540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
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Light-driven sodium pumps (NaRs) are unique ion-transporting microbial rhodopsins. The major group of NaRs is characterized by an NDQ motif and has two aspartic acid residues in the central region essential for sodium transport. Here we identified a new subgroup of the NDQ rhodopsins bearing an additional glutamic acid residue in the close vicinity to the retinal Schiff base. We thoroughly characterized a member of this subgroup, namely the protein ErNaR from Erythrobacter sp. HL-111 and showed that the additional glutamic acid results in almost complete loss of pH sensitivity for sodium-pumping activity, which is in contrast to previously studied NaRs. ErNaR is capable of transporting sodium efficiently even at acidic pH levels. X-ray crystallography and single particle cryo-electron microscopy reveal that the additional glutamic acid residue mediates the connection between the other two Schiff base counterions and strongly interacts with the aspartic acid of the characteristic NDQ motif. Hence, it reduces its pKa. Our findings shed light on a new subgroup of NaRs and might serve as a basis for their rational optimization for optogenetics.
Molekulare Werkzeuge können in der Wissenschaft unter anderem dazu verwendet werden, biochemische Prozesse gezielt zu untersuchen, um sie somit besser zu verstehen. Dabei handelt es sich zum Beispiel, um kleine chemische Moleküle, die gezielt für ihr Anwendungsgebiet konzipiert worden sind. Mit Ihnen lassen sich z.B. Interaktionen zwischen (Makro-)Molekülen regulieren, chemische Gleichgewichte lokal verändern oder auch Botenstoffe zielgerichtet freisetzen. Die Effekte dieser temporären Einwirkung auf verschiedenste biologische Systeme können hilfreiche Erkenntnisse struktureller, funktioneller oder systematischer Art für die entsprechenden Forschungsgebiete liefern.
Um die interdisziplinären Problemstellungen zielgerichtet mit den entsprechend zugeschnittenen Werkzeugen zu adressieren, ist es dabei jedoch absolut notwendig, dass ein umfassendes und über die Grenzen der jeweiligen Fachgebiete hinaus gehendes Verständnis der jeweiligen Fragestellungen entwickelt wird.
Viele der bisher bekannten Werkzeuge benötigen für ihren Einsatz bis heute noch relativ harsche Reaktionsbedingungen, haben ein eingeschränktes Anwendungsfeld oder lassen sich nicht ausreichend Zeit- & Ortsaufgelöst „aktivieren“. Die Möglichkeit Licht als externes Trigger-Signal zu verwenden, um die entsprechenden molekularen Werkzeuge zu aktivieren (oder auch zu deaktivieren), überwindet genau diese Defizite und bringt neben der hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung noch viele weitere Vorteile mit sich. Im Rahmen meiner Doktorarbeit ist es mir gelungen gemeinsam mit meinen Kooperationspartnern neue lichtaktivierbare molekulare Werkzeuge von Grund auf zu designen, zu synthetisieren, sie auf ihre photochemischen Eigenschaften zu untersuchen und sie anzuwenden. Durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit mit Doktoranden aus der Organischen, Theoretischen und Physikalischen Chemie, konnte ein umfassendes Bild dieser neuen Substanzklassen aufgezeigt werden. Die verschiedenen Arten lichtaktivierbarer Werkzeuge sollen im Verlauf dieser Arbeit genauer herausgearbeitet werden. Generell kann man in drei grundlegenden Klassen von lichtaktivierbaren Werkzeugen unterscheiden: 1. irreversibel photolabile Schutzgruppen, 2. photoaktivierbare Label und 3. reversibel lichtschaltbare Photoschalter.
Auf dem Gebiet der photolabilen Schutzgruppen, auch photoaktivierbare Schutzgruppen oder Photocages genannt, ist es uns gelungen eine neue Spezies von Molekülen zu identifizieren, die dazu in der Lage sind, nach photochemischer Anregung eine spezifische Bindung innerhalb ihres molekularen Gerüsts zu spalten. Möglich gemacht wurde dies, indem wir den sog. „uncaging Prozess ganz neu gedacht“ haben und mit der Unterstützung von Theorie und Spektroskopie unsere Ergebnisse in einer Struktur-Aktivitäts-Beziehungs-Studie (SAR) festhalten konnten. Aus einer Substanzbibliothek von diversen theoretisch berechneten Kandidaten, wurden die vielversprechendsten Verbindungen anschließend synthetisiert und photochemisch charakterisiert. Nach initialen Untersuchungen und den daraus hervorgehenden Erkenntnissen, wurden weitere molekulare Struktur auf die Optimierungen der photochemischen Eigenschaften hin theoretisch berechnet und anschließend im Labor realisiert. Daraus resultierend entwickelten wir einen Photocage, der mit einer hohen Quantenausbeute mit Licht von über 450 nm photolysierbar ist und ebenfalls dazu in der Lage ist Neurotransmitter wie z.B. Glutamat zielgerichtet und lichtaktiviert freizusetzen. Eine weitere Struktur-Aktivitäts-Beziehungs-Studie wurde im Rahmen dieser Arbeit mit dem Isatin-Gerüst als potentiell neue photolabile Schutzgruppe durchgeführt.
Ebenfalls konnten in einer dritten Studie auf dem Gebiet der photolabilen Schutzgruppen Untersuchungen am Coumarin-Grundgerüst zeigen, dass eine systematische Einschränkung der Relaxationspfade im Molekül eine Verbesserung der photochemischen Eigenschaften mit sich bringen kann.
Photoaktivierbare Label werden in den verschiedensten Bereichen der Wissenschaft angewendet. Meist erlauben jedoch die chemischen Moleküle nur eine begrenzte „Beobachtungszeit“ der biochemischen Prozesse aufgrund der effizienten und damit schnellen Relaxationspfade zurück in den Grundzustand. Zu Beginn der durchgeführten Untersuchungen, bestand unsere Idee darin, die selektive Prä-IR-Anregung mit Hilfe eines UV/vis-Pulses (entsprechend der VIPER-Spektrokopie) in ein langlebiges Triplett-Signal eines geeigneten Chromophors zu überführen, welches anschließend für die Beobachtung vergleichsweise lang-lebiger biochemischer Prozesse verwendet werden könnte. Aus dieser Idee heraus entwickelten wir einen Chromophor, der neben einer Absorption im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums, zusätzlich eine IR-adressierbare funktionelle Gruppe, sowie die Eigenschaft, ein effizientes Inter-System-Crossing (ISC) nach photochemischer Anregung durchzuführen, besaß. Zu unserem Erstaunen zeigte dieses Derivat jedoch nach erfolgreicher Synthese nicht das erwartete Verhalten. Ein weiteres Beispiel für die hochgradige Komplexität der Photochemie.
Mit Hilfe von theoretischen und spektroskopischen Methoden konnten dennoch viele hilfreiche Erkenntnisse aus dieser Studie für zukünftige Untersuchungen aufgedeckt werden.
Ebenso war es während meiner Promotion eines der Ziele, den Schaltprozess des sog. Fulgid-Photoschalters genauer zu untersuchen und somit besser zu verstehen. Hierbei handelt es sich um ein ausgesprochen beständiges, photochemisch reversibel schaltbares Molekül, auch wenn dies vielleicht auf den ersten Blick ein Widerspruch in sich zu sein scheint. Es gelang uns diesen Photoschalter, genauer gesagt seine Photo-Isomere, auf dem Gebiet der chemischen Aktinometrie zu etablieren.
Dafür waren zahlreiche Messungen diverser Reaktivitäten (photochemische Reaktions-Quantenausbeuten) in verschiedenste Wellenlängenbereiche vom Nah-UV-Bereich bis hin zur 700 nm Grenze erforderlich. Außerdem wurden alle Werte mit der Referenzmessung einer Photodiode bzw. je nach Wellenlängenbereich auch mit der klassischen Ferri-Oxalat-Aktinometrie verglichen. Im Anschluss daran fokussierte ich mich weiter auf die einzelnen Photo-Isomere und ihre einzigartige chemische Struktur. Mit Hilfe der chiralen HPLC gelang es uns die einzelnen Photo-Isomere voneinander zu isolieren und diese mit verschiedensten photochemischen und theoretischen Methoden „genauer unter die Lupe“ zu nehmen. Die aus dieser Studie gewonnenen Erkenntnisse bereiten den Weg für diverse, zukünftige spektroskopische Anwendungen dieses Photoschalters.
Lantibiotics are peptide-derived antibiotics that inhibit the growth of Gram-positive bacteria via interactions with lipid II and lipid II-dependent pore formation in the bacterial membrane. Due to their general mode of action the Gram-positive producer strains need to express immunity proteins (LanI proteins) for protection against their own lantibiotics. Little is known about the immunity mechanism protecting the producer strain against its own lantibiotic on the molecular level. So far, no structures have been reported for any LanI protein. We solved the structure of SpaI, a LanI protein from the subtilin producing strain Bacillus subtilis ATCC 6633. SpaI is a 16.8-kDa lipoprotein that is attached to the outside of the cytoplasmic membrane via a covalent diacylglycerol anchor. SpaI together with the ABC transporter SpaFEG protects the B. subtilis membrane from subtilin insertion. The solution-NMR structure of a 15-kDa biologically active C-terminal fragment reveals a novel fold. We also demonstrate that the first 20 N-terminal amino acids not present in this C-terminal fragment are unstructured in solution and are required for interactions with lipid membranes. Additionally, growth tests reveal that these 20 N-terminal residues are important for the immunity mediated by SpaI but most likely are not part of a possible subtilin binding site. Our findings are the first step on the way of understanding the immunity mechanism of B. subtilis in particular and of other lantibiotic producing strains in general.
Epoxyeicosatrienoic acids (EETs) are signaling lipids produced by the cytochrome P450-(CYP450)-mediated epoxygenation of arachidonic acid. EETs have numerous biological effects on the vascular system, but aspects including their species specificity make their effects on vascular tone controversial. CYP450 enzymes require the 450-reductase (POR) for their activity. We set out to determine the contribution of endothelial CYP450 to murine vascular function using isolated aortic ring preparations from tamoxifen-inducible endothelial cell-specific POR knockout mice (ecPOR−/−). Constrictor responses to phenylephrine were similar between control (CTR) and ecPOR−/− mice. Contrastingly, sensitivity to the thromboxane receptor agonist U46619 and prostaglandin E2 (PGE2) was increased following the deletion of POR. Ex vivo incubation with a non-hydrolyzable EET (14,15-EE-8(Z)-E, EEZE) reversed the increased sensitivity to U46619 to the levels of CTR. EETs had no effect on vascular tone in phenylephrine-preconstricted vessels, but dilated vessels contracted with U46619 or PGE2. As U46619 acts through RhoA-dependent kinase, this system was analyzed. The deletion of POR affected the expression of genes in this pathway and the inhibition of Rho-GTPase with SAR407899 decreased sensitivity to U46619. These data suggest that EET and prostanoid crosstalk at the receptor level and that lack of EET production sensitizes vessels to vasoconstriction via the induction of the Rho kinase system.
Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is a powerful and popular technique for probing the molecular structures, dynamics and chemical properties. However the conventional NMR spectroscopy is bottlenecked by its low sensitivity. Dynamic nuclear polarization (DNP) boosts NMR sensitivity by orders of magnitude and resolves this limitation. In liquid-state this revolutionizing technique has been restricted to a few specific non-biological model molecules in organic solvents. Here we show that the carbon polarization in small biological molecules, including carbohydrates and amino acids, can be enhanced sizably by in situ Overhauser DNP (ODNP) in water at room temperature and at high magnetic field. An observed connection between ODNP 13C enhancement factor and paramagnetic 13C NMR shift has led to the exploration of biologically relevant heterocyclic compound indole. The QM/MM MD simulation underscores the dynamics of intermolecular hydrogen bonds as the driving force for the scalar ODNP in a long-living radical-substrate complex. Our work reconciles results obtained by DNP spectroscopy, paramagnetic NMR and computational chemistry and provides new mechanistic insights into the high-field scalar ODNP.
Coronavirus disease 2019 (COVID-19) is a global pandemic posing significant health risks. The diagnostic test sensitivity of COVID-19 is limited due to irregularities in specimen handling. We propose a deep learning framework that identifies COVID-19 from medical images as an auxiliary testing method to improve diagnostic sensitivity. We use pseudo-coloring methods and a platform for annotating X-ray and computed tomography images to train the convolutional neural network, which achieves a performance similar to that of experts and provides high scores for multiple statistical indices (F1 scores > 96.72% (0.9307, 0.9890) and specificity >99.33% (0.9792, 1.0000)). Heatmaps are used to visualize the salient features extracted by the neural network. The neural network-based regression provides strong correlations between the lesion areas in the images and five clinical indicators, resulting in high accuracy of the classification framework. The proposed method represents a potential computer-aided diagnosis method for COVID-19 in clinical practice.
Single-particle tracking enables the analysis of the dynamics of biomolecules in living cells with nanometer spatial and millisecond temporal resolution. This technique reports on the mobility of membrane proteins and is sensitive to the molecular state of a biomolecule and to interactions with other biomolecules. Trajectories describe the mobility of single particles over time and provide information such as the diffusion coefficient and diffusion state. Changes in particle dynamics within single trajectories lead to segmentation, which allows to extract information on transitions of functional states of a biomolecule. Here, mean-squared displacement analysis is developed to classify trajectory segments into immobile, confined diffusing, and freely diffusing states, and to extract the occurrence of transitions between these modes. We applied this analysis to single-particle tracking data of the membrane receptor MET in live cells and analyzed state transitions in single trajectories of the un-activated receptor and the receptor bound to the ligand internalin B. We found that internalin B-bound MET shows an enhancement of transitions from freely and confined diffusing states into the immobile state as compared to un-activated MET. Confined diffusion acts as an intermediate state between immobile and free, as this state is most likely to change the diffusion state in the following segment. This analysis can be readily applied to single-particle tracking data of other membrane receptors and intracellular proteins under various conditions and contribute to the understanding of molecular states and signaling pathways.
The core of photosystem I (PS1) is composed of the two related integral membrane polypeptides, PsaA and PsaB, which bind two symmetrical branches of cofactors, each consisting of two chlorophylls and a phylloquinone, that potentially link the primary electron donor and the tertiary acceptor. In an effort to identify amino acid residues near the phylloquinone binding sites, all tryptophans and histidines that are conserved between PsaA and PsaB in the region of the 10th and 11th transmembrane alpha-helices were mutated in Chlamydomonas reinhardtii. The mutant PS1 reaction centers appear to assemble normally and possess photochemical activity. An electron paramagnetic resonance (EPR) signal attributed to the phylloquinone anion radical (A(1)(-)) can be observed either transiently or after illumination of reaction centers with pre-reduced iron-sulfur clusters. Mutation of PsaA-Trp(693) to Phe resulted in an inability to photo-accumulate A(1)(-), whereas mutation of the analogous tryptophan in PsaB (PsaB-Trp(673)) did not produce this effect. The PsaA-W693F mutation also produced spectral changes in the time-resolved EPR spectrum of the P(700)(+) A(1)(-) radical pair, whereas the analogous mutation in PsaB had no observable effect. These observations indicate that the A(1)(-) phylloquinone radical observed by EPR occupies the phylloquinone-binding site containing PsaA-Trp(693). However, mutation of either tryptophan accelerated charge recombination from the terminal Fe-S clusters.
Isothermal titration calorimetry (ITC) is a widely used technique for the characterization of protein-protein and protein-ligand interactions. It provides information on the stoichiometry, affinity, and the thermodynamic driving forces of interactions. This chapter exemplifies the use of ITC to investigate interactions between human autophagy modifiers (LC3/GABARAP proteins) and their interaction partners, the LIR motif containing sequences. The purpose of this report is to present a detailed protocol for the production of LC3/GABARAP-interacting LIR peptides using E. coli expression systems. In addition, we outline the design of ITC experiments using the LC3/GABARAP:peptide interactions as an example. Comprehensive troubleshooting notes are provided to facilitate the adaptation of these protocols to different ligand-receptor systems. The methodology outlined for studying protein-ligand interactions will help to avoid common errors and misinterpretations of experimental results.