alpha is essential for two different mechanisms, which control the transcriptional activity of the protein. Both regulatory elements are independent from each other and can now be restricted to certain amino acids. Activation of the wild type protein might take place in the identified region via post-translational modification. Furthermore an inhibition assay was carried out to test if the same region might have implications on the second biological relevant isoform deltaNp63alpha. The results show that the same amino acids which show an impact on transcriptional activity in Tap63alpha lead to a significant change in functional behaviour of deltaNp63alpha. There is a possibility that both proteins are regulated with opposite effects via the same mechanisms, based at the C-terminus of the p63alpha-isoforms. In both cases a modification of these residues could lead to a more opened conformation of the protein with consequences on promoter binding, which can be even important for deltaNp63alpha with respect to promoter squelching. Both alpha-isoforms seem to be regulated via the C-terminus and to elucidate if that is also the case for TAp63gamma a deletion analysis was carried out. The results show that there are also amino acids within the C-terminus of TAp63gamma, which have implications on the transcriptional activity of the protein. Therefore the C-terminus seems to play a major role for regulation of diverse p63 isoforms.
Elektronentransferprozesse in Pd-Komplexen 1,4-Chinon-basierter Bis(pyrazol-1-yl)methan-Liganden
(2009)
PdII-katalysierte Oxidationsreaktionen organischer Verbindungen stellen wichtige synthetische Werkzeuge dar. Um das Übergangsmetall in katalytischen Mengen einsetzen zu können ist es nötig, das im Zuge der Substratumwandlung entstehende Pd0 seinerseits wieder zu reoxidieren. Im großtechnischen Wacker-Prozess setzt man zu diesem Zweck das Redoxsystem CuII/CuI ein, welches Elektronen von Pd0 aufnimmt und sie auf molekularen Sauerstoff überträgt, so dass als einziges Abfallprodukt Wasser entsteht. Da beim Einsatz von Kupfersalzen allerdings Probleme durch unerwünschte Nebenreaktionen auftreten können, stieß man auf der Suche nach alternativen Redox-Cokatalysatoren auf 1,4-Benzochinon. Man nimmt an, dass der Reoxidation von Pd0 eine Koordination des 1,4-Benzochinons an das Übergangsmetallatom vorausgeht. Vor diesem Hintergrund wurde in der vorliegenden Arbeit ein 1,4-Naphthochinon-basierter Bis(pyrazol-1-yl)methan-Ligand entwickelt, dessen Pd-Komplex das katalytisch aktive Übergangsmetallatom und den Redox-Cokatalysator in einem einzigen Molekül vereint. Eine direkte intra- und intermolekulare 1,4-Chinon/Pd-Koordination wird durch das Ligandendesign jedoch verhindert. Anhand dieses Modellsystems sollte dann untersucht werden, ob alternativ zu den etablierten mechanistischen Vorstellungen zum Ablauf des Elektronentransfers, eine durch den Raum verlaufende elektronische Kommunikation der beiden redoxaktiven Zentren möglich ist. Sollte das der Fall sein, wäre man künftig bei der Entwicklung und Optimierung solcher Hybridkatalysatoren nicht auf die Miteinbeziehung des 1,4-Chinons in die Koordinationssphäre des Übergangsmetallions angewiesen, sondern könnte diese ausschließlich an die koordinationschemischen Erfordernisse des Pd-Zentrums anpassen. Nachdem das Modellsystem zur Verfügung stand, galt es im ersten Schritt, die elektrochemischen Eigenschaften von freiem Ligand und PdII-Komplex mittels Cyclovoltammetrie zu bestimmen. Mit Kenntnis der Redoxpotentiale wurden daraufhin elektrochemisch selektiv reduzierte Spezies des Liganden bzw. seines PdII-Komplexes erzeugt und deren UV-vis-Spektren in situ aufgenommen. Letztere lieferten nötige Referenzwerte für die folgenden Experimente. Auf Grundlage dieser Vorarbeiten konnte nun die elektronische Kommunikation der redoxaktiven Zentren in dem Komplex untersucht werden. Da im Modellsystem zunächst beide redoxaktive Zentren in der oxidierten Form vorliegen, war es erforderlich, das PdII-Ion selektiv zu reduzieren, um dem System an der richtigen Stelle Elektronen zuzuführen. Als Reduktionsmittel wurde Triethylamin gewählt; entsprechende Vergleichsexperimente stellten zuvor sicher, dass dieses keine Nebenreaktionen mit dem Liganden selbst eingeht. Im Zuge der Reduktion des PdII-Zentrums ist eine Änderung der UV-vis-spektroskopischen Eigenschaften des Liganden zu beobachten. Ein Vergleich der erhaltenen Daten mit den Referenzspektren der elektrochemisch erzeugten reduzierten Spezies legt den Schluss nahe, dass nach Überführung des PdII-Zentrums in die nullwertige Stufe der durch den Raum verlaufende Übergang eines Elektrons auf den 1,4-Naphthochinon-basierten Liganden erfolgt. Das hierbei entstehende 1,4-Naphthosemichinonradikal wurde zusätzlich ESR-spektroskopisch nachgewiesen.
Die Erforschung der neuartigen Materialien BST, PZT und SBT für den Einsatz in neuartigen Speichertechnologien wie dem FeRAM besteht aus vielen unterschiedlichen Teilbereichen. Im Rahmen dieser Dissertation wurden primär zwei Hauptbereiche analysiert. Als Erstes wurden sowohl die Mechanismen der Oberflächenausbildung (Wachstumsverfahren, Prozeßparameter, Substrat Einflüsse) von einzelnen Filmen, als auch die Wechselwirkungen der Schichten untereinander und deren Auswirkung auf das Schichtsystem, untersucht. Im zweiten Schritt wurde das elektrische Verhalten, und die auftretenden Phänomene sowohl qualitativ als auch quantitativ erfaßt und bewertet. Als Elektrodenmaterial für die di/ferroelektrische Speicher kann nicht wie gewohnt dotiertes Silizium/Polysilizium verwenden werden. Da Platin den chemischen und thermischen Belastungen bei der Herstellung dieser Filme besonders gut gewachsen ist, wird es bevorzugt als Elektrode eingesetzt. Bei dem Aufbau der Pt-Elektrode erfolgt die größte Veränderung des Systems durch die RTP-Oxidation des reaktiven Titans. Die Rauhigkeit des vorher sehr fein kristallinen Ti-Films steigt auf das Vierfache bei einer gleichzeitigen Verdreifachung der Korngröße. Da in vielen Bauelementen Si oder Poly-Si in Kombination mit einer Ti/TiN-Barriere als Basis für den Pt-Film fungieren, wurde bei den nächsten Experimenten der Einfluß des Substrates und der TiN-Sputtertemperatur auf die Topologie/Morphologie der Elektrode untersucht. Nur durch Anpassung der TiN Sputterleistung, eine niedrige Substrattemperatur und der Kombination aus N2-RTP Temperung (nach TiN) und O2-Temperung (nach Pt), gelingt es die Rauhigkeit und Kristallitgrößen des entstandenen Filmsystems zu minimieren. Bei der Charakterisierung der di/ferroelektrischen Materialien BST, PZT und SBT wurden zum einen das Wachstum und die beim Aufbau der Schichten auftretenden Phänomene anhand verschiedener Abscheidungstechniken untersucht/verglichen. Zum anderen sind mehrere Schichtdicken, Schichtabfolgen und eine Reihe unterschiedlich getemperter Proben analysiert worden. Die mittels Sputtern hergestellten BST Filme belegen, dieses Material hat typischerweise ein columnares Kristallwachstum und läßt sich sehr fein kristallin aufbringen. Bei der reaktiven Abscheidung aus der Gasphase (MOCVD) hat sich schnell gezeigt, das komplexe Material System BST reagiert bereits bei Variation eines Parameters extrem unterschiedlich. So findet bei einer hohen Substrattemperatur (690°C) ein fließender Übergang vom zwei dimensionalen (2D, Frank-van der Merwe), zum drei dimensionalen (3D, Stranski-Krastanov) Wachstum statt. Wird BST bei 600°C abgeschieden, liegt von Anfang an ein gemischter 2D/3D Schichtaufbau vor, der überwiegend in einen 3D inselartigen Aufbau (Vollmer-Weber) übergeht. Senkt man die Temperatur auf 450°C, bildet sich auf der Oberfläche Haze, der durch eine instabile Gasphasenreaktion an der Oberfläche entsteht und sich hauptsächlich aus Strontium- und Bariumoxid zusammensetzt. Gesputtertes PZT besitzt im Vergleich zu BST eine um den Faktor 6 höhere Wachstumsrate, und bildet zweimal so breite Kristallite aus. Es hat eine relativ feinkörnige Struktur und seine Kristalle wachsen wie beim BST columnar auf. Die MOD Technik erzeugt einen relativ homogenen SBT-Schichtaufbau mit Korngrößen bis zu 135 nm. Erst nach dem Ferroanneal entstehen bis zu dreimal größere Kristalle, die von markanten Korngrenzen getrennt werden und große Kristallflächen mit Unterstrukturen haben. Die mit der MOCVD Methode hergestellten SBT-Proben zeigen teilweise Wachstumsphänomene in Form von Hillocks, die im EDX allerdings keine Unterschiede in der Zusammensetzung aufweisen. Die systematische Untersuchung der Wechselwirkung von Temperatur (600-800°C) und Schichtdicke (ca. 80-175 nm) bei konstanter Temperzeit hat ergeben, daß die Filme bei einem 600°C Ferroanneal kleine Hillocks besitzen, die erst ab 700°C nicht mehr zu beobachten sind. Neben der topographischen Analyse von Di- und Ferroelektrika gibt es einen zweiten sehr wichtigen Aufgabenbereich, die elektrische Charakterisierung dieser Materialien. Da alle herkömmlichen Verfahren diese Daten nur Integral erfassen können, eröffnet die Rastersondenmikroskopie hier erstmalig die Chance, sowohl Topographie als auch elektrische Parameter simultan und mit hoher Ortsauflösung (10-50 nm) zu analysieren. Die ersten Versuchsreihen wurden mit dem EFM gemacht und haben sich mit dem Polarisationsverhalten von PZT und SBT beschäftigt. Zu diesem Zweck wurde ein Experiment entwickelt, bei dem das Ferroelektrikum durch gezielte Polarisationen in zwei definierte Zustände entgegengesetzter maximaler Polarisation versetzt wird. Die Ergebnisse konnten mit dem Oberflächenpotential Mikroskop reproduziert werden, allerdings reagiert das Oberflächenpotential Mikroskop deutlich stärker auf freie Ladungen als das EFM. Um zwischen Ladungsartefakt und realer Beobachtung unterscheiden zu können, wurde ein Verfahren zur Konditionierung und Ladungsentfernung der Probe entwickelt, ohne die Probe merklich zu manipulieren. Da bei den EFM-Untersuchungen viele verschiedene elektrostatische Phänomene aufgetreten sind, ist eine generelle Betrachtung zur Fragestellung, was bildet das erhaltene EFM-Signal eigentlich ab, gemacht worden. Dazu wurde ein deutlich vereinfachtes Ladungsmodell vorgestellt, das den Polarisationsvorgang mit seinen unterschiedlichen Einzelprozessen beschreibt. Zusammenfassend ist zu sagen, daß EFM ein elektrostatisches Gesamtfeld detektiert, das aus verschiedenen Komponenten besteht, die in der Regel qualitativ und nicht quantitativ miteinander verknüpft sind. Im Gegensatz zu makroskopischen Messungen haben zeitabhängige Untersuchungen an SBT gezeigt, die abgebildete Polarisation verringert sich bereits nach wenigen Tagen signifikant. Eine Erklärung für den Signalverlust ist die Annahme, daß sich über die Zeit primär nur die SBT-Oberfläche verändert, da ihr die elektrisch und chemisch stabilisierende Pt-Elektrode fehlt. Eine weitere Überlegung geht davon aus, durch die EFM-Spitze hat eine wesentlich höhere Feldstärke auf das Ferroelektrikum eingewirkt und das Material dadurch stärker gestreßt. Die Untersuchung der temperaturabhängigen Relaxation von ferroelektrischen Filmen liefert weitere interessante Erkenntnisse. Ohne obere Pt-Elektrode kann man bereits ab 130°C einen deutlichen Polarisationsverlust beobachten (Curie-Punkt SBT: 310°C). Die Temperversuche sprechen damit für die Hypothese, durch die fehlende obere Elektrode wurde bei der Polarisation erhöhter Streß in das SBT eingeprägt und das System hat darauf mit stark beschleunigter Relaxation reagiert. Es kann jedoch nicht abschließend geklärt werden, was auf das Materialverhalten einen größeren Einfluß ausübt, die Oberflächenladungen oder die fehlende obere Pt-Elektrode. In weiteren Experimenten wurde die Bildung der ferroelektrischen Phase und deren Störungen untersucht. Versuche mit unterschiedlicher Ferroannealtemperatur bei MOD SBT-Schichten haben gezeigt, die Kristallphasenbildung wird hauptsächlich von der Annealtemperatur gesteuert. Bei einer Temperatur von 600°C wird nur eine partielle Phasenumwandlung erzielt, dagegen liegt bei 800°C eine vollständige Umwandlung in den pseudotetragonalen Perowskit vor. Die Untersuchung eines mittels MOCVD-Verfahren abgeschiedenen SBT-Films ergab eine nicht vollständig polarisierte Oberfläche. Da sich bei einer Substrattemperatur von 640°C primär eine a/b-Kristallachsenorientierung ausbildet, die Probe jedoch nur partiell polarisierbar war, ist höchstwahrscheinlich die Substrattemperatur während der Abscheidung zu niedrig gewesen. Zum Abschluß der Versuche wurde der Polarisationsbereich zunächst auf wenige Mikrometer verkleinert und schließlich sogar auf einzelne Kristalle eingeschenkt. Obwohl es gelingt, einzelne Kristalle zu polarisieren, zeigen diese Experimente deutlich die Limitierungen des EFMs auf. Die ersten Messungen mit dem Piezoresponse-SPM haben ergeben, daß es möglich ist, subkristalline Polarisationsstrukturen ohne nennenswerte Topographieartefakte und „Übersprechen“ abzubilden. Mit dem C-AFM ist in sehr hoher Orts- und Stromauflösung das Leckstromverhalten von BST, PZT und SBT untersucht worden. Da diese di- und ferroelektrischen Materialien eine polykristalline Struktur haben, treten neben Fehlertypen wie Fremdatomdefekten und Leerstellen auch noch eine Vielzahl anderer Kristallbaufehler (Versetzungen, Korngrenzen, ...) auf, die zu erhöhten Leckströmen führen. Auch die Morphologie der Filme beeinflußt das elektrische Verhalten der Materialien. Bei den als Erstes vermessenen BST-Proben ist eine starke Schichtdicken- und Feldstärken-Abhängigkeit zu beobachten. So wird das Leckstromverhalten bei dünnen BST-Proben und niedrigem Potential von extrinsischen Fehlern in Form von Fremdatomdefekten, Leerstellen und verschiedenen Kristallbaufehlern dominiert. Erhöht man allerdings die Feldstärke, so bestimmen die intrinsischen Fehler die Leckstrompfade, da durch das hohe Potential die Bandstruktur solange degradiert bis ein elektrischer Durchbruch vorliegt. Bei höheren Schichtdicken (70 nm) werden durch den intrinsischen Streß des Films hervorgerufene Leckströme erkennbar. Sie treten erst ab einem kritischen Zug- oder Druckstreßniveau in Insel/Domänen-ähnlicher Form auf, der in der topographischen Aufnahme nicht sichtbar ist. Im Gegensatz zu amorphen Materialien wie dem SiO2 spielt bei BST, PZT und SBT die Filmdicke nur eine untergeordnete Rolle, da eine partielle Dünnung nicht automatisch einen erhöhten Leckstrom zur Folge hat. Da ferroelektrische Materialien eine Leckstromgenerierung besitzen die komplexer ist, und einem anderen Zeitablauf folgt, als bei einem Dielektrikum, wurde zuerst das ferroelektrische PZT mit dem C-AFM analysiert. Die ersten Untersuchungen an einer PZT-Probe haben allerdings sehr schnell gezeigt, zwischen BST und PZT gibt es keine nennenswerten Unterschiede im Leckstromverhalten. Für die Herstellung von SBT-Schichten werden hauptsächlich das MOD und das MOCVD Verfahren verwendet. Um festzustellen welche der beiden Abscheidetechniken das bessere Leckstromverhalten hat, wurden MOD und MOCVD SBT-Filme charakterisiert. Diese Untersuchungen haben gezeigt, bei MOCVD Filmen treten die Leckströme hauptsächlich in den Bereichen auf, die leicht vereinzelte oder nicht dicht verwachsene Korngrenzen und Kristallecken besitzen. Im Vergleich dazu weisen die MOD Schichten in ähnlichen Bereichen deutlich wenigere und niedrigere Leckströme auf. Den Einfluß von Topologie und Filmdicke hat die Analyse einer mit 90 nm MOD SBT beschichteten Stufe (120 nm) belegt, da dort nur im Kantenbereich extrem erhöhte Leckströme zu beobachten sind. Das Degradationsverhalten von SBT ist außerdem auch noch dickenabhängig. Dies beweisen I/V Spektren, die bei C-AFM Messungen an unterschiedlich dicken MOD SBT-Schichten (90/180 nm) aufgenommen wurden. Es zeigt sich, speziell bei höheren Feldstärken liegt bei der dünnen SBT-Probe (90 nm) eine um den Faktor vier steilere Degradation vor.
Based on the commonly used and well-established state-of-the-art DNA sequencing method, i. e. Sanger sequencing, the major target of future research is to develop a fast, cost-effective and gelelectrophoresis-free sequencing method. The aim of the new sequencing technologies is to detect DNA mutations faster and more accurate in order to develop individual therapies for patients (personalized medicine). For this purpose, a lot of novel sequencing techniques like pyrosequencing, mass-spectrometry-assisted sequencing, sequencing by hybridization etc. have been put into practice and already led to commercialized sequencers. The sequencing technology we were mostly interested in is the so-called sequencing-by-synthesis method (SBS). This PhD thesis covers the synthesis of modified nucleosides – the so-called reversible terminators – and their evaluation as reversible terminators. These 3′-modified and dye-labeled nucleotides are incorporated by the polymerase into the DNA-template, then the DNA-synthesis is stopped. After detection of the fluorescent signal, the reversible terminator has to be cleavable in a way (i. e. the polymerase-blocking modification) that the DNA-synthesis can continue. As a result of the polymerase-acceptance tests that have been carried out with the two triphosphates cyanoethoxymethyl(CEM)-dTTP and cyanoethyl(CE)-dTTP as substrates it became clear that the latter one was better incorporated than the first one. Based on this knowledge all four key compounds for the whole reversible terminators possessing the cyanoethyl (CE) group where synthesized within this PhD thesis. Additionally to the synthesis of the modified key compounds, the cleavability of the cyanoethyl function had to be evaluated which is an essential requirement of a reversible terminator for SBS. For addressing this issue, three different CE- and CEM modified monophosphates were created. For each of these three monophosphates an individual synthetic strategy has been developed within this PhD work, each of these strategies and subsequent phosphorylation led to the desired modification. These previously unknown model compounds mimicking the solubility of short oligonucleotides were employed the for qualitative cleavage experiments after their purification and spectroscopical characterization. With these three monophosphates suitable cleavage conditions for a quantitative removal of the CE and the CEM group were examined. In case of the CE function we selectively improved the cleavage conditions while varying the solvent, the reaction temperature as well as the amount of cleaving agent used, in order to make the conditions applicable for an SBS experiment. Due to the fact that the CE function was the most important modification for our SBS experiment, we could even optimize the cleavage efficiency by employing co-solvents like DMSO or DMF. An additional cleavage experiment was carried out by using a short CE-modified oligomer which led to further results that were comparable to the ones obtained from the cleavage experiments of the monomers. One big difference is the required amount of TBAF as cleaving agent for the quantitative removal of the CE-modification from the oligomer. In this case, 7500 equivalents of TBAF are needed for complete CE cleavage at 45 °C compared to the amount of 40 to 80 equivalents TBAF for the monomer (monophosphate). As a conclusion of this result we assume that the amount of cleaving agent and the solubility of the oligomer plays an important role in the CE cleavage efficiency. This assumption was already supported by Saneyoshi et al. who demonstrated for CE-modified RNA oligonucleotides that the CE-cleavage rate is strongly lowered with the increasing of the oligomer length. Thus we could demonstrate that the CE function is quantitatively removable from an oligomer without destroying it. With these results in hands we could prove that the CEM and the CE group are quantitatively cleavable and therefore applicable as blocking groups for reversible terminators. The conditions for the CE cleavage are used for the ArraySBS-“proof-of-principle” which is currently under investigation.
X-ray structure of the Na+-coupled Glycine-Betaine symporter BetP from Corynebacterium glutamicum
(2009)
Cellular membranes are important sites of interaction between cells and their environment. Among the multitude of macromolecular complexes embedded in these membranes, transporters play a particularly important role. These integral membrane proteins perform a number of vital functions that enable cell adaptation to changing environmental conditions. Osmotic stress is a major external stimulus for cells. Bacteria are frequently exposed to either hyperosmotic or hypoosmotic stress. Typical conditions for soil bacteria, such as Corynebacterium glutamicum, vary between dryness and sudden rainfall. Physical stimuli caused by osmotic stress have to be sensed and used to activate appropriate response mechanisms. Hypoosmotic stress causes immediate and uncontrolled influx of water. Cells counteract by instantly opening mechanosensitive channels, which act as emergency valves leading to fast efflux of small solutes out of the cell, therebydiminishing the osmotic gradient across the cell membrane. Hyperosmotic stress, on the other hand, results in water efflux. This is counterbalanced by an accumulation of small, osmotically active solutes in the cytoplasm, the so-called compatible solutes. They comprise a large variety of substances, including amino acids (proline), amino acid derivatives (betaine, ectoine), oligosaccharides (trehalose), and heterosides (glucosylglycerol). Osmoregulated transporters sense intracellular osmotic pressure and respond to hyperosmotic stress by facilitating the inward translocation of compatible solutes across the cell membrane, to restore normal hydration levels. This work presents the first X-ray structure of a member of the Betaine-Choline-Carnitine-Transporter (BCCT) family, BetP. This Na+-coupled symporter from Corynebacterium glutamicum is a highly effective osmoregulated and specific uptake system for glycine-betaine. X-ray structure determination was achieved using single wavelength anomalous dispersion (SAD) of selenium atoms. Selenium was incorporated into the protein during its expression in methione auxotrophic E. coli cells, grown in media supplemented with selenomethionine. SAD data with anomalous signal up to 5 Å led to the detection of 39 selenium sites, which were used to calculate the initial electron density map of the protein. Medium resolution and high data anisotropy made the structure determination of BetP a challenging task. A specific strategy for data anisotropy correction and a combination of various crystallographic programs were necessary to obtain an interpretable electron density map suitable for model building. The crystal structure of BetP shows a trimer with glycine-betaine bound in a three-fold cation-pi interaction built by conserved tryptophan residues. The bound substrate is occluded from both sides of the membrane and aromatic side chains line its transport pathway. Very interestingly, the structure reveals that the alpha-helical C-terminal domain, for which a chemo- and osmosensory function was elucidated by biochemical methods, interacts with cytoplasmic loops of an adjacent monomer. These unexpected monomer-monomer interactions are thought to be crucial for the activation mechanism of BetP, and a new atomic model combing biochemical results with the crystal structure is proposed. BetP is shown to have the same overall fold as three unrelated Na+-coupled symporters. While these were crystallised in either the outward- or inward-facing conformation, BetP reveals a unique intermediate state, opening new perspectives on the alternating access mechanism of transport.