540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
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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.
Although iron-based catalysts are regarded as a promising alternative to precious metal catalysts, their precise electronic structures during catalysis still pose challenges for computational descriptions. A particularly urgent question is the influence of the environment on the electronic structure, and how to describe this properly with computational methods. Here, we study an iron porphyrin chloride complex adsorbed on a graphene sheet using density functional theory calculations to detail how much the electronic structure is influenced by the presence of a graphene layer. Our results indicate that weak interactions due to van der Waals forces dominate between the porphyrin complex and graphene, and only a small amount of charge is transferred between the two entities. Furthermore, the interplay of the ligand field environment, strong p − d hybridization, and correlation effects within the complex are strongly involved in determining the spin state of the iron ion. By bridging molecular chemistry and solid state physics, this study provides first steps towards a joint analysis of the properties of iron-based catalysts from first principles.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die schnelle Energietransfer- (EET) und Elektronentransfer (ET)-Dynamik unterschiedlichster Quantenpunkte (QD) spektroskopisch untersucht. Die untersuchten Systeme bestanden in den meisten Fällen aus Donor-Akzeptor-Paaren, bei denen die Halbleiternanokristalle als Donor fungierten. Der Fokus lag dabei auf der gezielten Anpassung des Donors, um die optimale Funktionalität zu erreichen. Die Untersuchung der Nanokristalle erstreckte sich daher von einfachen Kernen über verschiedene Kern-Schale-Partikel bis hin zu völlig anderen Strukturen wie Nanoplatelets (NPL). Als Akzeptor wurden eine Vielzahl von Molekülen verwendet, die sich als Elektronen- und/oder Energieakzeptoren für die verschiedenen QDs eignen.
Large international airports were identified as sources of ultrafine particles (UFPs) (Hu et al., 2009; Yu et al., 2012; Hsu et al., 2013; Keuken et al., 2015; Hudda and Fruin, 2016). Since September 2017 UFP emissions originating from the Frankfurt International Airport, Germany are monitored by the Hessian Agency for Nature Conservation, Environment and Geology (HLNUG) showing elevated UFP concentrations during airport operating hours (05:00–23:00 CET) (Ditas et al., 2022). Referring to that, the organic chemical composition of aviation-related UFPs emerging from the Frankfurt Airport was analysed by performing a comprehensive non-target screening of UFP filter samples.
Aluminium-filter samples were collected at an air quality monitoring station 4 km north of the Frankfurt Airport, using a 13-stage impactor system (Nano-MOUDI). The chemical
characterization of UFPs in the size range of 10-18 nm, 18-32 nm and 32-56 nm was accomplished by ultra-high-performance liquid chromatography, heated electrospray ionisation and mass analysis using an Orbitrap high-resolution mass spectrometer. Non-target screening revealed that the majority of detected compounds belong to homologous series of two different types of organic esters, which are base stocks of aircraft lubrication oils.
In reference to five different jet engine lubrication oils of various manufacturers, the corresponding lubricant base stocks and their additives, two amines and one organophosphate, were identified in the UFPs by the use of matching retention time, exact mass and MS/MS fragmentation pattern of single organic molecules. The quantitative analysis of the jet engine oil constituents in the aviation-related UFPs with diameters < 56 nm was accomplished by standard addition. By characterizing the Nano-MOUDI, loss factors for each size stage were determined and used for correction accordingly. Particle-number size distribution measurements, conducted parallel to the filter sampling, enabled the determination of the jet engine oil contribution to the UFP mass.
Furthermore, the nucleation and particle formation potential of a commonly used synthetic jet engine lubrication oil was investigated in the laboratory. Thermodenuder experiments at 20 °C and 300 °C were carried out to monitor the gas-to-particle partitioning behaviour of jet engine oils. At 300 °C a significantly higher number of particles with a mean diameter of ~10 nm are formed, leading to a more than fivefold increase in total particle numbers compared to 20 °C. Particle diameters of the newly formed oil particles in the laboratory experiment appeared in the same size region as UFPs emerging from Frankfurt Airport. Particles originating from the Frankfurt city centre direction showed larger diameters.
Results indicate that aircraft emissions strongly influence the total mass of 10-18 nm particles. The jet oil fraction decreases for bigger particles (e.g., 18-56 nm), implying that these oils form new particles in the cooling exhaust gases of aircraft engines. In addition, non-target screening and in vitro bioassays on aviation-related PM2.5 filter samples were combined to provide indications for potential toxicologically relevant compounds in dependence of different wind directions and airport operations. Most recently, the applied non-target screening method was also used to identify seasonal variations in the organic aerosol composition in Beijing.
Herein, the high-pressure/high-temperature synthesis (11 GPa, 650 °C) of Tb3B10O17(OH)5 in a modified Walker-type multianvil device is presented. The structure of this rare-earth borate was determined by single-crystal X-ray diffraction methods and was found to crystallize orthorhombically in the space group Pmn21 (no. 31) with the unit cell parameters a = 16.2527(4), b = 4.4373(1), and c = 8.8174(2) Å. The new compound was further characterized using infrared spectroscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy, second harmonic generation (SHG) measurements, and temperature-dependent X-ray powder diffraction. Tb3B10O17(OH)5 decomposes to β-Tb(BO2)3 at temperatures higher than 460 °C. With increasing temperatures, the formation of μ-TbBO3 was observed, which transforms to π-TbBO3 upon cooling.
The title compound, di-μ3-chlorido-tetra-μ2-chlorido-tetrakis(diethyl ether-κO)bis(1,1-dimethylethyl)tetramagnesium, [Mg4(C4H9)2Cl6(C4H10O)4], features an Mg4Cl6 open-cube cluster. The two four-coordinate Mg2+ ions show an almost tetrahedral coordination, whereas the two six-coordinate Mg2+ ions have their ligands in an octahedral environment. The Mg—Cl bond lengths differ depending on the coordination number (2 or 3) of the bridging μ-Cl− ligands. There are few comparable structures deposited in the Cambridge Structural Database.
Ziel dieser Arbeit ist die Identifikation des Einflusses klassischer Labormaterialien und alternativer Experimentiermaterialien auf fachdidaktische Anforderungen an ein gelungenes Experiment im Chemieunterricht. Dabei umfassen alternative Experimentiermaterialien sowohl Materialien aus der alltäglichen Lebenswelt von Schülerinnen und Schülern als auch Materialien aus dem Bereich der Medizintechnik, die anstelle von Materialien des gängigen Laborbetriebs im Chemieunterricht eingesetzt werden. Um den Einfluss des Experimentiermaterials auf entsprechende Anforderungen untersuchen zu können, wurden im Rahmen eines Mixed-Method-Designs zwei aufeinander aufbauende Studien durchgeführt. Bei Studie I handelt es sich um eine qualitative Interviewstudie unter N = 13 Chemielehrkräften, mit denen vor dem theoretischen Hintergrund fachdidaktischer Anforderungen an ein gelungenes Schulexperiment problemorientierte, leit-fadengestützte Interviews zu Vor- und Nachteilen beim Einsatz alternativer Experimentiermaterialien und klassischer Labormaterialien im Chemieunterricht geführt wurden. Anhand des gewonnenen Interviewmaterials wurden anschließend zunächst Eigenschaften identifiziert, in denen sich beide Materialpools voneinander unterscheiden, um davon ausgehend ein Kategoriensystem aufstellen zu können, das in Form einer Matrix den Einfluss dieser Materialeigenschaften auf organisatorische, experimentelle und affektive Anforderungen an ein Schulexperiment im Chemieunterricht darstellt. Dabei konnte in Bezug auf organisatorische Anforderungen insbesondere ein Einfluss des Experimentiermaterials auf zeitliche und finanzielle Rahmenbedingungen sowie auf Anforderungen zur Sicherheit beim Experimentieren im Chemieunterricht festgestellt werden. Ergebnisse zum Einfluss des Experimentiermaterials auf affektive und experimentelle Anforderungen an ein Schulexperiment wurden wiederum genutzt, um anschließend Hypothesen zum Einfluss des Experimentiermaterials auf entsprechende Anforderungen an gelungene Experimente im Chemieunterricht zu generieren, dabei an gelungene Schülerexperimente im Speziellen. Diese Hypothesen wurden in einer zweiten Studie quantitativ getestet. Innerhalb eines experimentellen Untersuchungsdesigns führten dazu insgesamt N = 293 Schülerinnen und Schüler eines von insgesamt fünf betrachteten Schülerexperimenten mit jeweils klassischem Labormaterial oder in einer jeweiligen Variante aus alternativem Experimentiermaterial durch. Im Anschluss beurteilten N = 237 Schülerinnen und Schüler im Rahmen einer Fragebogenerhebung ihre subjektive Wahrnehmung der Experimentiersituation bezüglich der Variablen Grad der Herausforderung, Beobachtbarkeit, Autonomieerleben, Anspannung/ Druck, Kompetenzerleben und Interesse/ Vergnügen. Mit Ausnahme des Kompetenzerlebens und der Beobachtbarkeit konnte zu allen betrachteten Variablen ein signifikanter Einfluss des Experimentiermaterials festgestellt werden. Um diese Ergebnisse der Hypothesentests näher beschreiben und differenzierter erläutern zu können, beantworteten die 237 Schülerinnen und Schüler zusätzlich offene Fragen zu den von ihnen verwendeten Experimentiermaterialien; mit N = 56 weiteren Schülerinnen und Schülern wurden aus diesem Grund außerdem leitfadengestützte Gruppeninterviews geführt. Um folglich auch aus Schülerperspektive möglichst allgemeingültige Einflüsse beider Materialpools auf fachdidaktische Anforderungen an ein gelungenes Schulexperiment zusammenfassen zu können, werden die Ergebnisse dieser qualitativen Datenerhebung ebenfalls in Form einer entsprechenden Matrix dargestellt und dabei von den konkret durchgeführten Experimenten abstrahiert. Neben dem bereits genannten Einfluss des Experimentiermaterials auf den von Schülerinnen und Schülern wahrgenommenen Grad der Herausforderung, das wahrgenommene Autonomieerleben, die/ den wahrgenommene/n Anspannung/ Druck beim Experimentieren sowie das wahrgenommene Interesse/ Vergnügen an der Experimentiersituation konnte dadurch insbesondere ein Materialeinfluss auf die Durchschaubarkeit eines Versuchsaufbaus und deren einzelner Bestandteile sowie auf die wahrgenommene Authentizität einer Experimentiersituation identifiziert werden. Dadurch zeigt die Gesamtuntersuchung auf theoretischer Ebene die Bedeutsamkeit des konkreten Experimentiermaterials als Qualitätsmerkmal des Chemieunterrichts und gibt Lehrkräften auf unterrichtspraktischer Ebene einen Überblick zu Potentialen und Grenzen alternativer Experimentiermaterialien im Vergleich zu etabliertem klassischem Labormaterial.
Mechanistic characterization of photoisomerization reactions in organic molecules and photoreceptors
(2023)
In dieser Arbeit wurden verschiedene Einflüsse auf die Dynamik von Photoisomerisierungen in Phytochromen und indigoiden Photoschaltern untersucht. Beide Forschungsgebiete teilen wesentliche Aspekte wie die Kontrolle durch sterische Wechselwirkungen und den starken Einfluss der Polarität oder der ionischen Umgebung.
Auf dem Gebiet der Phytochrome wurde die relative Positionierung der knotenlosen Phytochrome innerhalb der Superfamilie der Phytochrome in Bezug auf ihre Photodynamik und den Effekt von Grundzustandsheterogenität herausgearbeitet. Es wurde anhand von ultraschnellen, zeitaufgelösten Anrege-Abtast-Experimenten der einzelnen GAF-Domäne All2699g1 im Vergleich mit dem vollständigen knotenlosen Phytochrom All2699g1g2 und dem strukturell ähnlichen knotenlosen Phytochrom SynCph2 gezeigt, dass knotenlose Phytochrome in ihrer Vorwärtsdynamik eine komplexe mehrphasige Kinetik mit einem langlebigen angeregten Zustand (~100 ps) aufweisen. Die beobachtete mehrphasige Kinetik konnte einer initialen Chromophordynamik sowie einer nicht exponentiellen Reorganisation der chromophor-umgebenden Proteinmatrix zugeordnet werden. Dies steht im starken Kontrast zur im Gebiet der Phytochrome etablierten Beschreibung derartiger mehrphasiger Kinetiken mittels heterogener Grundzustände. Stattdessen wurde ein konserviertes kinetisches Muster identifiziert, welches die mehrphasige Dynamik beschreibt und in allen in dieser Arbeit untersuchten Phytochrome beobachtet wurde. Zudem konnte dieses Muster in einem Phytochrom der Gruppe I und einem Phytochrom der Gruppe III, die einen ähnlichen Pr Dunkelzustand aufweisen, gezeigt werden, was eine breite Anwendbarkeit des damit verbundenen Mechanismus vermuten lässt. Weiterhin konnte die zentrale Rolle eines konservierten Tyrosins in der Photoisomerisierung anhand von Mutationsstudien in All2699g1 herausgearbeitet werden. Diese konservierte Aminosäure muss im Rahmen der Reorganisation der Proteinmatrix vom Chromophor weggezogen werden, damit die sterische Blockade abgebaut werden kann, die die Isomerisierung des Chromophors zunächst verhindert. Da diese Bewegung von diversen Faktoren in der den Chromophor umgebenden Proteinmatrix abhängt, weist sie eine nicht exponentielle Kinetik auf, die je nach Phytochrom, der spezifischen Flexibilität und dem vorhandenen Raum in der Bindetasche unterschiedliche Lebenszeiten aufweist.
Die Rückreaktion knotenloser Phytochrome konnte ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit charakterisiert werden, welche im Pikosekundenbereich abläuft, und damit signifikant schneller ist als die Vorwärtsreaktion. Im Gegensatz zur Vorwärtsreaktion nimmt Grundzustandsheterogenität in der Rückreaktion eine weitaus bedeutendere Rolle ein. Hier weisen die in All2699g1 vorhandenen heterogenen Grundzustandspopulationen jeweils eine eigene Kinetik ihres angeregten Zustands auf, während die homogenen Grundzustände von All2699g1g2 und SynCph2 jeweils nur einen Zerfall des angeregten Zustands zeigen. Der Ursprung dieser Heterogenität konnte im Wasserstoffbrückennetzwerk des Chromophors lokalisiert und mit dem konservierten Tyrosin und einem konservierten Serin in der PHY-Domäne verknüpft werden. Die Anwesenheit der PHY-Domäne sorgt demnach für eine Verringerung der Grundzustandsheterogenität und des vorhandenen Raums in der Bindetasche, wodurch die Effizienz der Photoreaktion optimiert wird.
Zuletzt konnte die Millisekundendynamik knotenloser Phytochrome und der Einfluss der PHY-Domäne auf diese aufgeklärt werden. Die PHY-Domäne sorgt hierbei durch den verringerten Raum in der Bindetasche dafür, dass die zunächst stattfindende thermische Relaxation des Chromophors signifikant verlangsamt wird, während spätere Änderungen im Photozyklus nur wenig beeinflusst werden.
Auf dem Gebiet der indigoiden Photoschalter konnte, anhand eines sterisch überladenen Hemithioindigo Photoschalters, der Photoisomerisierungsmechanismus des Hula-Twists beobachtet und eine starke Lösungsmittelabhängigkeit der entsprechenden Kinetik aufgezeigt werden. Aus den durchgeführten zeitaufgelösten Anrege-Abtast-Experimenten in verschiedenen Lösungsmitteln konnte ein Modell für die Photodynamik des verwendeten Hemithioindigo Photoschalters entwickelt werden. In unpolaren Lösungsmitteln muss eine hohe Barriere zur produktiven konischen Durchschneidung überwunden werden, was zu Lebenszeiten des angeregten Zustands im Nanosekundenbereich führt. Der Weg zur produktiven konischen Durchschneidung folgt dabei dem Hula-Twist Mechanismus. Dieser Pfad ist in polaren Lösungsmitteln unerreichbar, weshalb eine schnelle Relaxation über eine unproduktive konische Durchschneidung stattfindet.
Im zweiten Projekt auf dem Gebiet der indigoiden Photoschalter wurde anhand der neuartigen Klasse der Iminothioindoxyl Photoschalter ein Schwingungsenergiedonor für Schwingungsenergietransferstudien entwickelt. Das daraus entwickelte Modellsystem, bestehend aus einer künstlichen Aminosäure auf Basis des Iminothioindoxyl Photoschalters und einem daran gekoppelten Schwingungsenergiesensor, wurde charakterisiert und die primäre Photoreaktion untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der angeregte Zustand des Modellsystems kurzlebig ist und unter Abgabe von großen Mengen an Schwingungsenergie zerfällt, unabhängig von der Anregungswellenlänge und dem verwendeten Lösungsmittel. Somit zeigt das entwickelte System vorteilhafte Eigenschaften für Schwingungsenergietransferstudien.
Insgesamt konnten somit die Mechanismen der Photoisomerisierungsreaktionen in knotenlosen Phytochromen und indigoiden Photoschaltern aufgeklärt und daraus die Relevanz der Umgebung für derartige Reaktionen herausgearbeitet werden.
This cumulative dissertation examines learning in chemistry laboratories, focusing on the challenges and benefits of problem-based learning (PBL) for novices in the lab. It addresses the lack of consistent understanding about what should be learned in labs and why it's important. The research aims to understand what students learn, how they learn, and how lab learning can be improved.
A central concept in PBL labs is Information Literacy, defined as a sociocultural practice enabling learners to identify and use information sources within a specific context as legitimized by the practice community.
The first publication, Wellhöfer and Lühken (2022a), investigates the relationship between PBL and learner motivation. It identifies factors that can foster students' intrinsic motivation in a PBL lab. Autonomy is found to be a key factor, increasing student motivation and presenting a model of the autonomous scientific process. This model involves four steps: information acquisition, designing and applying experimental procedures, experimental feedback, and autonomous process optimization. The results suggest that intrinsic motivation in PBL labs can be enhanced by enabling students to independently execute these steps.
The second publication, Wellhöfer and Lühken (2022b), examines the information process students undergo during their first PBL lab. Using a sociocultural framework, it explores Information Literacy to understand students' handling of information and their perceptions of the information process. The findings reveal that in PBL labs, developing a practical, applicable experimental procedure is crucial for problem-solving and significantly shapes the information-acquisition process. This process is iterative, influenced by new information, leading to more precise information needs. Students assess information quality based on its usefulness for their problem, implementability (considering cognitive understanding, available equipment, and psychomotor skills), and safety.
Furthermore, the role of privileged knowledge forms in evaluating the quality of text sources is explored. Students viewed non-scientific sources as "poor" and scientific sources as "good," yet used both for information gathering. There were discrepancies between their assessment of source quality and actual use, indicating that perception of source quality doesn't always affect their practical decisions.
The third publication, Wellhöfer, Machleid, and Lühken (2023), investigates students' information practices in the lab, focusing on discourse between novice learners and experienced assistants. It shows that theoretical knowledge isn't sufficient for independent practical action, and students need actionable social information from experienced community members. The results highlight that information literacy in the lab for newcomers to a community of practice has distinctive features, and physical experience and tacit knowledge are crucial for learning the methods and group-specific knowledge of the practice community. The article demonstrates how learning information literacy in a practice community requires a social and physical experience and provides insights on how educators can support this process.
Cytochrome P450 enzymes are a large superfamily of membrane-bound heme-containing monooxygenases. They are essential for the oxidative metabolism of endogenous substrates such as steroids and fatty acids, and biotransformation of xenobiotic substrates such as pollutants and drugs. Although the highest expression of CYPs is found in the liver, their cardiovascular expression is not negligible with CYP450 subfamilies being responsible for the production of vasoactive lipids. Of importance, the enzymatic activity of all microsomal CYP450 isoenzymes is dependent on the cytochrome P450 reductase (POR), an electron donor.
In the first part of this work, the role of cytochrome P450 monooxygenases on the biotransformation of organic nitrates was investigated. Recombinant SupersomesTM were selected and incubated with NTG and PETN, where nitrite release was measured as a nitric oxide (NO) footprint. The capacity of the recombinant POR/CYP450 system to release nitrite from NO prodrugs was shown to be CYP-specific and dose-dependent. To study the involvement of CYP450 enzymes in the vascular biotransformation of organic nitrates in vivo, a smooth muscle-cell specific, inducible knockout model of POR (smcPOR-/-) was generated. Organ chamber experiments revealed that the vascular POR/CYP450 system had no impact on the dilator response of NTG and PETN. In line with previous publications, inhibition of ALDH2, known as the main enzyme responsible for the activation of NTG and PETN, and/or abolishment of the endogenous NO production did not reveal a contribution of the POR/CYP450 system to the dilator response of NTG and PETN. To better understand these results, we looked at the expression of the hepatic and vascular expression of the POR/CYP450 system where the hepatic was increased by 10- to 40-fold as shown by Western blot analysis. We concluded that due to insufficient vascular expression of CYP450 enzymes their contribution to the bioactivation of NTG and PETN is only minor.
The second part of this work focused on the cardiac relevance of endothelial isoenzymes. For that purpose, an endothelial cell-specific, tamoxifen-inducible knockout model of POR was generated and characterized in the present study. RNA-sequencing of the heart of healthy mice revealed that the CYP450 expression is cell-specific with cardiac endothelial cells (ECs) exhibiting an enrichment in the expression of the Cyp4 family (ω-oxidation of fatty acids) and of the Cyp2 family (production of EETs). Under non-stredded conditions (i.e. 30 days after inducing the knockout by tamoxifen feeding), endothelial deletion of POR was associated with cardiac remodelling as observed by an increase in the ratio of heart weight to body weight and an increase in the cardiomyocyte area. RNA-sequencing of cardiac ECs suggested that loss of POR might alter ribosomal biogenesis and protein synthesis, which could potentially affect the cardiac contractility in ecPOR-/- mice. Metabolomics from cardiac tissue of CTL and ecPOR-/- mice were not indicative for an important metabolic function of the endothelial POR/CYP450 system in the heart. The combination of transverse aortic constriction (TAC) with endothelial deletion of POR accelerates the development of heart failure in mice as detected by a reduction in cardiac output and stroke volume. These effects were mediated most likely by a reduction in vascular EETs production, which increases vascular stiffness, resulting in cardiac remodeling.
High-pressure/high-temperature synthesis of the new boron-rich terbium hydroxyborate Tb3B12O19(OH)7
(2023)
Monoclinic Tb3B12O19(OH)7 was obtained by multianvil high-pressure/high-temperature syntheses at 6 GPa and 650 °C. The crystal structure was investigated by single-crystal X-ray diffraction methods and space group C2 (no. 5) with the unit cell parameters a = 24.2299(5) Å, b = 4.4667(1) Å, c = 7.0964(2) Å, β = 94.58(1)°, and two formula units per cell were revealed. Powder X-ray diffraction, infrared spectroscopy and the investigation of its second harmonic generation properties support the proposed structural model.
Einfache elektrochemische Methode zur Bestimmung von Chlorit in wässrigen und nicht-wässrigen Systemen Stoffe bzw. Verbindungen, welche nachweislich krebserregend oder fruchtbarkeitsschädigend sind, werden seit Jahren, insbesondere durch die WHO, streng reguliert. Zu diesen Stoffen zählt u. a. Chlorit, welches als Abbauprodukt in Desinfektionsmitteln, Poolwassern und im Rahmen von organischen Oxidationsprozessen vorkommt. Im Rahmen des Projektes sollte eine elektrochemische Methode zu Detektion von Chlorit in wässrigen und organischen Proben entwickelt werden, wobei auf eine Glaskohlenstoffelektrode in Kombination mit Li [NTf]2 im Wässrigen und [Bmpyrr][NTf]2/MeOH im Organischen als Elektrolyten zurückgegriffen wurden.
Bei der Methodenentwicklung wurde auf Differentielle-Puls-Voltammetrie zurückgegriffen, da diese im Vergleich zum Cyclovoltammetrie deutlich empfindlicher ist. Die Methodenvalidierung nach ICH-Guidelines konnte erfolgreich durchgeführt werden Dabei konnte im Wässrigen eine Nachweisgrenze von 0.07 mg L-1 (Organisch: 0.20 mg L-1) erhalten werden. Beide lagen deutlich unter den WHO-Grenzwerten von 0.7 mg L-1. Die Selektivität/Interferenz wurde gegenüber den übrigen Chlor-Spezies getestet; für alle Spezies, außer Hypochlorit, konnten für die Wiederfindungsrate von Chlorit Werte nahe 100% erhalten werden. Die entwickelte Methode konnte erfolgreich auf wässrige (Poolproben, Desinfektionsmittel) und organische Proben (aus Pinnick-Synthesen) angewendet werden. Insbesondere durch die Anwendung im Bereich der Pinnick-Oxidation war der Sensor für mögliche In-Line-Analytik geeignet. Bei den organischen Proben konnte zudem die ionische Flüssigkeit zu 92% zurückgewonnen werden, was den Elektrolyten in Hinblick auf Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit noch attraktiver macht.
Entwicklung ionenchromatographischer Methoden zur Detektion von Chloroxo-Spezies
Der Bedarf an schnellen, kostengünstigen Analysemethoden, welche den Vorgaben der einzelnen Behörden weltweit entsprechen, ist in den letzten Jahren enorm gestiegen. Im Rahmen des Projektes sollte eine ionenchromatographische Methode (IC) entwickelt werden, welche neben den Chloroxo-Spezies (Chlorid, Hypochlorit, Chlorit, Chlorat und Perchlorat) auch die bekannten Standardionen (Fluorid, Bromid, Nitrat, Phosphat, Sulfat, Iodid) nachweisbar macht. Zunächst gelang es, die Methodenparameter zu optimieren und so die Chloro-Spezies, außer Hypochlorit, von den übrigen Standardanionen innerhalb von 50 Minuten vollständig zu trennen. Die Methode konnte in der weiteren Entwicklung sogar noch um die Detergenzien-Anionen Acetat, Formiat, Oxalat und Tartrat erweitert werden. (ASupp 7, 45 °C, 0.8 mL min-1, 6 mmol L-1 Na2CO3 / 1 mmol L-1 NaHCO3 + 10% Acetonitril). Auch alle notwendigen Validierungsparameter konnten erfolgreich bestimmt werden. Zuletzt war es möglich, erfolgreich unterschiedliche Realproben zu vermessen.
Da ein Nachweis von Hypochlorit mittels IC nicht möglich war, wurden weitere Anstrengung unternommen, dieses Anion mittels IC-PCR (Nachsäulenderivatisierung) nachzuweisen. Als Detektionsprinzip wurde dabei auf eine Bromat-Nachweis-Methode mittels UV/VIS zurückgegriffen, welche im Rahmen des Projektes angepasst wurde. Da davon ausgegangen werden muss, dass das Hypochlorit mit reaktiven Stellen innerhalb des Säulenmaterials reagiert und somit nicht mehr detektiert werden kann, wurden Passivierungsexperimente an der Vorsäule und Säule für 24 h mit einer Hypochlorit-NaOH-Mischung durchgeführt. Nach 60 Stunden Passivierung konnten erstmals reproduzierbare Ergebnisse bei dem Nachweis von OCl- erhalten werden. Zuletzt konnten erfolgreich fünf unterschiedliche Realproben vermessen und der Hypochlorit-Gehalt mit bisher angewandten Methoden verglichen werden, wobei die erhaltenen Werte in der gleichen Größenordnung lagen.
Entwicklung eines Sensors unter Verwendung der Viologen-Grundstruktur auf metallischen Oberflächen
Früher fanden Viologene und deren Derivate Anwendung im Bereich der Schädlingsbekämpfung und wurden hauptsächlich als Kontaktherbizid verwendet. Mittlerweile hat sich das Anwendungsspektrum der Viologene deutlich verändert, u.a. werden die in organischen Redox-Fluss-Batterien als Elektrolyte eingesetzt. Im Rahmen diesen Projekts wurden mehrere bekannte Viologen-Grundkörper (u. A. Methylviologen (MV)) vollständig elektrochemisch charakterisiert Im Anschluss wurde MV mit unterschiedlichen Ankergruppen (Thiol-, Sulfonat, -Phosphonat-, Carboxylanker) modifiziert und auf metallische Oberfläche (u. A. Gold und Kupfer) abgeschieden mit dem Ziel ein neues Sensor-Motiv für die Analytik zu entwickeln. Der Thiolanker konnte erfolgreich auf Gold, der Carboxylanker erfolgreich auf Kupfer abgeschieden werden. Die anschließenden elektrochemischen Untersuchungen der abgeschiedenen Monolagen ergaben jedoch eine geringe Stabilität der Anker in wässriger und organischer Umgebung, sodass in Zukunft weitere Anstrengungen unternommen werden müssen, die Stabilität des Viologensystems auf der Oberfläche zu verbessern.
Der Fokus der Arbeit liegt auf der Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Molekülen in selbst-anordnenden Monolagen (SAMs) auf Goldoberflächen mittels Rastertunnelmikroskopie und komplementären Methoden wie z.B. Infrarot-Reflektions-Absorptions-Spektro-skopie.
In dieser Arbeit wurde das kürzlich etablierte Konzept von eingebetteten Dipolmomenten in aromatischen, SAM-bildenden Molekülen eingehender untersucht. Das Ausmaß des Dipol-moments und die Größe der SAM-bildenden Moleküle wurden synthetisch variiert und der Einfluss auf die Struktur und elektronischen Eigenschaften der SAMs untersucht. Binäre, gemischte Monolagen aus SAM-bildenden Molekülen mit "entgegen gerichteten", Dipolmomenten wurden hergestellt und charakterisiert. Zur Herstellung der binären, gemischten Monolagen wurden zwei Methoden verwendet: die Monolagen wurden a) aus bereits gemischten Lösungen der Moleküle abgeschieden oder b) eine reine SAM in die Lösung des anderen Moleküls eingelegt, so dass ein Austausch stattfand. Der Vergleich der beiden Methoden ermöglicht Rückschlüsse über die Abscheidungsprozesse. Die Charakterisierung der SAMs dieser Mischungsreihen gab Aufschluss über Eigenschaften wie Packungsdichte, Austrittsarbeit, elektronischen Ladungstransport in Monolagen und Orientierung der Moleküle relativ zur Oberfläche und erlaubte Schlussfolgerungen über die Mischbarkeit und das Ausmaß der Dipolwechselwirkungen der Moleküle in der Monolage. In einem ähnlichen Ansatz zu dem oben beschriebenen Vorgehen wurden Quadrupolwechselwirkungen zwischen SAM-bildenen, Benzol-, Naphtalin- und Anthracenderivaten untersucht. In Mischungsreihen wurden SAMs von nicht- und teilweise (hoch)fluorierten, SAM-bildenden Molekülen auf Goldoberflächen charakterisiert. Die Ergebnisse der Untersuchungen können bei der gezielten Einstellung der elektronischen Eigenschaften in elektronischen Bauteilen wie OFETs Anwendung finden.
In einem weiteren Projekt wurde der Einfluss von polaren Endgruppen auf die in situ Abspaltung von Schutzgruppen an Terphenylthiol-Derivaten untersucht, wobei die Ergebnisse zum Aufbau größerer, aus organischer Elektronik bestehender, Netzwerke verwendet werden können.
Um sich an ändernde Umwelteinflüsse und metabolische Bedürfnisse anpassen zu können, ist es für Zellen essenziell, dass Boten-RNA (engl. messenger RNA, mRNA) stetig und schnell nach der Translation abgebaut wird. In Prokaryoten ist dafür der Proteinkomplex Degradosom verantwortlich, in dem Endo- und Exoribonukleasen RNase E und PNPase das RNA-Transkript in kleinere Fragmente und schließlich einzelne Nukleotide spalten. Die DEAD-Box Helikase RhlB im Komplex dient zusätzlich dazu, mögliche Sekundärstrukturen in der RNA zu entfalten, welche sonst die weitere Degradation behindern würden. Es konnte gezeigt werden, dass RhlB’s sehr geringe katalytische Aktivität – gemessen durch ATP-Verbrauch und Rate an entwundener RNA – signifikant durch die allosterische Bindung an Komplexpartner RNase E erhöht wird. Gleichzeitig deuten andere Studien darauf hin, dass RhlB eine mögliche Selektivität für doppelsträngige RNA-Substrate mit 5‘-Einzelstrang-Überhängen aufweist.
Diese Arbeit liefert neue Erkenntnisse in Bezug auf die Kommunikation zwischen den Degradosom-Komponenten RhlB und RNase E aus E. coli, indem das potenzielle Wechselspiel zwischen RhlBs RNA-Selektivität und der allosterischen Aktivierung durch RNase E untersucht wurde. Der vielseitige Einsatz NMR-spektroskopischer Techniken sowie die Verwendung kurzer RNA-Substrate mit spezifischen Strang-Eigenschaften ermöglicht es, mit einen ungewöhnlichen, RNA-zentrierten Ansatz an diese unzureichend verstandene Protein-Interaktion heranzugehen.
Zunächst wurden hierzu eine Reihe kurzer doppelsträngiger RNA-Konstrukte hergestellt, die sich nicht nur in ihren Einzelstrang-Merkmalen unterscheiden, sondern auch die thermodynamischen Anforderungen eines DEAD-Box Helikase Substrats erfüllen, und gleichzeitig eine ausreichende NMR-spektroskopische Signal-Zuordnung erlauben. Die thermale Stabilität, das Faltungsverhalten sowie die 1H Imino-protonen- und 13C HSQC-Zuordnungen aller geeigneten Konstrukte wurden erfolgreich bestimmt.
Um den Einfluss spezifischer RNA-Substrate sowie die Bindung zweier verschiedener RNase E Fragmente auf RhlBs ATP-Umsatzrate zu untersuchen, wurde sich zunächst eines photometrischen Phosphat-Assays bedient. Damit konnte deutlich gezeigt werden, dass RhlB in Abwesenheit des Komplex-Partners nicht in der Lage ist, signifikante Mengen an ATP umzusetzen, unabhängig davon, welches RNA-Konstrukt eingesetzt wird. Die Bindung der RNase E Fragmente erhöhte signifikant die ATP-Hydrolyse-Rate der Helikase, wobei die größte Aktivierung für den RNA-Duplex mit 5‘-Einzelstrang sowie ein einzelsträngiges Substrat zu beobachten ist. Da diese Ergebnisse deutlich eine RNA-Abhängigkeit beim ATP-Umsatz der Helikase zeigen, wurde untersucht, ob diese Unterschiede ihren Ursprung bereits in der Bindung der spezifischen RNA-Substrate haben. Mittels einer Mischapparatur, die es erlaubt die enzymatische Reaktion direkt im Spektrometer zu initiieren sowie zeitaufgelöster 31P NMR-Experimente konnte die allosterische Aktivierung der ATP-Hydrolyse-Rate von RhlB auch unter NMR-spektroskopischen Messbedingungen nachgewiesen werden.
Da die Ergebnisse des ATPase Assays deutlich eine RNA-Abhängigkeit bei der ATP-Umsatz-Rate der Helikase zeigen, wurde zusätzlich untersucht, ob diese Unterschiede ihren Ursprung in den Affinitäten für die verschiedenen RNA-Substrate haben und ob diese durch die Bindung von RNase E and RhlB beeinflusst werden. Um im gleichen Zuge zu überprüfen, ob die Bindung der RNA an RhlB die RNA-Konformation oder Basenpaarung ändert, werden 1H NMR-Titrationsexperimente durchgeführt. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass RhlB eine inhärente Präferenz für Duplexe mit 5‘-Überhang gegenüber Konstrukten mit 3‘-Überhang oder stumpfen Enden besitzt, was sich in einer erhöhten Affinität zeigt. Zusätzlich offenbaren die Messungen, dass RNase Es allosterische Bindung selektiv die Affinität gegenüber Konstrukten mit Einzelstrang-Überhang erhöht, während die Affinität zu RNA Duplexen ohne Überhang sogar verringert wird. Diese Ergebnisse liefern erstmals einen Nachweis, dass RNase E aktiv Einfluss auf RhlBs RNA-Bindung nimmt. Weder die Bindung der RNA and RhlB noch an den RhlB/RNase E Komplex scheint die Basenpaarung oder Konformation der RNA-Substrate zu beeinflussen, da lediglich eine homogene Peak-Verbreitung aller Imino-Protonen-Signale im 1H NMR-Spektrum beobachtet werden konnte.
A sustainable strategy for O-trifluoromethylation of electron-deficient phenols by combining electrochemical synthesis with flow technology is presented. The reaction is optimized by screening experiments to establish a fast and efficient flow protocol. Simultaneous anodic oxidation of Langlois reagent and the phenols in a micro flow cell leads to direct preparation of trifluoromethyl ethers in yields up to 90%. This one-step protocol is tolerant of several functional groups, shows good regioselectivity and works without any chemical oxidants and catalysts by using electrical current as an inexpensive and sustainable reagent.
Die Kernspinresonanz(NMR)-Spektroskopie ist ein leistungsstarkes analytisches Werkzeug. Allerdings ist ihre Empfindlichkeit aufgrund geringer Wechselwirkungs-energie zwischen den Kernspins und dem externen Magnetfeld begrenzt. Die dynamische Kernpolarisation (DNP) erhöht DNP die Empfindlichkeit der NMR, indem sie die Polarisation von ungepaarten Elektronenspins auf die benachbarten Kernspins überträgt. In den letzten Jahrzehnten hat die DNP bei hohen Magnetfeldern erneut an Aufmerksamkeit gewonnen, bedingt durch die Verfügbarkeit leistungsstarker Gyrotron-Mikrowellen(mw)-Quellen. Jedoch wurde die Anwendung von DNP für Flüssigkeiten im Vergleich zu Festkörperproben bei niedrigen Temperaturen (≈100 K) weit weniger erforscht. Zwei Gründe können dafür hauptsächlich benennt werden. Bei hohen Magnetfeldern (entsprechend hohen mw-Frequenzen) wird die mw-Strahlung sehr stark von Flüssigkeiten absorbiert, was zu einer starken Erwärmung führt. Darüber hinaus sind die Translations- und Rotationsdynamik der Radikale und Target-Molekülen nicht schnell genug, um Spectraldichten bei den hohen mw-Frequenzen zu erzeugen, die für eine Overhauser-Effekt (OE) DNP Verstärkung benötigt werden. In dieser Arbeit wird gezeigt, Flüssigzustands-DNP bei hohen Magnetfeldern, insbesondere bei 9,4 T, mit hocheffizienten DNP-Probenköpfen möglich ist.
Der von skalaren Hyperfein-Wechselwirkung (hfWW) angetriebene OE ist für Flüssigzustands-DNP-Forschungen von besonderem Interesse, da der von der Theorie vorhergesagte Mechanismus auch bei hohen Magnetfeldern noch effizient ist. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode zur Vorabprüfung potenzieller DNP-Kandidaten durch Messungen ihrer paramagnetischen NMR-Verschiebungen vorgeschlagen und untersucht. Wir beobachtete signifikante 13C-skalare OE DNP-Verstärkungen bis zu 50 bei den ausgewählten kleinen Biomolekülen, einschließlich Imidazol, Indol, verschiedene Aminosäuren und Kohlenhydraten. Das Lösungssystem wurde auch von organischen Lösungsmitteln auf Wasser erweitert.
Im Kontext von dipolarer OE DNP haben wir den Beitrag der Rotation des Radikals neben der Translationsbewegung zwischen Radikal und Target-Molekül zur OE DNP-Effizienz systematisch untersucht, indem wir verschiedene Nitroxidderivate mit unterschiedlichen Ringgeometrien und Substituenten verwendet haben. Mithilfe eines Models, das eine 'out-sphere' Translationsbewegung und eine 'inner-sphere' Rotationsbewegung des Radikal-Lösungsmittel-Komplexes enthält, konnte unsere Beobachtungen quantitativ simuliert werden. Außerdem wurde ein anderes Model untersucht, das eine Translationsbewegung mit der Rotation von Radikalen, bei denen das ungepaarte Elektron nicht im Zentrum sitzt, kombiniert.
Eine weitere neue Entdeckung in der DNP bei hohen Magnetfeldern waren der beobachtete SE (Solid-Effekt) an Lipidmolekülen mit BDPA-Radikal oberhalb der Lipidphasen-übergangstemperatur. Die neue Anwendung von SE DNP bietet einen alternativen Mechanismus zur OE DNP in Flüssigkeiten bei hohen Magnetfeldern und könnte möglicherweise auf Makromoleküle mit relativ langsamer Rotationsbewegung angewendet werden.
Wir haben zusätzliche Untersuchungen an den Lipiddoppelschichten mit Nitroxid-radikale durchgeführt, basierend auf dem beobachteten 1H DNP-Verstärkungen in einer viskosen Lipidumgebung bei 9,4 T . Durch Messung des Feldprofils wurden DNP-Verstärkungen durch OE und SE in Abhängigkeit ihrer relativen Verschiebungen von der Elektronen-Larmor-Frequenz bestimmt. Die individuelle OE DNP-Effizienzen für Protonen des Wassers, der Lipid-Cholin-Kopfgruppen oder der Lipid-Acylketten wurde bestimmt. Dadurch wird ein quantitativer Vergleich mit MD-Simulationen ermöglicht. Obwohl die von der MD-Simulationen vorhergesagten DNP Kopplungsfaktoren noch deutliche Abweichungen von den experimentellen Beobachtungen aufweisen, wird die schnelle Dynamik nahe der Elektronen-Larmor-Frequenz, die für einen erfolgreichen OE DNP Transfer erforderlich ist, von den MD-Simulationen gut erfasst.
In der Arbeit wurden auch zwei unterschiedliche Dreifachresonanz-DNP-Experimente durchgeführt. Zum einen wurde 13C OE DNP unter 1H-Entkopplung in wässriger Natriumpyruvatlösung, und zum anderen 13C-NMR von Glycin, verstärkt durch SE DNP an 1H zusammen mit einem 1H-13C INEPT-Polarisationstransfer, im Rahmen dieser Doktorarbeit durchgeführt.
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.
Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Synthese und Untersuchung funktioneller Materialien für die Modifizierung von Grenz- und Oberflächen. Einen wichtigen Einfluss auf die Bildung der untersuchten, hochgeordneten Strukturen hat das Konzept der Selbstanordnung, dessen Grundlage schwache Wechselwirkungen sind. Ihre Ausbildung erfordert das Vorliegen geeigneter, funktioneller Gruppen in den Präkursoren und damit die Nutzung der vielfältigen Möglichkeiten der chemischen Synthese zur Bereitstellung maßgeschneidert funktionalisierter Moleküle. Den fünf Projekten dieser Arbeit gemeinsam ist daher die Synthese und Untersuchung für den jeweiligen Anwendungszweck geeigneter, dipolarer Präkursor-Moleküle, die zur Ausbildung funktioneller Koordinationspolymere (CPs) bzw. Metall-organischer Gerüstverbindungen (MOFs) und selbstanordnender Monolagen (SAMs) genutzt werden können. In Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern wurden auf dieser Grundlage Untersuchungen zur Anwendbarkeit der erhaltenen Materialien in der Sensorik und zur Oberflächenfunktionalisierung durchgeführt.
Im ersten Projekt dieser Dissertation erfolgte die Untersuchung der Bildungs- und Phasenumwandlungsreaktionen von zehn verschiedenen Kupfer-Terephthalat Koordinationspolymeren. Neben bereits bekannten Koordinationspolymeren konnten so auch drei bisher literaturunbekannte CPs hergestellt und ihre Strukturen durch Kooperationspartner gelöst bzw. Strukturvorschläge gemacht werden. Die Identifikation und Auseinandersetzung mit strukturstabilisierenden Wechselwirkungen schließen dieses Projekt ab und bilden die Grundlage für die Untersuchung der Synthese und Stabilität abgeleiteter, komplexerer Koordinationspolymere.
Im Fokus des zweiten Projekts steht 𝛽-Cu2(bdc)(OH)2, ein Kupfer-Terephthalat Koordinationspolymer, dessen Kristallstruktur zuvor nicht bekannt war, im vorliegenden Projekt aber durch Kooperationspartner auf Basis des Röntgenpulverdiffraktogramms des Materials gelöst werden konnte. Der Vergleich der analytischen Daten von 𝛽-Cu2(bdc)(OH)2 mit der Literatur zeigte gute Übereinstimmungen u. a. der Diffraktogramme und IR-Spektren mit dem in der Literatur als SURMOF-2 bezeichneten, oberflächengebundenen Schichtmaterial. Aufgrunddessen kann davon ausgegangen werden, dass es sich bei SURMOF-2 um 𝛽-Cu2(bdc)(OH)2 handelt, und folglich dessen Kristallstrukturlösung die beiden bisher in der Literatur vorhandenen Strukturvorschläge für SURMOF-2 ersetzt.
Im Rahmen des dritten Projekts sollten für die Sensorik anwendbare, MOF-basierte Dünnschichtsysteme hergestellt werden. Das Sensorkonzept, das auf der Änderung des dielektrischen Verhaltens der MOFs bei Einlagerung dipolarer Analytmoleküle beruht, erfordert den Einsatz dipolarer Liganden in den entsprechenden Koordinationsnetzwerken. Hierfür wurden mehrere teilweise dipolare pillar-Liganden synthetisiert und diese für den Aufbau von Kupfer(II)terephthalat-basierten pillared-layer MOFs eingesetzt. Im Rahmen des Projekts konnten so auf Grundlage der Erkenntnisse aus Projekt 1 und in Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern neue pillared-layer MOFs hergestellt und ihre Kristallstrukturen gelöst werden. Die abschließend durch Kooperationspartner erfolgte Abscheidung dünner, oberflächengebundener Schichten dieser MOFs und erste Untersuchungen hinsichtlich ihrer Eignung für die geplante Sensorikanwendung runden das Projekt ab.
Im vierten Projekt sollte eine geeignete, in situ abspaltbare Schutzgruppe für die Thiolgruppe etabliert und ihr Einfluss auf die Bildung von Terphenylthiolat-SAMs untersucht werden. Diese Voraussetzung erfüllt die im Rahmen dieser Arbeit am Beispiel von CH3-, F- und CF3-terminierten Terphenylthiolen etablierte 3,4-Dimethoxybenzyl-Gruppe, die sich durch den Zusatz von Trifluoressigsäure in der Abscheidungslösung in situ abspalten lässt. Zum Vergleich wurden von Kooperationspartner Monolagen aus den entsprechenden freien Thiolen abgeschieden und untersucht. Schichtdicken, Packungsdichten, Kippwinkel und Elementarzellen von Monolagen aus freien und geschützten Terphenylthiolen zeigen gute Übereinstimmungen. Im Gegensatz zu anderen, ebenfalls in situ abspaltbaren Gruppen hat die Anwesenheit der 3,4-Dimethoxybenzyl-Gruppe folglich keinen negativen Einfluss auf die Struktur und Qualität der gebildeten Monolagen.
In Fortführung des vorangegangenen Projekts wurde im abschließenden Projekt in Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern der Einfluss verschiedener Kopfgruppen (H-, CH3-, F-, CF3- und SF5-) und der Länge des aromatischen Rückgrats (Phenyl-, Biphenyl- und Terphenyl-) auf die Ladungstransporteigenschaften der entsprechenden SAMs untersucht. Mit Ausnahme einiger Benzolthiole, lieferten alle betrachteten Präkursoren hochgeordnete, dicht gepackte Schichten aus aufrecht angeordneten Molekülen. Wie erwartet korreliert die Austrittsarbeit der modifizierten Oberflächen mit dem Dipolmoment der jeweiligen Kopfgruppe, wobei der Effekt der SF5-Gruppe mit einer erzielten Austrittsarbeit von annähernd 6 eV besonders hervorzuheben ist. Den Erwartungen entsprechend, sinkt die elektrische Stromdichte bei gleichbleibender Kopfgruppe mit steigender Moleküllänge. Die Stromdichte ist außerdem von der Kopfgruppe abhängig und nimmt von CH3- über H-, CF3- und SF5- bis hin zu F- ab, korreliert aber folglich nicht mit der Austrittsarbeit oder dem Dipolmoment.
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.
Protein kinases are key signalling molecules and transduce intracellular signals via the post-translational phosphorylation of substrate proteins, often other protein kinases. Dysregulation of this protein family has been linked to many diseases including neurodegenerative diseases, inflammation and cancer and amplifications of kinases play important roles as diagnostic biomarkers in a variety of cancers. Various strategies have been developed to treat dysregulated protein kinases. Most commonly, chemical small molecule inhibitors are used to modulate protein kinase activity in cancer cells. Many inhibitor and general research efforts have focused only on a small subset of protein kinases, resulting in a large portion of the kinome, the so-called “dark” kinome, remaining largely unexplored. As part of the strategy to develop inhibitors, it is crucial to understand the structure-activity-relationships (SAR) of small molecules to the activity towards the targets based on understanding small molecule-target affinities as determined by biophysical, biochemical, and cellular methods. However, not always do in vitro determined affinities, which are frequently used as basis for SAR considerations, correlate with the cellular affinity. For protein kinases in particular, it has been shown that the cellular concentration of the natural substrate adenosine-triphosphate (ATP) plays a critical role for the resulting small molecule affinity, as substrate and inhibitor frequently compete for the same binding site of the protein kinase. The cellular target engagement assay NanoBRET is a versatile assay that overcomes this problem and can be used to assess binding of a compound to the full-length protein kinase, in the presence of natural binding partners. Another important factor in inhibitor optimization is the selectivity of the molecule within the family of protein kinases. When comparing the selectivity profiles of small molecule kinase inhibitors in vitro and in cells, different profiles can be observed. Frequently, a compound, binds fewer protein kinases with high affinity in cells, indicating that cellular profiling of protein kinase inhibitors is necessary to understand the selectivity profile of an inhibitor.
The goal of this work was to understand cellular SARs of inhibitors for kinases and dark kinases in medicinal chemistry projects, and to understand the selectivity profiles of existing small molecules in cells, including already approved drugs and clinically used kinases inhibitors. The cellular potency and selectivity aspects guided optimization of the inhibitors towards selective small molecules ‘chemical probes’ or highly validated inhibitors with a narrow selectivity profile as part of ‘chemogenomic libraries’. One strategy to improve selectivity has been to use sterically restricted cyclic small molecules, called macrocycles, that allow fewer conformations of the molecule than their non-cyclic parent compound. In this thesis the dark kinase STK17A was investigated. Macrocyclization was used to develop a selective chemical probe molecule that is also selective in the cellular context. For another kinase, SIK2, a rational design approach was used to exclude off-targets bound by the lead structure, resulting in a chemical probe that selectively targets the SIK1/2/3 proteins. Assessing cellular potency of another series of inhibitors, a probe was developed for the PCTAIRE subfamily of the CDK kinases. This required co-expression of the binding partners of CDKs, the cyclins, in cells to obtain a functional assay. To identify new candidates for the neglected family of splicing kinases comprising the CLK, SRPK, DYRK and HIPK protein kinase subfamilies, a literature review was conducted, and the best small molecule candidates were compared for their target engagement in cells. This led to a series of small molecule inhibitors that may be used as a set or single agents to target the CLK proteins and SRPK proteins or in combination to target the remaining proteins. In search of new starting points for this subfamily of kinases, an initial screen with NanoBRET technology was performed using a library of over 2000 inhibitors, and new starting points were identified. Additionally, a set of clinical and approved small molecule kinase inhibitors was assessed for their selectivity in cells. Several highly selective molecules were identified that were much less selective in in vitro approaches. The set of data allowed for a comprehensive comparison of cellular potencies with published data using in vitro binding, in vitro activity and data obtained from cell lysates and identified several protein kinases that would need to be investigated in cells...
This study describes the chemical composition and in vitro toxicity of the organic fraction of fine particulate matter (PM2.5) at an urban background site, which receives emissions either from Frankfurt international airport or the city centre, respectively. We analysed the chemical composition of filter extracts (PM2.5) using ultrahigh-performance liquid chromatography coupled to a high-resolution mass spectrometer, followed by a non-target analysis. In parallel, we applied the bulk of the filter extracts to a Microtox and acetylcholinesterase-inhibition assay for in vitro toxicity testing. We find that both the chemical composition and toxicity depend on the prevailing wind directions, and the airport operating condition, respectively. The occurrence of the airport marker compounds tricresyl phosphate and pentaerythritol esters depends on the time of the day, reflecting the night flight ban as well as an airport strike event during November 2019. We compared the organic aerosol composition and toxicity from the airport wind-sector against the city centre wind-sector. We find that urban background aerosol shows a higher baseline toxicity and acetylcholinesterase inhibition compared to rural PM2.5 that is advected over the airport. Our results indicate that the concentration and individual composition of PM2.5 influence the toxicity. Suspected drivers of the acetylcholinesterase inhibition are i.e. organophosphorus esters like triphenyl phosphate and cresyldiphenyl phosphate, and the non-ionic surfactant 4-tert-octylphenol ethoxylate. However, further research is necessary to unambiguously identify harmful organic air pollutants and their sources and quantify concentration levels at which adverse effects in humans and the environment can occur.
Cardiolipin, the mitochondria marker lipid, is crucially involved in stabilizing the inner mitochondrial membrane and is vital for the activity of mitochondrial proteins and protein complexes. Directly targeting cardiolipin by a chemical-biology approach and thereby altering the cellular concentration of “available” cardiolipin eventually allows to systematically study the dependence of cellular processes on cardiolipin availability. In the present study, physics-based coarse-grained free energy calculations allowed us to identify the physical and chemical properties indicative of cardiolipin selectivity and to apply these to screen a compound database for putative cardiolipin-binders. The membrane binding properties of the 22 most promising molecules identified in the in silico approach were screened in vitro, using model membrane systems finally resulting in the identification of a single molecule, CLiB (CardioLipin-Binder). CLiB clearly affects respiration of cardiolipin-containing intact bacterial cells as well as of isolated mitochondria. Thus, the structure and function of mitochondrial membranes and membrane proteins might be (indirectly) targeted and controlled by CLiB for basic research and, potentially, also for therapeutic purposes.
Nontarget screening exhibits a seasonal cycle of PM2.5 organic aerosol composition in Beijing
(2022)
The molecular composition of atmospheric particulate matter (PM) in the urban environment is complex, and it remains a challenge to identify its sources and formation pathways. Here, we report the seasonal variation of the molecular composition of organic aerosols (OA), based on 172 PM2.5 filter samples collected in Beijing, China, from February 2018 to March 2019. We applied a hierarchical cluster analysis (HCA) on a large nontarget-screening data set and found a strong seasonal difference in the OA chemical composition. Molecular fingerprints of the major compound clusters exhibit a unique molecular pattern in the Van Krevelen-space. We found that summer OA in Beijing features a higher degree of oxidation and a higher proportion of organosulfates (OSs) in comparison to OA during wintertime, which exhibits a high contribution from (nitro-)aromatic compounds. OSs appeared with a high intensity in summer-haze conditions, indicating the importance of anthropogenic enhancement of secondary OA in summer Beijing. Furthermore, we quantified the contribution of the four main compound clusters to total OA using surrogate standards. With this approach, we are able to explain a small fraction of the OA (∼11–14%) monitored by the Time-of-Flight Aerosol Chemical Speciation Monitor (ToF-ACSM). However, we observe a strong correlation between the sum of the quantified clusters and OA measured by the ToF-ACSM, indicating that the identified clusters represent the major variability of OA seasonal cycles. This study highlights the potential of using nontarget screening in combination with HCA for gaining a better understanding of the molecular composition and the origin of OA in the urban environment.
The p53 protein family is the most studied protein family of all. Sequence analysis and structure determination have revealed a high
similarity of crucial domains between p53, p63 and p73. Functional studies, however, have shown a wide variety of different tasks in
tumor suppression, quality control and development. Here we review the structure and organization of the individual domains of
p63 and p73, the interaction of these domains in the context of full-length proteins and discuss the evolutionary origin of this
protein family.
FACTS:
● Distinct physiological roles/functions are performed by specific isoforms.
● The non-divided transactivation domain of p63 has a constitutively high activity while the transactivation domains of p53/p73
are divided into two subdomains that are regulated by phosphorylation.
● Mdm2 binds to all three family members but ubiquitinates only p53.
● TAp63α forms an autoinhibited dimeric state while all other vertebrate p53 family isoforms are constitutively tetrameric.
● The oligomerization domain of p63 and p73 contain an additional helix that is necessary for stabilizing the tetrameric states.
During evolution this helix got lost independently in different phylogenetic branches, while the DNA binding domain became
destabilized and the transactivation domain split into two subdomains.
OPEN QUESTIONS:
● Is the autoinhibitory mechanism of mammalian TAp63α conserved in p53 proteins of invertebrates that have the same function
of genomic quality control in germ cells?
● What is the physiological function of the p63/p73 SAM domains?
● Do the short isoforms of p63 and p73 have physiological functions?
● What are the roles of the N-terminal elongated TAp63 isoforms, TA* and GTA?
In the last twenty years, there has been splendid progress in energy conversion technologies to have sustainable energy sources. For example, solar cells contribute significantly to energy production as the sun is an enormous source for renewable energy. Currently, the most common commercialized photovoltaic devices are silicon-based. The scientists' main targets are high efficiency, low cost, environmentally friendly, and easy to synthesize new semiconductor materials to replace silicon. Furthermore, understanding the photophysical properties of these materials is very important for designing high efficient photoconversion systems.
This thesis investigates the photophysics of lead-based wide-bandgap perovskites with different dimensionality (2D, 3D) and how they can be optimized for optoelectronic applications. In chapter 1, we present the background and progress in perovskite research. The basic concepts of semiconductor and spectroscopic methods of the applied techniques in this work are discussed in chapter 2.
In the first project (chapter 3.1), we used our time-resolved techniques to study the ultrafast dynamics of energy transfer from the inorganic to the organic layer in a series of three lead-based mixed-halide 2D perovskites containing benzyl ammonium (BA), 1-naphthyl methyl ammonium (NMA), and 1-pyrene methyl ammonium (PMA) thin films.
In the second project (chapter 3.2), we used time-resolved spectroscopic techniques to study the effect of adding 5% of Cs on the dynamics of a mixed-cation wide bandgap bromide-based 3D perovskite.
In another side project (chapter 4), we present the photophysics properties of newly synthesized new Schiff bases containing indole moieties using piperidine as an organic base catalyst and Au@TiO2 as a heterogeneous catalyst. Finally, the results of this work are summarized in Chapter 5 with an outlook and a discussion of open questions for further research.
The human blood–brain barrier (BBB) represents the interface of microvasculature and the central nervous system, regulating the transport of nutrients and protecting the brain from external threats. To gain a deeper understanding of (patho)physiological processes affecting the BBB, sophisticated models mimicking the in vivo situation are required. Currently, most in vitro models are cultivated on stiff, semipermeable, and non-biodegradable Transwell® membrane inserts, not adequately mimicking the complexity of the extracellular environment of the native human BBB. To overcome these disadvantages, we developed three-dimensional electrospun scaffolds resembling the natural structure of the human extracellular matrix. The polymer fibers of the scaffold imitate collagen fibrils of the human basement membrane, exhibiting excellent wettability and biomechanical properties, thus facilitating cell adhesion, proliferation, and migration. Cultivation of human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) on these scaffolds enabled the development of a physiological BBB phenotype monitored via the formation of tight junctions and validated by the paracellular permeability of sodium fluorescein, further accentuating the non-linearity of TEER and barrier permeability. The novel in vitro model of the BBB forms a tight endothelial barrier, offering a platform to study barrier functions in a (patho)physiologically relevant context.
Riboswitch RNAs regulate gene expression by conformational changes induced by environmental conditions and specific ligand binding. The guanidine-II riboswitch is proposed to bind the small molecule guanidinium and to subsequently form a kissing loop interaction between the P1 and P2 hairpins. While an interaction was shown for isolated hairpins in crystallization and electron paramagnetic resonance experiments, an intrastrand kissing loop formation has not been demonstrated. Here, we report the first evidence of this interaction in cis in a ligand and Mg2+ dependent manner. Using single-molecule FRET spectroscopy and detailed structural information from coarse-grained simulations, we observe and characterize three interconvertible states representing an open and kissing loop conformation as well as a novel Mg2+ dependent state for the guanidine-II riboswitch from E. coli. The results further substantiate the proposed switching mechanism and provide detailed insight into the regulation mechanism for the guanidine-II riboswitch class. Combining single molecule experiments and coarse-grained simulations therefore provides a promising perspective in resolving the conformational changes induced by environmental conditions and to yield molecular insights into RNA regulation.
Formation of specialized pro-resolving lipid mediators (SPMs) such as lipoxins or resolvins usually involves arachidonic acid 5-lipoxygenase (5-LO, ALOX5) and different types of arachidonic acid 12- and 15-lipoxygenating paralogues (15-LO1, ALOX15; 15-LO2, ALOX15B; 12-LO, ALOX12). Typically, SPMs are thought to be formed via consecutive steps of oxidation of polyenoic fatty acids such as arachidonic acid, eicosapentaenoic acid or docosahexaenoic acid. One hallmark of SPM formation is that reported levels of these lipid mediators are much lower than typical pro-inflammatory mediators including the monohydroxylated fatty acid derivatives (e.g., 5-HETE), leukotrienes or certain cyclooxygenase-derived prostaglandins. Thus, reliable detection and quantification of these metabolites is challenging. This paper is aimed at critically evaluating i) the proposed biosynthetic pathways of SPM formation, ii) the current knowledge on SPM receptors and their signaling cascades and iii) the analytical methods used to quantify these pro-resolving mediators in the context of their instability and their low concentrations. Based on current literature it can be concluded that i) there is at most, a low biosynthetic capacity for SPMs in human leukocytes. ii) The identity and the signaling of the proposed G-protein-coupled SPM receptors have not been supported by studies in knock-out mice and remain to be validated. iii) In humans, SPM levels were neither related to dietary supplementation with their ω-3 polyunsaturated fatty acid precursors nor were they formed during the resolution phase of an evoked inflammatory response. iv) The reported low SPM levels cannot be reliably quantified by means of the most commonly reported methodology. Overall, these questions regarding formation, signaling and occurrence of SPMs challenge their role as endogenous mediators of the resolution of inflammation.
The mammalian Transient Receptor Potential Vanilloid (TRPV) channels are a family of six tetrameric ion channels localized at the plasma membrane. The group I members of the family, TRPV1 through TRPV4, are heat-activated and exhibit remarkable polymodality. The distal N-termini of group I TRPV channels contain large intrinsically disordered regions (IDRs), ranging from ~ 75 amino acids (TRPV2) to ~ 150 amino acids (TRPV4), the vast majority of which is invisible in the structural models published so far. These IDRs provide important binding sites for cytosolic partners, and their deletion is detrimental to channel activity and regulation. Recently, we reported the NMR backbone assignments of the distal TRPV4 N-terminus and noticed some discrepancies between the extent of disorder predicted solely based on protein sequence and from experimentally determined chemical shifts. Thus, for an analysis of the extent of disorder in the distal N-termini of all group I TRPV channels, we now report the NMR assignments for the human TRPV1, TRPV2 and TRPV3 IDRs.
Damit in der Schule die Vermittlung eines adäquaten Energieverständnisses gelingen kann, benötigt es eine Lehrkräfteausbildung, die dessen Herausforderungen in den Blick nimmt und die angehenden (Chemie-) Lehrerinnen und Lehrer aus fachwissenschaftlicher und didaktischer Perspektive vorbereitet. Denn in die Unterrichtsvorbereitung fließen neben bildungspolitischen und curricularen Vorgaben auch die Vorstellungen und Überzeugungen der Lehrkräfte mit ein. Zu den Herausforderungen, mit denen Lernende wie Lehrende konfrontiert sind, zählen die verschiedenen mentalen Repräsentationen zum Wort Energie aus Alltag und Naturwissenschaft, die zahlreichen chemischen Fachkontexte, in denen Energie bzw. Energiephänomene eine Rolle spielen, die unterschiedlichen Wissensnetze, die mit dem Begriff in den verschiedenen Naturwissenschaften verknüpft sind und der Einfluss der Fach- bzw. Alltagssprache.
Die (angehenden) Lehrkräfte fühlen sich auf diese Aufgabe oftmals fachlich nicht ausreichend vorbereitet. Um die Lehrkräfteausbildung in ihrem ersten Ausbildungsabschnitt auf die genannten Herausforderungen anzupassen und Lehrformate zu erweitern, benötigt es umfangreiche Kenntnisse über die mentalen Repräsentationen der Studierenden zur Energie sowie die damit verbundenen alternativen Konzepte zu schulrelevanten und lehrplanorientierten Themenschwerpunkten und die sprachlichen Besonderheiten. Die Vielschichtigkeit des Begriffs Energie erfordert eine ganzheitliche Betrachtung aller Aspekte, die es so bislang nicht gibt.
Aus diesem Grund ist es Ziel dieser Studie, die mentalen Repräsentationen der Studierenden, wie auch deren alternative Konzepte zu ausgewählten energiebezogenen Fachbegriffen aus den Bereichen chemische Bindungen, Thermodynamik und chemische Reaktionen zu erheben, in einen gemeinsamen fachlichen und sprachlichen Kontext zu setzen und daraus Rückschlüsse auf das Energieverständnis zu ziehen.
Im Sinne des Modells der didaktischen Rekonstruktion wird eine fachliche Klärung zum Untersuchungsgegenstand Energie durchgeführt. Für die Erhebung der empirischen Daten findet ein Rückgriff auf halbstandardisierte Leitfadeninterviews statt. Zielgruppe sind angehende Chemielehrkräfte, die mindestens im 5. Fachsemester Chemie für das Lehramt an Gymnasien studierten. Die Auswertung der Interviews erfolgt unter Rückgriff auf die qualitative Inhaltsanalyse nach Mayring und wird mit quantifizierenden Elementen trianguliert.
Die Studie zeigt die Erklärungsvielfalt des Begriffs Energie auf, denen sich die Studierenden bedienen. Dabei werden vor allem Beispiele einzelner Energiephänomene oder Energieformen herangezogen. In den verschiedenen Fachkontexten konnten diverse alternative Konzepte detektiert werden. Darüber hinaus konnten übergreifende Herausforderungen detektiert werden. Erkennen die Studierenden Widersprüche in ihrem Energieverständnis, wird Energie als abstrakt und schwer fassbar beschrieben. Zudem wird eine anthropozentrische Sicht eingenommen. Die angehenden Lehrkräfte neigen zu einer starken Kompartmentalisierung und begründen Wissenslücken mit der Zugehörigkeit zu anderen Fachwissenschaften. Eine weitere wichtige Erkenntnis aus der Studie ist, dass in den Fachwissenschaftlichen Veranstaltung die qualitativen Diskussionen angeregt werden müssen. Die zukünftigen Lehrerinnen und Lehrer bewegen sich in einem Spannungsverhältnis zwischen Fachwissenschaft und Didaktik und sind sich dessen sehr deutlich bewusst, indem sie bei Begriffsdefinitionen und Erklärungen die Anschaulichkeit der Exaktheit vorziehen. Es besteht die Notwendigkeit, Fachbegriffe in einem größeren Zusammenhang zu erläutern und die Studierenden zur Kommunikation darüber anzuregen.
Das wachsende Verständnis für das fein abgestimmte Zusammenspiel aus Struktur und Funktion von Nukleinsäuren resultiert aus unzähligen Forschungsprojekten. Forschende stehen dabei vor der Herausforderung, dass die zu untersuchenden Oligonukleotide sowohl modifiziert als auch in ausreichender Menge und Reinheit dargestellt werden müssen. Die chemische Festphasensynthese ist ein bewährtes Mittel zur Synthese hochmodifizierter DNA und RNA. Allerdings werden Oligonukleotide mit zunehmender Länge unzugänglicher, da die einzelnen Kupplungsreaktionen nicht quantitativ ablaufen, was zu schwer abtrennbaren Abbruchsequenzen führt. Hinzu kommt, dass während der chemischen Synthese harsche Reaktionsbedingungen nötig sind, denen die gewünschten Modifikationen standhalten müssen. (Chemo-) enzymatische Methoden können diese Hürden überwinden und somit den Zugang zu biologisch interessanten, längeren modifizierten Sequenzen ermöglichen. Jedoch erfolgt der enzymatische Einbau von Modifikationen ohne aufwendige Optimierung lediglich statistisch verteilt. Um weitere Erfolge im Bereich der Strukturaufklärung zu erzielen, werden somit Synthesemethoden benötigt, die sich zum positionsspezifischen Einbau von Modifikationen eignen und gleichzeitig den Zugang zu längeren Oligonukleotiden ermöglichen. Zur Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Struktur und Funktion haben sich in den letzten Jahren lichtadressierbare Verbindungen als gefragte Modifikationen erwiesen. Der Einsatz von Licht als mildes, nicht-invasives Auslösesignal stellt besonders im biologischen Kontext eine interessante Herangehensweise dar. Um hochwertige Aussagen über das Verhalten von Oligonukleotiden in komplexer biologischer Umgebung machen zu können, muss durch die gezielte Platzierung lichtaktivierbarer Verbindungen ein effizientes AN/AUS-Verhältnis geschaffen werden. Der Einbau photolabiler Schutzgruppen erlaubt eine vorübergehende Beeinflussung der Oligonukleotidstruktur, die durch Abspaltung der Schutzgruppe irreversibel (re-) aktiviert werden kann. Im Gegensatz dazu ermöglicht der Einbau von Photoschaltern eine reversible Adressierbarkeit durch Isomerisierungsprozesse. Die Synthese komplexer gezielt-markierter Oligonukleotide erfolgt zumeist chemisch und ist daher längenlimitiert.
Ziel dieser Doktorarbeit war es, beide Fragestellungen zu vereinen und eine chemo-enzymatische Methode zur RNA-Synthese zu untersuchen, die zum einen die positionsspezifische Modifizierung mit lichtaktivierbaren Einheiten erlaubt und darüber hinaus die Längenlimitierung der chemischen Festphasensynthese überkommt. Im Zentrum der Methode stehen drei enzymatische Reaktionsschritte zum Einbau von photolabil- und photoschaltbar-modifizierten Nukleosid-3‘,5‘-Bisphosphaten: I) eine 3‘-Verlängerung, in der die modifizierten Bisphosphate mit T4 RNA Ligase 1 mit dem 3‘-Ende einer RNA verknüpft werden; II) die Dephosphorylierung des 3‘-Phosphats mit Shrimp Alkaline Phophatase und III) die Verknüpfung der 3‘-terminal modifizierten RNA mit einem zweiten 5‘-phosphorylierten RNA-Fragment, wodurch eine Gesamtsequenz mit gezielt platzierter Modifikation entsteht (Abb. I).
Im ersten Teilprojekt wurden in kollaborativer Arbeit zunächst benötigte photolabile NPE- und photoschaltbare Azobenzol-C-Nukleosid-3‘,5‘-Bisphosphate synthetisiert und grundlegende Bedingungen der enzymatischen Reaktionen erarbeitet. Hierbei konnte der enzymatische Syntheseansatz erfolgreich in Lösung umgesetzt und der chemo-enzymatische Einbau aller synthetisierten Bausteine nachgewiesen werden. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurde die Methode in eigenständigen Arbeiten weiterverfolgt, um den multiplen Einbau NPE-modifizierter Nukleosid-3‘,5‘-Bisphosphate in direkter Nachbarschaft sowie deren Einbau in DNA/RNA-Mixmere mit Phosphodiester- oder Phosphorthioatrückgrat zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass die verwendeten Enzyme neben lichtaktivierbaren Modifikationen zusätzliche Anpassungen der Phosphateinheit sowie unterschiedliche Ribosebausteine in Kombination tolerieren. Da exogene RNA schnell von Exonukleasen abgebaut und somit unwirksam wird, werden zahlreiche stabilisierende Anpassungen an synthetischen RNAs vorgenommen. Zu den häufigsten zählen Phosphorthioate und Modifikationen der Ribose. Mit der erfolgreichen Modifikation der chimären Oligonukleotide eröffnet die erarbeitete Methode einen wichtigen Zugang zu therapeutisch interessanten Oligonukleotiden. Ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung biologisch relevanter Anwendungsmöglichkeiten konnte mit der Synthese, Charakterisierung und Umsetzung eines DEACM-geschützten Uridin-3‘,5‘-Bisphosphates (pUDEACMp) errungen werden. Im Vergleich zur verwendeten NPE-Schutzgruppe ist das Absorptionsspektrum der DEACM-Schutzgruppe bathochrom-verschoben, was eine Abspaltung mit Wellenlängen > 400 nm erlaubt. Dadurch können Zellschäden vermieden und Oligonukleotide mit NPE- und DEACM-Modifikation wellenlängenselektiv angesprochen werden...
Mitochondria are important for cellular health and their dysfunction is linked to a variety of diseases, especially neurodegeneration. Thus, the renewal and degradation of dysfunctional mitochondria is crucial for the well-being of organisms. The selective digestion of damaged mitochondria via the lysosome (mitophagy), is the main pathway to do so.
In my dissertational work, I investigated the connection between protein misfolding, protein import into mitochondria and the degradation of mitochondria via mitophagy. Here, I present a new model for the initiation of mitophagy without collapse of the membrane potential. This model provides the link between protein import into mitochondria, stress signal transduction to the cytosol and the mitochondrial stress sensor PINK1. To comprehensively examine how mitophagy can be triggered, I performed a genome-wide CRISPR knockout screen utilizing the mitophagy reporter mitochondrial mKEIMA. Thereby, I observed numerous novel gene deletions that induce mitophagy. Prominently, I identified an accumulation of gene deletions of the protein import and of protein quality control factors. I validated several of those and examined HSPA9 (mitochondrial HSP70) and LONP1 (a mitochondrial matrix AAA protease) in more detail, regarding their effect on mitophagy and protein import. For this, I used an established fluorescence-based, mitochondrial-targeted EGFP, as well as a newly-developed pulsed-SILAC mass spectrometry approach (mePRODmt). Depletions of both genes resulted in reduced protein import and PINK1-dependent mitophagy. Strikingly, I did not observe any loss of mitochondrial membrane potential, which was hitherto believed to be essential for activation of PINK1-mediated mitophagy. Literature shows that certain mitochondrial stressors can also induce mitophagy without mitochondrial membrane depolarization, which I confirmed with my assays. Next, I characterized the impact of LONP1 and HSPA9 depletion, which are involved in proteostasis maintenance, and the mtHSP90 inhibitor GTPP on mitochondrial protein folding in more detail. GTPP treatment and LONP1 depletion both resulted in the accumulation of an insoluble protein fraction, as judged by proteomic analysis. This insoluble protein fraction enriched several components of the presequence translocase-associated motor PAM, including TIMM44. TIMM44 acts as a link between the translocon, the import pore of the inner mitochondrial membrane (TIM) complex and the PAM complex. Thus, I hypothesized that TIMM44 dissociates from the TIM complex upon protein folding stress, when it becomes part of the insoluble protein fraction. To validate this model, I measured the TIMM44 interactome upon proteostasis disturbance using proximity labeling. Indeed, interaction of TIMM44 with the import pore was almost completely abolished, explaining the loss of matrix-targeted import upon protein folding stress. From these findings, I reasoned that an import reduction mediated by the PAM complex would likely also inhibit the degradation of PINK1. Consistent with this hypothesis, I observed that mitophagy induced by HSPA9 or LONP1 deletion was prevented when PINK1 was genetically deleted. In comparison, non-processed PINK1 was stabilized on mitochondria in wild type cells when mitochondrial protein import was impaired. On this basis, I drew the conclusion that the loss of mitochondrial import was the stress signal, which leads to the stabilization of PINK1, as it could not be processed anymore via the inner mitochondrial membrane protease PARL. PINK1 auto-activates itself upon accumulation and signals to the cytosol that this mitochondrion is damaged. Mitophagy is subsequently initiated by the ubiquitin kinase activity of PINK1. As a result, the autophagy apparatus gets activated, damaged mitochondria are engulfed by a double membrane and removed via lysosomal digestion. This proposed model is, to the best of my knowledge, the first to provide an explanation for protein folding stress-induced and protein import inhibition-triggered mitophagy without mitochondrial depolarization. The model thus extends the PINK1/PARKIN-dependent mitophagy pathway to milder stresses and clears some of the open questions in the field. Furthermore, this work is also important, because protein misfolding stress and dysfunctional mitochondria are two hallmarks of neurodegeneration. In particular, mitochondrial protein import inhibition during Parkinson’s and Huntington disease might be driver of mitochondrial dysfunction. Hence, I hope and anticipate that the newly developed protein import method, mePRODmt, and the proposed model will be beneficial to further characterize underlying processes and to establish which factors prevent or drive these disorders on molecular level.
The most versatile tool for visualizing endogenous RNA is molecular beacons (MBs). MBs are modified oligonucleotides that consist of a stem-loop structure equipped with a fluorophore and a quencher at the opposite ends. They only give a fluorescent signal when hybridized to the target RNA. Here we present our recent efforts to enhance the spatiotemporal resolution of RNA visualization by refining MBs.
We first asked if we could refine MBs to visualize defined subcellular populations of RNA in living neurons. To achieve this, we utilize visible light-activatable Q-dye MBs to allow only a subcellular fraction to be activated. Here, the fluorophore at the 5’-end was linked to a second quencher via a photolabile coumarin protecting group. Therefore, the MB only gives a fluorescent signal, when activated with visible light and hybridized to the target. This architecture allowed local activation of a hybridized subpopulation in a defined area of the cell. Knowing the exact origin of the activated RNA, we were able to increase the available monitoring time for neuronal mRNA from several minutes (literature known MBs) to more than 14 hours.
We next asked if it would be possible to gain spatiotemporal control over where the MB hybridization events occur. Therefore, we developed photo-tethered MBs where two phosphates in the loop backbone are covalently linked to each other via two photocages. This prevents the MB from hybridization to the target RNA. Only when light is applied, the photo-tethers are cleaved, and the inherent hybridization function of the MB is activated. This architecture allowed us to control the hybridization of photo-tethered MBs in primary cultured neurons.
Im Rahmen dieser vorliegenden Thesis wurden verschiedene photosensitive Systeme anhand statischer und zeitaufgelöster optischer Spektroskopiemethoden charakterisiert. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit lag in der Entwicklung und Untersuchung neuer Quantenpunkt-basierter Hybridsysteme. Es war möglich die optischen Eigenschaften der Quantenpunkte über Optimierung der Syntheseschritte zu variieren und so auf geplante Projekte anzupassen.
Im Projekt „Quantenpunkte als Zwei-Photonen Antenne“ sollten die hohen Zwei-Photonen Einfangquerschnitte von Quantenpunkten ausgenutzt werden um in Kombination mit einer photolabilen Schutzgruppe, ein Uncaging im NIR-Bereich zu realisieren. Es wurden ZnSe/ZnS Partikel synthetisiert, die eine starke Emission im Bereich der Absorption der Schutzgruppe zeigen. Anhand von zeitaufgelösten transienten Absorptionsexperimenten mit einer Anregungswellenlänge bei 775 nm wurde eine Zwei-Photonen Absorption der Partikel nachgewiesen. Jedoch wurden starke Emissionsbeiträge aus Fallenzuständen und eine geringe Stabilität beobachtet. Die Synthese von CdS/ZnS Quantenpunkten lieferte stabile Partikel mit geringer trap state Emission. Diese Partikel wurden in einem Modellhybridsystem als Energiedonoren eingesetzt. Als Akzeptor wurde der Farbstoff Cumarin343 gewählt. In statischen Absorptions- und Emissionsmessungen, zeitkorrelierten Einzelphotonenmessungen sowie in fs-zeitaufgelösten transiente Absorptionsmessungen konnte ein ultraschneller Energietransfer nach Ein-Photonen Anregung des Hybridsystems beobachtet werden. Über TPiF Messungen wurde die Zwei-Photonen Absorption der Quantenpunkte detektiert. Ein Energietransfer nach Zwei-Photonen Anregung der Quantenpunkte wurde beobachtet. Schließlich wurde ein Hybridsystem aus CdS/ZnS und der photolabilen Schutzgruppe Az-NDBF (Synthese im AK Heckel, Goethe Universität, Frankfurt a. M.) untersucht. Auch in diesem System wurde ein Energietransfer von Quantenpunkt auf die Schutzgruppe nach Ein- und Zwei-Photonen Anregung beobachtet. Anhand von TA Experimenten wurde eine Zeitkonstante von <100 ps für den Energietransfer nach Ein-Photonen Anregung ermittelt. Es konnte anhand der vorgestellten Resultate gezeigt werden, dass sich Quantenpunkte, aufgrund der guten Anpassung ihrer optischen Eigenschaften generell sehr gut als Antennen für organische Verbindungen eigenen.
Des Weiteren wurde ein Hybridsystem aus CdSe/ZnS Quantenpunkten und einer Dyade (Verbindung eines DTE Photoschalters und BODIPY Derivats), entworfen und charakterisiert. Ein ultraschneller EET von BODIPY auf den geschlossenen DTE Schalter wurde in vorangegangenen Studien beobachtet. Dieser EET führte zur Löschung der BODIPY-Emission. Sobald der Photoschalter im offenen Zustand vorliegt, findet aufgrund des fehlenden spektralen Überlapps kein EET statt und es wird die BODIPY-Emission detektiert. Die Erweiterung der Dyade um einen Quantenpunkt zeigte nach Anregung des Quantenpunkts dessen Fluoreszenzlöschung. Da die Emissionsbande der Quantenpunkte im Absorptionsbereich des BODIPY Farbstoffes liegt, konnte über statische und zeitaufgelöste Experimente ein ultraschneller EET von CdS/ZnS auf den Farbstoff ermittelt werden. Dies führte zu der Erweiterung des Anregungsspektrums des BODIPY Farbstoffs. Die Kopplung der Dyade an die Quantenpunktoberfläche lieferte eine Verbindung mit dem breiten Anregungsspekrum des Quantenpunkts und der schaltbaren Fluoreszenz der Dyade.
Das Hybridsystem aus CdSe Quantenpunkten und PDI zeigte vom Verhältnis der Quantenpunkte zu gekoppelten PDI Molekülen abhängige Fluoreszenzsignale. In TA Experimenten wurde ein ultraschneller EET ermittelt. Für hohe PDI Konzentrationen wurde ein weiterer EET von höher angeregten Elektronen auf das PDI identifiziert. Neben der EET Charakterisierung konnte ein zusätzlicher Prozess innerhalb des Hybridsystems mit hoher PDI Konzentration beobachtet werden. Auf den EET von Quantenpunkt auf PDI folgt ein ET aus dem Valenzband des Quantenpunkts in das HOMO des PDI*. In vorangegangene Arbeiten zu Hybridsystemen aus CdSe/ZnS und PDI wurde kein ET beobachtet. In dem beschriebenen Projekt konnte der Einfluss einer passivierenden Schale auf die elektronischen Eigenschaften von CdSe Quantenpunkten gezeigt werden.
Im letzten Teil dieser Thesis wurde die spektroskopische Charakterisierung einer NVOC und zweier NDBF Schutzgruppen beschrieben. Es konnten anhand statischer Absorptionsmessungen eine Freisetzungsquantenausbeute für NVOC-Adenin von 1,1 % ermittelt werden. Die Charakterisierung der Schutzgruppen mit einer NDBF Grundstruktur (DMA-NDBF und Az-NDBF) ergab eine Abhängigkeit der Freisetzungs- und Fluoreszenzausbeute von der Polarität des Lösungsmittels. In polarer Umgebung reduzierten sich die Quantenausbeuten deutlich...
In der vorliegenden Arbeit wurden selbstanordnende Monolagen (SAMs) entwickelt, welche als gassensitive Schichten auf Goldoberflächen mit kanzerogenem Benzol reversibel wechselwirken. Der Fokus lag dabei auf elektronenarmen Systemen und insbesondere auf hochfluorierten Aromaten. Insgesamt wurden 18 neuartige SAM-Präkursoren mit Substituenten, die starke Dipolmomente induzieren, hergestellt, die mit Hilfe von Thiolat- bzw. Selenolat-Ankergruppen an Goldoberflächen angebunden wurden. Die Charakterisierung dieser Schichten erfolgte mit diversen oberflächenanalytischen Methoden, wie Ellipsometrie und Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie (IRRAS). Für die Erforschung der Selektivität und Sensitivität der präparierten Monolagen wurden Austrittsarbeitsänderungen mit Hilfe einer KELVIN-Sonde gemessen und aus diesen Erkenntnissen systematische Veränderungen an den sensoraktiven Molekülen vorgenommen. So wurden der Fluorierungsgrad des aromatischen Systems, die Kettenlänge des Spacers sowie weitere vielversprechende Strukturmotive untersucht. Insbesondere hochfluoriere Derivate mit CF3-Substituenten zeigten die höchsten Sensitivitäten gegenüber Benzol. Weiterhin wurde ein neues Infrarot-Messprinzip entwickelt und etabliert, welches in situ Messungen während eines Überleitens gasförmiger Analyten ermöglichte. Diese Ergebnisse belegen eine Interaktion zwischen Analyten und Monolage.
Ein weiteres Projekt befasste sich mit elektronenarmen aromatischen Monolagen, die über Cystamin-Einheiten an Goldoberflächen angebunden wurden, sich aber in den dipolaren Kopfgruppen unterschieden. Dieses Vorgehen ermöglicht die Herstellung von SAMs gleicher Packungsdichten, sodass lediglich die unterschiedlichen Substituenten die elektronischen Eigenschaften beeinflussen. Die resultierenden Monolagen wurden mittels mit Rastertunnelmikroskopie, Ellipsometrie, IRRAS sowie Wasserkontaktwinkel-Goniometrie untersucht. Durch eine relativ einfache Veränderung der Kopfgruppe, wobei F3C , F3CS, H3C- sowie NC-Reste eingeführt wurden, war es möglich, die Austrittsarbeit einer Goldoberfläche in einem Bereich von 4.9 bis 5.6 eV einzustellen. Zusätzlich konnte ein gemischtes Disulfid synthetisiert werden, welches eine echte gemischte SAM auf der Goldoberfläche bildete. Dieses Konzept könnte in Zukunft eine noch präzisere Modifizierung der Austrittsarbeit zulassen, was die Entwicklung von effizienteren elektronischen Bauelementen auf Basis von organischen n Typ-Halbleitern ermöglicht.
Abschließend wurden teilfluorierte Benzonitril-Derivate mit Thiolat- bzw. Selenolat-Ankergruppen erforscht, welche als SAMs Informationen über den dynamischen Ladungstransport lieferten. Die Präkursoren unterscheiden sich lediglich im Fluorierungsmuster, welches das Dipolmoment der Gesamtstruktur beeinflusst. Die hergestellten Monolagen wurden mit einer Vielzahl oberflächenanalytischer Methoden (IRRAS, Ellipsometrie, Röntgenphotoelektronen- sowie Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie) charakterisiert, die alle die Bildung geordneter SAMs belegten und auf eine eher aufrechte Orientierung der Moleküle auf der Oberfläche hindeuteten. Die Bestimmung der Elektronentransfer-Zeiten mit Hilfe der sogenannten core-hole-clock-Methode zeigte überraschenderweise, dass durch eine Änderung des Substitutionsmusters der Fluoratome der Elektronenübergang nicht beeinflusst werden. Dementsprechend hat das Dipolmoment innerhalb des molekularen Gerüsts keinen signifikanten Einfluss auf die Elektronentransfer-Dynamik.
Pulsed dipolar (PD) EPR spectroscopy is an established and reliable tool for the investigation of biomolecules. In terms of long distance and orientation measurements, it is one of the leading methods and further fields of application are constantly being explored. The distances that can be detected with PD EPR also correspond to the range in which almost all important biomolecule interactions occur. In the transition from in vitro spectroscopy to in-cell spectroscopy, the power of PD EPR spectroscopy is particularly evident. It is non-invasive, more sensitive than NMR, and does not exhibit background signals from diamagnetic molecules. In particular, the absence of background signals is of great importance given the high density of molecules within cellular environment. However, like any other spectroscopic method, PD EPR has certain limitations. Owing to the intrinsically fast electron spin echo dephasing at higher temperature, these experiments are commonly carried out in frozen solutions at about 50 K. This temperature is far away from the physiological conditions and the freezing additives used, e.g. glycols, can further influence the structure. To enable measurements with and within living organisms, it is therefore necessary to ascend from the cold depths of the frozen state. At the same time, one has to adapt the spin tags for the desired application. Established nitroxides commonly used for EPR studies are typically susceptible to reduction. Thus, for studies under physiological conditions, e.g. in the cell, one has to fight against the reductive environment in the cell and somehow protect the spin labels. Initial published in-cell experiments within the research group and investigations of homogeneously distributed labeled double-stranded (ds) ‐DNA samples in solid matrices showed promising results and enabled pulsed measurement in the temperature range of 50‐ 295 K. It could also be demonstrated that spherical shielded nitroxides have a significantly longer life span in cellular environments than non-protected ones and first nuclear acids were measured in cell. Based on these results, we have gone further to overcome the standing limitations and developed the use of PD EPR spectroscopy. This work addresses these challenges with the overall goal of advancing the applications of PD EPR spectroscopy for studying biomolecules under physiological conditions.
We have focused on four different approaches. The results of these studies were published in various publications. They are presented and discussed together with further studies and put into the context of research conducted before and after the authors' publications.
In approach 1, we fought against the two main obstacles for using pulsed dipolar spectroscopy at ambient conditions – minimizing phase memory time T2 and averaging of the anisotropic dipolar coupling by rotational diffusion. We focused on an immobilization approach, while using rigid spin labels at same time. Besidesto the distance information, the incorporated rigid spin labels will give additional angular constrains and information about the molecular dynamics.
In approach 2, we focused on the on-site and on-demand formation of nitroxide spin labels using light-sensitive alkyl protection groups. This a very mild and efficient procedure that will hardly interfere with sensitive functional groups present in oligonucleotides or peptides. By establishing this method and using coumarin protecting groups plus two-photon excitation, this property may offer the potential to generate spin labels with very high levels of spatial and temporal resolution.
For approach 3, we used paramagnetic Gd3+ -ions as intrinsically stable labels, which are not reducible within a cellular environment. Easy to mix and bound to encodable lanthanide binding tags within the molecule Interleucin 1β, we were able to measure distances between two tags with PELDOR spectroscopy. We tested the extent to which this system is suitable for in-cell measurements.
Finally, we focus on methods for easier labeling by using non-covalentlabeling techniques. One of these is the novel nitroxide G´ for site-directed spin labeling of nucleic acids, especially for RNA. This spin label is sterically hindered, easy to build and binding occurs in seconds by simply mixing the spin label with the target. For large RNAs, another easy-to-mix and noncovalent spin-labeling strategy will be experimentally accompanied and presented.
The approaches and results described here are intended to demonstrate that the study of the biological functions of biomolecules under physiological conditions by pulsed EPR spectroscopy is feasible and operational. In combination, they will enable the life sciences to make further and faster progress in the search for the molecular master plan.
Cyclophilins, or immunophilins, are proteins found in many organisms including bacteria, plants and humans. Most of them display peptidyl-prolyl cis-trans isomerase activity, and play roles as chaperones or in signal transduction. Here, we show that cyclophilin anaCyp40 from the cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120 is enzymatically active, and seems to be involved in general stress responses and in assembly of photosynthetic complexes. The protein is associated with the thylakoid membrane and interacts with phycobilisome and photosystem components. Knockdown of anacyp40 leads to growth defects under high-salt and high-light conditions, and reduced energy transfer from phycobilisomes to photosystems. Elucidation of the anaCyp40 crystal structure at 1.2-Å resolution reveals an N-terminal helical domain with similarity to PsbQ components of plant photosystem II, and a C-terminal cyclophilin domain with a substrate-binding site. The anaCyp40 structure is distinct from that of other multi-domain cyclophilins (such as Arabidopsis thaliana Cyp38), and presents features that are absent in single-domain cyclophilins.
Focused electron and ion beam induced deposition (FEBID/FIBID) methods have gained significant attention in recent years because of their unique ability for the maskless fabrication of arbitrary three-dimensional shapes. Both techniques enable material deposition down to the nanoscale for applications in materials science and condensed matter physics. However, the number of suitable precursor molecules, especially for high purity deposits, is usually still very limited to date. Additionally, both the FEBID and FIBID process are very complex when assessed in detailed and the development of process-optimize, tailored precursor molecules is not yet possible.
In the first part of this work hexacarbonyl vanadium (V(CO)6) and dimanganese decacarbonyl (Mn2(CO)10) are investigated for their use in FEBID in order to complement the already existing data on transition metal carbonyl precursors. In addition, chemical vapor deposition (CVD) has been carried out to compare compositional differences for electron induced and purely thermal processes. FEBID using V(CO)6 resulted in the formation of a vanadium (oxy)carbide material with a V:C ratio of approx. 0.6-0.9. The material shows a temperature-dependent normalized electrical conductance typical for granular metals in agreement with TEM analysis. Additionally, characterization of the crystalline fractions reveals a cubic VC1-xOx phase in agreement with the phase observed in CVD thin films. Thermal decomposition using CVD yielded material of higher purity with V:C ratios of 1.1-1.3. In contrast, an insulating material with approx. 40 at% Mn is obtained for FEBID using Mn2(CO)10 as precursor with very similar compositions being observed for CVD thin films.
The second part of this work deals with the deposition of defined alloy materials by focused charged particle beam deposition. Three silyl substituted transition metal carbonyl complexes have been synthesized and tested for FEBID, FIBID and CVD. The three precursors investigated were: H3SiMn(CO)5, H3SiCo(CO)4, and H2Si(Co(CO)4)2. FEBID experiments with the manganese derivative show the selective loss of silicon, and metal/metalloid contents of up to 49 at%. Contrary, material derived from both cobalt derivatives did retain the 1:1 and 2:1 Co:Si ratios respectively, resulting in metal/metalloid contents of up to 62 at%. Temperature-dependent normalized electrical conductance measurements of as-grown and post-growth electron beam irradiated samples reveal behavior typical for granular metals except for the as-grown CoSi material which is located on the insulating side of the metal-insulator transition. Ga+-FIBID revealed H2Si(Co(CO)4)2 to be a very suitable precursor, retaining the predefined Co:Si ratio in the deposits, while significant loss of silicon was observed for H3SiCo(CO)4 derived deposits. Contrary to FEBID high metal/metalloid contents of up to 90 at% are obtained. Additionally, temperature dependent electrical properties of dicobalt silicide and the expected ferromagnetic behavior have been observed for the Co2Si-FIBID material. Further analysis enables the proposition of different dominating decomposition channels in FEBID and FIBID based on microstructural features such as bubble formation in FIBID materials.
Until today, iron gall ink is classified as an exceptional underdrawing material for paintings. Its study and definite identification is usually based on invasive analysis. This article presents a new non-destructive approach using micro-X-ray fluorescence scanning (MA-XRF), LED-excited IRR (LEDE-IRR) based on a narrow wavelength-range of infrared radiation (IR) for illumination and stereomicroscopy for studying and visualising iron gall ink underdrawings. To assess possibilities and limits of these analytical techniques, the approach was tested on panel paintings by Hans Holbein the Elder and Giovanni Battista Cima da Conegliano. Results are compared to invasive examinations on cross-sections using scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM/EDX). The holistic setup could successfully visualise iron gall ink underdrawings, allowing to harness the formerly invisible underdrawing lines for interdisciplinary studies.
Electronic circular dichroism unravels atropisomers of a broadly absorbing fulgide derivative
(2022)
We prepared and studied six atropisomers with different chiroptical properties emerging from a single, robust, broadly-absorbing fulgide photoswitch. After separation of the different atropisomers via HPLC on a chiral column, their isomerization processes at room temperature and the energy barriers of the different species were investigated in detail using spectroscopic and theoretical methods.
Structural Biology has moved beyond the aim of simply identifying the components of a cellular subsystem towards analysing the dynamics and interactions of multiple players within a cell. This focal shift comes with additional requirements for the analytical tools used to investigate these systems of increased size and complexity, such as Native Mass Spectrometry, which has always been an important tool for structural biology. Scientific advance and recent developments, such as new ways to mimic a cell membrane for a membrane protein, have caused established methods to struggle to keep up with the increased demands. In this review, we summarize the possibilities, which Laser Induced Liquid Bead Ion Desorption (LILBID) mass spectrometry offers with regard to the challenges of modern structural biology, like increasingly complex sample composition, novel membrane mimics and advanced structural analysis, including next neighbor relations and the dynamics of complex formation.
In dieser Arbeit konnte 1,8-Diborylnaphthalin (11) präparativ in einer Stufe und 65% Ausbeute aus dem literaturbekannten Boronsäureanhydrid 9 dargestellt werden. 11 ist das zweite bekannte, aromatisch verbrückte Derivat des Diborans B2H6. 11 kann als Startverbindung für eine Reihe strukturverwandter BNB-dotierter Phenalenderivate verwendet werden. Dazu werden zwei der vier Bor-gebundenen Protonen durch die Umsetzung mit einem Mesitylgrignard und Trimethylsilylchlorid substituiert. Die Umsetzung mit Wasser bzw. Aminen liefert BOB- bzw. BNB-Phenalene unter Freisetzung von elementarem Wasserstoff. Alle, auf diese Weise dargestellten Verbindungen, zeigen reversible Redoxeigenschaften und Photolumineszenz mit zum Teil besonders scharfen Emissionssignalen mit Halbhöhenbreiten von bis zu 31 nm. Zusätzlich wurden drei analoge Vertreter einer NBN-Phenalen Spezies dargestellt und charakterisiert. Die entgegengesetzte Dotierung äußert sich in einem grundlegend verschiedenem Redoxverhalten. Abschließend wurde die Reduktion des BNB-Phenalens 22 untersucht. Dabei gelang es das Radikal K[32] zu charakterisieren und seine Abbaureaktion in THF aufzuklären.
Sphingosine 1-phosphate (S1P) is a lipid mediator with numerous biological functions. The term ‘S1P’ mainly refers to the sphingolipid molecule with a long-chain sphingoid base of 18 carbon atoms, d18:1 S1P. The enzyme serine palmitoyltransferase catalyses the first step of the sphingolipid de novo synthesis using palmitoyl-CoA as the main substrate. After further reaction steps, d18:1 S1P is generated. However, also stearyl-CoA or myristoyl-CoA can be utilised by the serine palmitoyltransferase, which at the end of the S1P synthesis pathway, results in the production of d20:1 S1P and d16:1 S1P respectively. We measured these S1P homologues in mice and renal tissue of patients suffering from renal cell carcinoma (RCC). Our experiments highlight the relevance of d16:1 S1P for the induction of connective tissue growth factor (CTGF) in the human renal clear cell carcinoma cell line A498 and human RCC tissue. We show that d16:1 S1P versus d18:1 and d20:1 S1P leads to the highest CTGF induction in A498 cells via S1P2 signalling and that both d16:1 S1P and CTGF levels are elevated in RCC compared to adjacent healthy tissue. Our data indicate that d16:1 S1P modulates conventional S1P signalling by acting as a more potent agonist at the S1P2 receptor than d18:1 S1P. We suggest that elevated plasma levels of d16:1 S1P might play a pro-carcinogenic role in the development of RCC via CTGF induction.
A B-factor for NOEs?
(2022)
Nuclear Overhauser effects (NOEs) are influenced by motion. Here, we derive exact, analytical results for a model of isotropic, harmonic fluctuations of atom positions that corresponds to the one underlying crystallographic B-factors. The model includes steric repulsion and yields closed-form expressions for the expected value of general invertible functions of the distance between two atoms, with the special case r-6 for NOEs. We discuss the implications for the definition of an NOE-based B-factor in solution NMR.
Today, the term buchu refers to the two species in commerce, Agathosma betulina (P.J.Bergius) Pillans and Agathosma crenulata (L.) Pillans (Rutaceae). Its traditional use in urinary tract infections and related ailments made it a popular remedy, specifically in the US, in 19th century, but with the advent of antibiotics it became largely obsolete. Recent focus is on technological use and on the essential oil for use in the perfume and food-flavouring industry. A review of the scarce pharmacological research revealed moderate antimicrobial activity for a leaf extract but not the essential oil of both species in the MIC assay. In the 5-lipoxygenase (5-LO) assay the essential oil of both species revealed IC50 values of 50.37 ± 1.87 μg/ml and 59.15 ± 7.44 μg/ml, respectively. In another study 98% inhibitory activity was determined for 250 μg/ml of an ethanolic extract of A. betulina on cyclooxygenase (COX)-1 and a 25% inhibitory activity on COX-2. Analgesic activity of an ethanolic extract of A. betulina was shown in mice. Moderate antioxidant activity was determined for methanol:dichlormethane extracts of A. betulina and A. crenulata and an aqueous extract of A. betulina showed a Trolox equivalent antioxidant capacity (TEAC) of 11.8 µM Trolox. Recent in vitro studies with a commercial aqueous extract of buchu revealed increased uptake of glucose added to 3T3-L1 cell line, significant inhibition of the respiratory burst of neutrophils and monocytes, reduction in the expression of adhesion molecules and inhibition of the release of IL-6 and TNF-α. In diabetic rats the ingestion of aqueous buchu extract completely normalized the glucose level and in rats receiving a high fat diet the consumption of aqueous buchu extract resulted in less weight gain and less intraperitoneal fat gain as well as reduction of elevated blood pressure to normal associated with cardioprotective effects. Limitations in the hitherto conducted research lie in the undisclosed composition of the buchu extracts used and the difficulty in extrapolating data from animal studies to humans. Health claims for buchu products need to be substantiated by randomized, double-blind and placebo-controlled studies. Only then can they be promoted for their true therapeutic potential.
Several lines of evidence suggest the ligand-sensing transcription factor Nurr1 as a promising target to treat neurodegenerative diseases. Nurr1 modulators to validate and exploit this therapeutic potential are rare, however. To identify novel Nurr1 agonist chemotypes, we have employed the Nurr1 activator amodiaquine as template for microscale analogue library synthesis. The first set of analogues was based on the 7-chloroquiolin-4-amine core fragment of amodiaquine and revealed superior N-substituents compared to diethylaminomethylphenol contained in the template. A second library of analogues was subsequently prepared to replace the chloroquinolineamine scaffold. The two sets of analogues enabled a full scaffold hop from amodiaquine to a novel Nurr1 agonist sharing no structural features with the lead but comprising superior potency on Nurr1. Additionally, pharmacophore modeling based on the entire set of active and inactive analogues suggested key features for Nurr1 agonists.
During evolution of an RNA world, the development of enzymatic function was essential. Such enzymatic function was linked to RNA sequences capable of adopting specific RNA folds that possess catalytic pockets to promote catalysis. Within this primordial RNA world, initially evolved self-replicating ribozymes presumably mutated to ribozymes with new functions. Schultes and Bartel (Science 2000, 289, 448–452) investigated such conversion from one ribozyme to a new ribozyme with distinctly different catalytic functions. Within a neutral network that linked these two prototype ribozymes, a single RNA chain could be identified that exhibited both enzymatic functions. As commented by Schultes and Bartel, this system possessing one sequence with two enzymatic functions serves as a paradigm for an evolutionary system that allows neutral drifts by stepwise mutation from one ribozyme into a different ribozyme without loss of intermittent function. Here, we investigated this complex functional diversification of ancestral ribozymes by analyzing several RNA sequences within this neutral network between two ribozymes with class III ligase activity and with self-cleavage reactivity. We utilized rapid RNA sample preparation for NMR spectroscopic studies together with SHAPE analysis and in-line probing to characterize secondary structure changes within the neutral network. Our investigations allowed delineation of the secondary structure space and by comparison with the previously determined catalytic function allowed correlation of the structure-function relation of ribozyme function in this neutral network.
Synthesis and crystal structure of 2-(2-hydroxyphenyl)-1,3-bis(4-methoxybenzyl)-1,3-diazinan-5-ol
(2022)
The redetermined structure of 2-(2-hydroxyphenyl)-1,3-bis(4-methoxybenzyl)-1,3-diazinan-5-ol, C26H30N2O4, at 173 K has orthorhombic (Pbca) symmetry. It was previously described by Bolte et al. [ Private Communication (refcode EWICEV). CCDC, Cambridge, England]. The title compound resulted from the condensation reaction between 1,3-bis{[(4-methoxyphenyl)methyl]amino}propan-2-ol and 2-hydroxybenzaldehyde in CH3OH. The structure exhibits disorder. One of the 4-methoxybenzyl groups, the hydroxy group bonded to the 1,3-diazinan ring, and the methyl group of the methoxy residue are disordered over two orientations, with occupancies of 0.807 (3)/0.193 (3), 0.642 (5)/0.358 (5), and 0.82 (4)/0.18 (4), respectively. The dihedral angles between the mean planes of the central 1,3-diazinan-5-ol and the 4-methoxyphenyl rings (both occupancy components of the disordered ring) are 88.65 (13), 85.79 (14) and 83.4 (7)°. The crystal packing is sustained by C—H...O and O—H...π interactions, giving rise to infinite chains running along the b-axis direction.
The title compound, C8H16N4·2C11H16O, was synthesized from the corresponding sterically crowded phenol by treatment with the aminal cage polyamine. Single-crystal X-ray diffraction structural analysis revealed the three-molecule aggregate to crystallize in the monoclinic space group P2/c with one half of a 1,3,6,8-tetraaztricyclo[4.4.1.13,8]dodecane (TATD) molecule and one 2-tert-butyl-4-methylphenol molecule per asymmetric unit. The crystal structure features intermolecular O—H...N and C—H...O hydrogen bonds, as well as intermolecular C—H...π interactions.
Vibrational energy transfer (VET) is emerging as key mechanism for protein functions, possibly playing an important role for energy dissipation, allosteric regulation, and enzyme catalysis. A deep understanding of VET is required to elucidate its role in such processes. Ultrafast VIS-pump/IR-probe spectroscopy can detect pathways of VET in proteins. However, the requirement of having a VET donor and a VET sensor installed simultaneously limits the possible target proteins and sites; to increase their number we compare six IR labels regarding their utility as VET sensors. We compare these labels in terms of their FTIR, and VET signature in VET donor-sensor dipeptides in different solvents. Furthermore, we incorporated four of these labels in PDZ3 to assess their capabilities in more complex systems. Our results show that different IR labels can be used interchangeably, allowing for free choice of the right label depending on the system under investigation and the methods available.
The SARS-CoV-2 nucleocapsid (N) protein is crucial for the highly organized packaging and transcription of the genomic RNA. Studying atomic details of the role of its intrinsically disordered regions (IDRs) in RNA recognition is challenging due to the absence of structure and to the repetitive nature of their primary sequence. IDRs are known to act in concert with the folded domains of N and here we use NMR spectroscopy to identify the priming events of N interacting with a regulatory SARS-CoV-2 RNA element. 13C-detected NMR experiments, acquired simultaneously to 1H detected ones, provide information on the two IDRs flanking the N-terminal RNA binding domain (NTD) within the N-terminal region of the protein (NTR, 1–248). We identify specific tracts of the IDRs that most rapidly sense and engage with RNA, and thus provide an atom-resolved picture of the interplay between the folded and disordered regions of N during RNA interaction.
1H, 13C and 15N chemical shift assignment of the stem-loops 5b + c from the 5′-UTR of SARS-CoV-2
(2022)
The ongoing pandemic of the respiratory disease COVID-19 is caused by the SARS-CoV-2 (SCoV2) virus. SCoV2 is a member of the Betacoronavirus genus. The 30 kb positive sense, single stranded RNA genome of SCoV2 features 5′- and 3′-genomic ends that are highly conserved among Betacoronaviruses. These genomic ends contain structured cis-acting RNA elements, which are involved in the regulation of viral replication and translation. Structural information about these potential antiviral drug targets supports the development of novel classes of therapeutics against COVID-19. The highly conserved branched stem-loop 5 (SL5) found within the 5′-untranslated region (5′-UTR) consists of a basal stem and three stem-loops, namely SL5a, SL5b and SL5c. Both, SL5a and SL5b feature a 5′-UUUCGU-3′ hexaloop that is also found among Alphacoronaviruses. Here, we report the extensive 1H, 13C and 15N resonance assignment of the 37 nucleotides (nts) long sequence spanning SL5b and SL5c (SL5b + c), as basis for further in-depth structural studies by solution NMR spectroscopy.
Protein biosynthesis is a fundamental process across all domains of life. Polypeptides are produced by translating the genetic information of the messenger RNA (mRNA) into amino acids. This elaborate procedure is divided into the four distinct phases: initiation, elongation, termination, and ribosome recycling. The phases are controlled and regulated by a multitude of translation factors. During initiation, the ribosome assembles on the mRNA. Initiation factors (IFs) bind to the small ribosomal subunit (SSU) and assist the recruitment of mRNA and initiator transfer RNA (tRNA), which delivers the first amino acid methionine. After positioning the SSU at the start codon of the mRNA, additional IFs support the joining of the large ribosomal subunit (LSU). Next, elongation factors (EFs) deliver amino-acylated tRNAs (aa-tRNAs) to the translating ribosome and assist kinetic proofreading and ribosome subunit translocation after the catalytic transfer of the polypeptide onto the aa-tRNA. When a stop codon is reached, translation is terminated by release factors (RFs) that hydrolyze the peptidyl-tRNA to release the nascent protein chain. Afterwards, the ribosome is recycled in Eukaryotes and Archaea by the conserved and essential factor ABCE1, which splits the ribosome into the LSU and SSU. ABCE1 remains bound to the SSU forming the post-splitting complex (post-SC). mRNA translation closes into a cycle by recruitment of IFs to the post-SC and the start of a new round of initiation. The post-SC presents the platform for translation initiation. However, the role of ABCE1 in initiation remains elusive. Therefore, the main goal of my thesis was to unravel the molecular mechanism of ABCE1 on the post-SC and during initiation complex (IC) assembly.
Using a reconstituted system, the high-resolution structure of the archaeal post-SC was solved by cryogenic electron microscopy (cryo-EM) following the native splitting route. It was the first complete model of an archaeal SSU at atomic resolution and revealed a previously undescribed ribosomal protein, which we termed eS21. The hinge 2 region of ABCE1 was identified to be the major interaction interface that anchors to the SSU. Functional characterization of single residue mutations in hinge 2 unraveled essential interactions with the ribosomal RNA backbone of the SSU. Sensing of SSU-binding was found to be allosterically transmitted to the nucleotide-binding sites (NBSs) for integration into the ATPase cycle of ABCE1.
Reconstitution of the archaeal translation apparatus allowed for dissection of IC assembly in the presence of ABCE1. Three different ICs were resolved by cryo-EM. The results were in accordance with recent structural findings of eukaryotic translation initiation and highlighted that the involvement of ABCE1 is conserved.
In a semi-native approach, recombinant ABCE1 was pulled-down from crenarchaeal cell lysates. Mass spectrometric analysis of co-immunoprecipitated ribosomal complexes identified the association of numerous translation factors to the post-SC in a cellular context. The establishment of the genetic toolbox of the acidothermophilic Sulfolobus acidocaldarius allowed the homologous expression of ABCE1. Pull-down of native ABCE1 revealed similar ribosomal complexes as the semi-native and reconstituted approaches. Together, my results gave first physiological relevance of ABCE1 involvement in mRNA translation initiation in Archaea. Native archaeal ABCE1-ICs were vitrified for structural analysis by cryo-EM. Thereby, future structural analysis will allow to analyze the interactions of ABCE1 on native ICs and identify its role in IC assembly.
To address the molecular process of IC assembly, the binding affinity of aIF1 to the SSU was determined by fluorescence polarization. Similar studies will allow for a detailed functional analysis on IF recruitment to the SSU in presence of ABCE1.
mRNA surveillance and ribosome-associated quality control (RQC) mechanisms evolved to ensure cell viability. The pathways overcome ribosome stalling and defective translation components. Stalled ribosomes are terminated by special RFs, which do not hydrolyze the peptidyl-tRNA, but allow dissociation of the ribosome by ABCE1. Faulty messages are degraded via mRNA decay pathways and the LSU is rescued by RQC factors. Recently, the bacterial RQC factor MutS2 was identified to specifically target collided di- and polysomes but its molecular mechanism remains unknown. In this thesis, initial functional analyses showed tri-phosphate specific nucleotide binding of MutS2. While the dissociation of collided disomes by MutS2 could not be observed, the results pave the way for future in vitro studies of bacterial RQC factors acting on specific ribosome populations.
In the future, mRNA translation research must focus on complex quality control processes to comprehensively understand this fundamental cellular process in a holistic context.
Nucleation of jet engine oil vapours is a large source of aviation-related ultrafine particles
(2022)
Large airports are a major source of ultrafine particles, which spread across densely populated residential areas, affecting air quality and human health. Jet engine lubrication oils are detectable in aviation-related ultrafine particles, however, their role in particle formation and growth remains unclear. Here we show the volatility and new-particle-formation ability of a common synthetic jet oil, and the quantified oil fraction in ambient ultrafine particles downwind of Frankfurt International Airport, Germany. We find that the oil mass fraction is largest in the smallest particles (10-18 nm) with 21% on average. Combining ambient particle-phase concentration and volatility of the jet oil compounds, we determine a lower-limit saturation ratio larger than 1 × 105 for ultra-low volatility organic compounds. This indicates that the oil is an efficient nucleation agent. Our results demonstrate that jet oil nucleation is an important mechanism that can explain the abundant observations of high number concentrations of non-refractory ultrafine particles near airports.
Druggability Evaluation of the Neuron Derived Orphan Receptor (NOR-1) Reveals Inverse NOR-1 Agonists
(2022)
The neuron derived orphan receptor (NOR-1, NR4A3) is among the least studied nuclear receptors. Its physiological role and therapeutic potential remain widely elusive which is in part due to the lack of chemical tools that can directly modulate NOR-1 activity. To probe the possibility of pharmacological NOR-1 modulation, we have tested a drug fragment library for NOR-1 activation and repression. Despite low hit-rate (<1 %), we have obtained three NOR-1 ligand chemotypes one of which could be rapidly expanded to an analogue comprising low micromolar inverse NOR-1 agonist potency and altering NOR-1 regulated gene expression in a cellular setting. It confirms druggability of the transcription factor and may serve as an early tool to assess the role and potential of NOR-1.
Vanadium and Manganese Carbonyls as Precursors in Electron-Induced and Thermal Deposition Processes
(2022)
The material composition and electrical properties of nanostructures obtained from focused electron beam-induced deposition (FEBID) using manganese and vanadium carbonyl precursors have been investigated. The composition of the FEBID deposits has been compared with thin films derived by the thermal decomposition of the same precursors in chemical vapor deposition (CVD). FEBID of V(CO)6 gives access to a material with a V/C ratio of 0.63–0.86, while in CVD a lower carbon content with V/C ratios of 1.1–1.3 is obtained. Microstructural characterization reveals for V-based materials derived from both deposition techniques crystallites of a cubic phase that can be associated with VC1−xOx. In addition, the electrical transport measurements of direct-write VC1−xOx show moderate resistivity values of 0.8–1.2 × 103 µΩ·cm, a negligible influence of contact resistances and signatures of a granular metal in the temperature-dependent conductivity. Mn-based deposits obtained from Mn2(CO)10 contain ~40 at% Mn for FEBID and a slightly higher metal percentage for CVD. Exclusively insulating material has been observed in FEBID deposits as deduced from electrical conductivity measurements. In addition, strong tendencies for postgrowth oxidation have to be considered.
In the development of photolabile protecting groups, it is of high interest to selectively modify photochemical properties with structural changes as simple as possible. In this work, knowledge of fluorophore optimization was adopted and used to design new coumarin- based photocages. Photolysis efficiency was selectively modulated by inactivating competitive decay channels, such as twisted intramolecular charge transfer (TICT) or hydrogen-bonding, and the photolytic release of the neurotransmitter serotonin was demonstrated. Structural modifications inspired by the fluorophore ATTO 390 led to a significant increase in the uncaging cross section that can be further improved by the simple addition of a double bond. Ultrafast transient absorption spectroscopy gave insights into the underlying solvent-dependent photophysical dynamics. The chromophores presented here are excellently suited as new photocages in the visible wavelength range due to their simple synthesis and their superior photochemical properties.
We synthesized two green-light activatable 5’-caps for oligonucleotides based on the BODIPY and coumarin scaffold. Both bear an alkyne functionality allowing their use in numerous biological applications. They were successfully incorporated in oligonucleotides via solid-phase synthesis. Copper-catalyzed alkyne-azide cycloaddition (CuAAC) using a bisazide photo-tether gave cyclic oligonucleotides that could be relinearized by activation with green light and were shown to exhibit high stability against exonucleases. Chemical ligation as another example for bioconjugation yielded oligonucleotides with an internal strand break site. Irradiation at 530 nm or 565 nm resulted in complete photolysis of both caging groups.
Photoresponsive hydrogels can be employed to coordinate the organization of proteins in three dimensions (3D) and thus to spatiotemporally control their physiochemical properties by light. However, reversible and user-defined tethering of proteins and protein complexes to biomaterials pose a considerable challenge as this is a cumbersome process, which, in many cases, does not support the precise localization of biomolecules in the z direction. Here, we report on the 3D patterning of proteins with polyhistidine tags based on in-situ two-photon lithography. By exploiting a two-photon activatable multivalent chelator head, we established the protein mounting of hydrogels with micrometer precision. In the presence of photosensitizers, a substantially enhanced two-photon activation of the developed tool inside hydrogels was detected, enabling the user-defined 3D protein immobilization in hydrogels with high specificity, micrometer-scale precision, and under mild light doses. Our protein-binding strategy allows the patterning of a wide variety of proteins and offers the possibility to dynamically modify the biofunctional properties of materials at defined subvolumes in 3D.
Quinone methide precursors protected with alkyldithiomethyl groups have been synthesized and converted into PNA conjugates. Stable in the absence of reducing agents, the electrophilic quinone methide is released by glutathione in concentrations typical for the cytosol. Self-alkylation then occurs or crosslinking of RNA when hybridized with complementary strands. Fastest reactions are seen for the sterically least hindered compound.
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.
Phenotypical screening is a widely used approach in drug discovery for the identification of small molecules with cellular activities. However, functional annotation of identified hits often poses a challenge. The development of small molecules with narrow or exclusive target selectivity such as chemical probes and chemogenomic (CG) libraries, greatly diminishes this challenge, but non-specific effects caused by compound toxicity or interference with basic cellular functions still pose a problem to associate phenotypic readouts with molecular targets. Hence, each compound should ideally be comprehensively characterized regarding its effects on general cell functions. Here, we report an optimized live-cell multiplexed assay that classifies cells based on nuclear morphology, presenting an excellent indicator for cellular responses such as early apoptosis and necrosis. This basic readout in combination with the detection of other general cell damaging activities of small molecules such as changes in cytoskeletal morphology, cell cycle and mitochondrial health provides a comprehensive time-dependent characterization of the effect of small molecules on cellular health in a single experiment. The developed high-content assay offers multi-dimensional comprehensive characterization that can be used to delineate generic effects regarding cell functions and cell viability, allowing an assessment of compound suitability for subsequent detailed phenotypic and mechanistic studies.
Publicly available compound and bioactivity databases provide an essential basis for data-driven applications in life-science research and drug design. By analyzing several bioactivity repositories, we discovered differences in compound and target coverage advocating the combined use of data from multiple sources. Using data from ChEMBL, PubChem, IUPHAR/BPS, BindingDB, and Probes & Drugs, we assembled a consensus dataset focusing on small molecules with bioactivity on human macromolecular targets. This allowed an improved coverage of compound space and targets, and an automated comparison and curation of structural and bioactivity data to reveal potentially erroneous entries and increase confidence. The consensus dataset comprised of more than 1.1 million compounds with over 10.9 million bioactivity data points with annotations on assay type and bioactivity confidence, providing a useful ensemble for computational applications in drug design and chemogenomics.
The sphingolipid sphingosine-1-phosphate (S1P) promotes tumor development through a variety of mechanisms including promoting proliferation, survival, and migration of cancer cells. Moreover, S1P emerged as an important regulator of tumor microenvironmental cell function by modulating, among other mechanisms, tumor angiogenesis. Therefore, S1P was proposed as a target for anti-tumor therapy. The clinical success of current cancer immunotherapy suggests that future anti-tumor therapy needs to consider its impact on the tumor-associated immune system. Hereby, S1P may have divergent effects. On the one hand, S1P gradients control leukocyte trafficking throughout the body, which is clinically exploited to suppress auto-immune reactions. On the other hand, S1P promotes pro-tumor activation of a diverse range of immune cells. In this review, we summarize the current literature describing the role of S1P in tumor-associated immunity, and we discuss strategies for how to target S1P for anti-tumor therapy without causing immune paralysis.
Mechanism of the MHC I chaperone TAPBPR and its role in promoting UGGT1-mediated quality control
(2022)
Information about the health status of most nucleated cells is provided through peptides presented on major histocompatibility complex I (pMHC I) on the cell surface. T cell receptors of CD8+ T cells constantly monitor these complexes and allow the immune system to detect and eliminate infected or cancerous cells. Antigenic peptides displayed on MHC I are typically derived from the cellular proteome and are translocated into the lumen of the endoplasmic reticulum (ER) by the ATP-binding cassette (ABC) transporter associated with antigen processing (TAP), which is part of the peptide-loading complex (PLC). In a process called peptide editing, the MHC I-dedicated chaperone tapasin (Tsn) selects peptides for their ability to form stable complexes with MHC I. While initial peptide loading is catalyzed in the confines of the PLC, the second quality control is mediated by TAPBPR, operating in the peptide-depleted cis-Golgi network. TAPBPR was shown to have a more fine-tuning effect on the presented peptide repertoire rather than initial peptide selection. The fundamental mechanism of peptide editing was illuminated by two crystal structures of TAPBPR in complex with peptide-receptive MHC I. Notably, one of these structures reported a structural element that inserted into the peptidebinding pocket. The so-called scoop loop was assumed to be involved in mediating peptide exchange but the underlying mechanism remained undefined. Additionally, latest results suggested that TAPBPR mediates the interaction of the glucosyltransferase UGGT1 with peptide-receptive MHC. To expand the current knowledge of quality control processes in the antigen presentation pathway, the contribution of the scoop loop in peptide editing and the role of TAPBPR in UGGT1-mediated quality control needs to be elucidated. In the first part of this study, TAPBPR proteins with various loop lengths were designed to scrutinize the contribution of the scoop loop in chaperoning peptidereceptive MHC I. In a light-driven approach, the ability of TAPBPR variants to form stable complexes with peptide-free MHC I was tested. These results demonstrated that in a peptide-depleted environment, the scoop loop is of critical importance for TAPBPR to chaperone intrinsically unstable, peptidereceptive MHC I clients. Moreover, fluorescence polarization-based assays allowed the pursuit of peptide exchange in different, native-like environments. Peptide displacement activities of TAPBPR variants illustrated that catalyzed peptide editing is primarily induced by structural elements outside the scoop loop. In a peptide-depleted environment, the scoop loop occupies the position of the peptide C-terminus and acts as an internal peptide surrogate. By combining complex formation and fluorescence polarization experiments, the scoop loop of TAPBPR was shown to be critically important in stabilizing empty MHC I and functions as an internal peptide selector. In the second part of this study, a novel in-vitro glucosylation assay was established to examine the role of TAPBPR in UGGT1-catalyzed re-glucosylation of TAPBPR-bound MHC I clients. Therefore, a peptide-free MHC I-TAPBPR complex with defined glycan species was designed which served as physiological substrate for UGGT1. By subjecting the recombinantly expressed HLA-A*68:02- TAPBPR complex and UGGT1 proteins to the new in-vitro system, UGGT1 was shown to catalyze the transfer of a glucose residue to the N-linked glycan of TAPBPR-bound Man9GlcNAc2-HLA-A*68:02. Moreover, a high-affinity, photocleavable peptide was applied to dissociate the MHC I-chaperone complex. However, in the absence of TAPBPR, no glucosyltransferase activity was observed. Generation of peptide-free MHC I through UV illumination also showed no activity, and only the addition of TAPBPR could restore UGGT1-mediated reglucosylation of the empty MHC I. Independent of the peptide status of HLAA*68:02, the combination of protein glycoengineering and LC-MS analysis implicated that UGGT1 exclusively acts on TAPBPR-chaperoned HLA-A*68:02. The newly established system provided insights into the function of TAPBPR during UGGT1-catalyzed re-glucosylation activity and quality control of MHC I. Taken together, the scoop loop allows TAPBPR to function as MHC I chaperone through stabilizing peptide-receptive MHC I. In a peptide-depleted environment, the loop structure serves as an internal peptide surrogate and can only be dislodged by a high-affinity peptide. Based on these findings, TAPBPR fulfills a dual function in the second level of quality control. On the one hand, TAPBPR functions as peptide editor, shaping the repertoire of presented peptides. On the other hand, TAPBPR mediates peptide-receptive MHC I clients to the folding sensor UGGT1. Here, TAPBPR is essential to promote UGGT1-catalyzed reglucosylation of the N-linked glycan, giving MHC I a second chance to be loaded with an optimal peptide cargo in the peptide loading complex.
A risk based assessment approach for chemical mixtures from wastewater treatment plant effluents
(2022)
In this study, 56 effluent samples from 52 European wastewater treatment plants (WWTPs) were investigated for the occurrence of 499 emerging chemicals (ECs) and their associated potential risks to the environment. The two main objectives were (i) to extend our knowledge on chemicals occurring in treated wastewater, and (ii) to identify and prioritize compounds of concern based on three different risk assessment approaches for the identification of consensus mixture risk drivers of concern. Approaches include (i) PNEC and EQS-based regulatory risk quotients (RQs), (ii) species sensitivity distribution (SSD)-based hazard units (HUs) and (iii) toxic units (TUs) for three biological quality elements (BQEs) algae, crustacean, and fish.
For this purpose, solid-phase extracts were analysed with wide-scope chemical target screening via liquid chromatography high-resolution mass spectrometry (LC-HRMS), resulting in 366 detected compounds, with concentrations ranging from < 1 ng/L to > 100 µg/L. The detected chemicals were categorized with respect to critical information relevant for risk assessment and management prioritization including: (1) frequency of occurrence, (2) measured concentrations, (3) use groups, (4) persistence & bioaccumulation, and (5) modes of action. A comprehensive assessment using RQ, HU and TU indicated exceedance of risk thresholds for the majority of effluents with RQ being the most sensitive metric. In total, 299 out of the 366 compounds were identified as mixture risk contributors in one of the approaches, while 32 chemicals were established as consensus mixture risk contributors of high concern, including a high percentage (66%) of pesticides and biocides. For samples which have passed an advanced treatment using ozonation or activated carbon (AC), consistently much lower risks were estimated.
Riboswitches are gene regulatory elements located in untranslated mRNA regions. They bind inducer molecules with high affinity and specificity. Cyclic-di-nucleotide-sensing riboswitches are major regulators of genes for the environment, membranes and motility (GEMM) of bacteria. Up to now, structural probing assays or crystal structures have provided insight into the interaction between cyclic-di-nucleotides and their corresponding riboswitches. ITC analysis, NMR analysis and computational modeling allowed us to gain a detailed understanding of the gene regulation mechanisms for the Cd1 (Clostridium difficile) and for the pilM (Geobacter metallireducens) riboswitches and their respective di-nucleotides c-di-GMP and c-GAMP. Binding capability showed a 25 nucleotide (nt) long window for pilM and a 61 nt window for Cd1. Within this window, binding affinities ranged from 35 μM to 0.25 μM spanning two orders of magnitude for Cd1 and pilM showing a strong dependence on competing riboswitch folds. Experimental results were incorporated into a Markov simulation to further our understanding of the transcriptional folding pathways of riboswitches. Our model showed the ability to predict riboswitch gene regulation and its dependence on transcription speed, pausing and ligand concentration.
A toolbox for the generation of chemical probes for Baculovirus IAP Repeat containing proteins
(2022)
E3 ligases constitute a large and diverse family of proteins that play a central role in regulating protein homeostasis by recruiting substrate proteins via recruitment domains to the proteasomal degradation machinery. Small molecules can either inhibit, modulate or hijack E3 function. The latter class of small molecules led to the development of selective protein degraders, such as PROTACs (PROteolysis TArgeting Chimeras), that recruit protein targets to the ubiquitin system leading to a new class of pharmacologically active drugs and to new therapeutic options. Recent efforts have focused on the E3 family of Baculovirus IAP Repeat (BIR) domains that comprise a structurally conserved but diverse 70 amino acid long protein interaction domain. In the human proteome, 16 BIR domains have been identified, among them promising drug targets such as the Inhibitors of Apoptosis (IAP) family, that typically contain three BIR domains (BIR1, BIR2, and BIR3). To date, this target area lacks assay tools that would allow comprehensive evaluation of inhibitor selectivity. As a consequence, the selectivity of current BIR domain targeting inhibitors is unknown. To this end, we developed assays that allow determination of inhibitor selectivity in vitro as well as in cellulo. Using this toolbox, we have characterized available BIR domain inhibitors. The characterized chemical starting points and selectivity data will be the basis for the generation of new chemical probes for IAP proteins with well-characterized mode of action and provide the basis for future drug discovery efforts and the development of PROTACs and molecular glues.
Despite intensive research, glioblastoma remains almost invariably fatal. Various promising drugs targeting specific aspects of glioma biology, in addition to or as an alternative to antiproliferative chemotherapy, were not successful in larger clinical trials. Further insights into the biology of glioma and the mechanisms behind the evasive-adaptive response to targeted therapies is needed to help identify new therapeutic targets, prognostics, or predictive biomarkers. As a modulator of the canonically oncogenic Rho-GTPase pathway, Lipid phosphate phosphatase-related protein type 5 (LPPR5) is pivotal in influencing growth, angiogenesis, and therapeutic resistance. We used a GL261 murine orthotopic allograft glioma model to quantify the tumor growth and to obtain tissue for histological and molecular analysis. Epicortical intravital epi-illumination fluorescence video microscopy of the tumor cell spheroids was used to characterize the neovascular architecture and hemodynamics. GL261-glioma growth was delayed and decelerated after LPPR5 overexpression (LPPR5OE). We observed increased tumor cell apoptosis and decreased expression and secretion of vascular endothelial growth factor A in LPPR5OE glioma. Hence, an altered micro-angioarchitecture consisting of dysfunctional small blood vessels was discovered in the LPPR5OE tumors. Sunitinib therapy eliminated these vessels but had no effect on tumor growth or apoptosis. In general, LPPR5 overexpression generated a more benign, proapoptotic glioma phenotype with delayed growth and a dysfunctional vascular architecture.
To better understand the role of sphingolipids in the multifactorial process of inflammatory bowel disease (IBD), we elucidated the role of CerS4 in colitis and colitis-associated cancer (CAC). For this, we utilized the azoxymethane/dextran sodium sulphate (AOM/DSS)-induced colitis model in global CerS4 knockout (CerS4 KO), intestinal epithelial (CerS4 Vil/Cre), or T-cell restricted knockout (CerS4 LCK/Cre) mice. CerS4 KO mice were highly sensitive to the toxic effect of AOM/DSS, leading to a high mortality rate. CerS4 Vil/Cre mice had smaller tumors than WT mice. In contrast, CerS4 LCK/Cre mice frequently suffered from pancolitis and developed more colon tumors. In vitro, CerS4-depleted CD8+ T-cells isolated from the thymi of CerS4 LCK/Cre mice showed impaired proliferation and prolonged cytokine production after stimulation in comparison with T-cells from WT mice. Depletion of CerS4 in human Jurkat T-cells led to a constitutively activated T-cell receptor and NF-κB signaling pathway. In conclusion, the deficiency of CerS4 in T-cells led to an enduring active status of these cells and prevents the resolution of inflammation, leading to a higher tumor burden in the CAC mouse model. In contrast, CerS4 deficiency in epithelial cells resulted in smaller colon tumors and seemed to be beneficial. The higher tumor incidence in CerS4 LCK/Cre mice and the toxic effect of AOM/DSS in CerS4 KO mice exhibited the importance of CerS4 in other tissues and revealed the complexity of general targeting CerS4.
MicroRNAs have been projected as promising tools for diagnostic and prognostic purposes in cancer. More recently, they have been highlighted as RNA therapeutic targets for cancer therapy. Though miRs perform a generic function of post-transcriptional gene regulation, their utility in RNA therapeutics mostly relies on their biochemical nature and their assembly with other macromolecules. Release of extracellular miRs is broadly categorized into two different compositions, namely exosomal (extracellular vesicles) and non-exosomal. This nature of miRs not only affects the uptake into target cells but also poses a challenge and opportunity for RNA therapeutics in cancer. By virtue of their ability to act as mediators of intercellular communication in the tumor microenvironment, extracellular miRs perform both, depending upon the target cell and target landscape, pro- and anti-tumor functions. Tumor-derived miRs mostly perform pro-tumor functions, whereas host cell- or stroma-derived miRs are involved in anti-tumor activities. This review deals with the recent understanding of exosomal and non-exosomal miRs in the tumor microenvironment, as a tool for pro- and anti-tumor activity and prospective exploit options for cancer therapy.
Hepatocellular carcinoma (HCC) is the most frequent type of primary liver cancer. Low numbers of HCC patients being suitable for liver resection or transplantation and multidrug resistance development during pharmacotherapy leads to high death rates for HCC patients. Understanding the molecular mechanisms of HCC etiology may contribute to the development of novel therapeutic strategies for prevention and treatment of HCC. UDP-glucose ceramide glycosyltransferase (UGCG), a key enzyme in glycosphingolipid metabolism, generates glucosylceramide (GlcCer), which is the precursor for all glycosphingolipids (GSLs). Since UGCG gene expression is altered in 0.8% of HCC tumors, GSLs may play a role in cellular processes in liver cancer cells. Here, we discuss the current literature about GSLs and their abundance in normal liver cells, Gaucher disease and HCC. Furthermore, we review the involvement of UGCG/GlcCer in multidrug resistance development, globosides as a potential prognostic marker for HCC, gangliosides as a potential liver cancer stem cell marker, and the role of sulfatides in tumor metastasis. Only a limited number of molecular mechanisms executed by GSLs in HCC are known, which we summarize here briefly. Overall, the role GSLs play in HCC progression and their ability to serve as biomarkers or prognostic indicators for HCC, requires further investigation.
Insects with aquatic life stages can transfer sediment and water pollutants to terrestrial ecosystems, which has been described for metals, polyaromatic hydrocarbons, and polychlorinated chemicals. However, knowledge of the transfer of aquatic micropollutants released by wastewater treatment plants is scarce despite some preliminary studies on their occurrence in riparian spiders. In our study, we address a major analytical gap focusing on the transfer of the micropollutant carbamazepine from the larvae to the adult midges of Chironomus riparius using an optimized QuEChERS extraction method and HPLC–MS/MS applicable to both life stages down to the level of about three individuals. We show that the uptake of carbamazepine by larvae is concentration-dependent and reduces the emergence rate. Importantly, the body burden remained constant in adult midges. Using this information, we estimated the daily exposure of insectivorous tree swallows as terrestrial predators to carbamazepine using the energy demand of the predator and the energy content of the prey. Assuming environmentally relevant water concentrations of about 1 μg/L, the daily dose per kilogram of body weight for tree swallows was estimated to be 0.5 μg/kg/day. At places of high water contamination of 10 μg/L, the exposure may reach 5 μg/kg/day for this micropollutant of medium polarity. Considering body burden changes upon metamorphosis, this study fills the missing link between aquatic contamination and exposure in terrestrial habitats showing that wastewater pollutants can impact birds’ life. Clearly, further analytical methods for biota analysis in both habitats are urgently required to improve risk assessment.
Aqueous solutions of a nonionic surfactant (either Tween20 or BrijL23) and an anionic surfactant (sodium dodecyl sulfate, SDS) are investigated, using small-angle neutron scattering (SANS). SANS spectra are analysed by using a core-shell model to describe the form factor of self-assembled surfactant micelles; the intermicellar interactions are modelled by using a hard-sphere Percus–Yevick (HS-PY) or a rescaled mean spherical approximation (RMSA) structure factor. Choosing these specific nonionic surfactants allows for comparison of the effect of branched (Tween20) and linear (BrijL23) surfactant headgroups, both constituted of poly-ethylene oxide (PEO) groups. The nonionic–anionic surfactant mixtures are studied at various concentrations up to highly concentrated samples (ϕ ≲ 0.45) and various mixing ratios, from pure nonionic to pure anionic surfactant solutions. The scattering data reveal the formation of mixed micelles already at concentrations below the critical micelle concentration of SDS. At higher volume fractions, excluded volume effects dominate the intermicellar structuring, even for charged micelles. In consequence, at high volume fractions, the intermicellar structuring is the same for charged and uncharged micelles. At all mixing ratios, almost spherical mixed micelles form. This offers the opportunity to create a system of colloidal particles with a variable surface charge. This excludes only roughly equimolar mixing ratios (X≈ 0.4–0.6) at which the micelles significantly increase in size and ellipticity due to specific sulfate–EO interactions.
11,12-Dihydrodibenzo[c,g]-1,2-diazocines have been established as a viable alternative to azobenzene for photoswitching, in particular, as they show an inverted switching behavior: the ground state is the Z isomer. In this paper, we present an improved method to obtain dibenzodiazocine and its derivatives from the respective 2-nitrotoluenes in two reaction steps, each proceeding in minutes. This fast access to a variety of derivatives permitted the study of substitution effects on the synthesis and on the photochemical properties. With biochemical applications in mind, methanol was chosen as a protic solvent system for the photochemical investigations. In contrast to the azobenzene system, none of the tested substitution patterns resulted in more efficient switching or in significantly prolonged half-lives, showing that the system is dominated by the ring strain.
Background: Transition metals play a crucial role in brain metabolism: since they exist in different oxidation states they are involved in ROS generation, but they are also co-factors of enzymes in cellular energy metabolism or oxidative defense. Methods: Paired serum and cerebrospinal fluid (CSF) samples were analyzed for iron, zinc, copper and manganese as well as for speciation using SEC-ICP-DRC-MS. Brain extracts from Mn-exposed rats were additionally analyzed with SEC-ICP-DRC-MS. Results: The concentration patterns of transition metal size fractions were correlated between serum and CSF: Total element concentrations were significantly lower in CSF. Fe-ferritin was decreased in CSF whereas a LMW Fe fraction was relatively increased. The 400–600 kDa Zn fraction and the Cu-ceruloplasmin fraction were decreased in CSF, by contrast the 40–80 kDa fraction, containing Cu- and Zn-albumin, relatively increased. For manganese, the α-2-macroglobulin fraction showed significantly lower concentration in CSF, whereas the citrate Mn fraction was enriched. Results from the rat brain extracts supported the findings from human paired serum and CSF samples. Conclusions: Transition metals are strictly controlled at neural barriers (NB) of neurologic healthy patients. High molecular weight species are down-concentrated along NB, however, the Mn-citrate fraction seems to be less controlled, which may be problematic under environmental load.
Although overexpression and hyperactivity of protein kinases are causative for a wide range of human cancers, protein kinase inhibitors currently approved as cancer drugs address only a limited number of these enzymes. To identify new chemotypes addressing alternative protein kinases, the basic structure of a known PLK1/VEGF-R2 inhibitor class was formally dissected and reassembled. The resulting 7-(2-anilinopyrimidin-4-yl)-1-benzazepin-2-ones were synthesized and proved to be dual inhibitors of Aurora A kinase and VEGF receptor kinases. Crystal structures of two representatives of the new chemotype in complex with Aurora A showed the ligand orientation in the ATP binding pocket and provided the basis for rational structural modifications. Congeners with attached sulfamide substituents retained Aurora A inhibitory activity. In vitro screening of two members of the new kinase inhibitor family against the cancer cell line panel of the National Cancer Institute (NCI) showed antiproliferative activity in the single-digit micromolar concentration range in the majority of the cell lines.
Fatty acid and polyketide synthases (FASs and PKSs) synthesize physiologically and pharmaceutically important products by condensation of acyl building blocks. The transacylation reaction catalyzed by acyl transferases (ATs) is responsible for the selection of acyl-CoA esters for further processing by FASs and PKSs. In this study, the AT domains of different multidomain (type I) PKS systems are kinetically described in their substrate selectivity, AT−Acyl carrier protein (ACP) domain-domain interaction and enzymatic kinetic properties. We observe that the ATs of modular PKSs, intricate protein complexes occurring in bacteria and responsible for the biosynthesis of bioactive polyketides, are significantly slower than ATs of mammalian FASs, reflecting the respective purpose of the biosynthetic pathways within the organism and their metabolic context. We further perform a mutational study on the kinetics of the AT−ACP interaction in the modular PKS 6-deoxyerythronolide B synthase (DEBS) and find a high plasticity in enzyme properties, which we explain by a high plasticity in AT−ACP recognition. Our study enlarges the understanding of ATs in its molecular properties and is similarly a call for thorough AT-centered PKS engineering strategies.
Die vorliegende Arbeit Zeitaufgelöste NMR-spektroskopische Untersuchung konformationeller Dynamiken in DNA G-Quadruplexen befasst sich mit der detaillierten biophysikalischen Untersuchung wichtiger strukturdynamischer Eigenschaften von nicht-kanonischen Nukleinsäure Sekundärstrukturelementen.
Im Genom aller eukaryotischer Lebewesen, insbesondere dem menschlichen Genom finden sich DNA-Sequenzabschnitte, die überdurchschnittlich Guanosin (G)-reich sind. Diese poly-G Abschnitte sind nicht zufällig im Genom verteilt, sondern häufen sich vermehrt in Genabschnitten, die besonders wichtig für die Regulation der Genexpression sind. G-reiche DNA-Sequenzen können unter geeigneten Umständen alternative Sekundärstrukturen ausbilden, die von der doppelsträngigen, kanonischen Watson-Crick Konformation abweichen. In Anwesenheit monovalenter Kationen können sich G-Nukleotide in einer Tetrade über Hoogsteen Interaktionen anlagern. Diese Tetraden können sich stapeln und dadurch sogenannte G-Quadruplexe (G4) ausbilden. Das menschliche cMYC Gen wird typischerweise als proto-Onkogen bezeichnet. Es kodiert für einen unspezifischen Transkriptionsfaktor, der bei einer Vielzahl von systematischen und soliden Tumorerkrankungen stark überexprimiert wird. Die zelluläre Konzentration des Genprodukts kann zu 90% über ein G4 cis-Element in der Promotorregion reguliert werden. Der cMYC G4 hat die Möglichkeit verschiedene Konformationen einzunehmen. Im Falle des cMYC G4 kann man zusätzliche, nicht-konventionelle Formen der konformationellen Isomerie finden. Zum einen gibt es die Möglichkeit, dass bei einem G4, der aus drei Tetraden und vier intramolekularen Strangabschnitten (dreistöckiger G4) besteht, einzelne Strangabschnitte mehr als drei konsekutive G-Nukleotide besitzen. Dadurch können sich Faltungs-Isomere bilden, die sich durch Verschieben des Strangs relativ zum verbleibenden dreistöckigen Tetradengerüst ergeben. Man spricht von G-Register Isomeren. Eine zweite Möglichkeit der Strukturisomerie ergibt sich, wenn in einer Nukleotidsequenz mehr als vier G-reiche Strangabschnitte aufeinander folgen. Jeweils vier dieser Strangabschnitte können in unterschiedlicher Weise kombiniert werden, um ein G4 Isomer auszubilden. In jedem dieser so zustande gekommenen G4 verbleibt ein (oder mehrere) G-reicher Strangabschnitt, der im konkreten Isomer nicht zur Faltung verwendet wird. Diese zusätzlichen G-Stränge werden daher auch Ersatzräder (engl. spare-tires) genannt; man erhält spare-tire Isomere.
Obwohl diese Formen des Polymorphismus, deren biologischer Kontext und die biophysikalischen Konsequenzen in Arbeiten von C. Burrows (2015) und A. Mittermaier (2016) erstmals umfassend beschrieben wurden, gab es bis zum Ausgangspunkt dieser Arbeit keine Kenntnisse über deren strukturelle Dynamik, den Faltungswegen und den zugrundeliegenden molekularen Mechanismen. Zeitaufgelöste Kernspinresonanz (engl. nuclear magnetic resonance, NMR) Spektroskopie ist eine bestens geeignete Methode, um die Dynamik von Biomakromolekülen mit atomarer Auflösung zu studieren. Um solche Experimente durchführen zu können, braucht es geeignete Herangehensweisen für die Präparation eines Nicht-Gleichgewichtszustands. In dieser Arbeit wird eine neu erarbeitete Strategie vorgestellt, die es erlaubt, Einblick in die Faltungs- und Umfaltungskinetiken eines dynamischen Konformations-Ensembles nicht-konventioneller Strukturisomere der cMYC G4 DNA-Sequenz zu erhalten.
Hierzu wurden photolabile Schutzgruppen (engl. Photocages) positionsspezifisch an bestimmten G-Nukleobasen (O6-(R)-NPE) angebracht. Die Schutzgruppen blockieren die Basenpaar-Interaktionen des Nukleotids, wodurch dieses sich nicht mehr an einer Tetradenbildung beteiligen kann. Die Photocages wurden jeweils an den Nukleotiden eingeführt, die nur in jeweils einem der G-Register Isomere an der Tetradenbildung beteiligt sind. Durch diese gezielte Destabilisierung konnten die Isomere getrennt und im gefalteten Zustand isoliert werden. Die so erhaltenen Konformationen wurden umfassend spektroskopisch charakterisiert. Der Ansatz, das konformationelle Gleichgewicht durch Photocages transient zu stören, wurde daraufhin weiterentwickelt. Mehrere Photocages wurden an Nukleobasen in zentraler Position einzelner G-Strangabschnitte angebracht. Dadurch konnte eine ausreichende Destabilisierung erreicht werden, die die Faltung jedweder G4 Strukturen unterbindet. Somit wurde ein ungefalteter Zustand erzeugt, der unter ansonsten frei wählbaren, physiologischen Bedingungen besteht. Durch in situ Photolyse der Schutzgruppen konnte so die Licht-induzierte G4 Faltung unter konstanten Puffer- und Temperaturbedingungen untersucht werden. Dieser Ansatz wurde auf die Untersuchung der Faltungswege, die zu verschiedenen spare-tire Isomeren führen, fokussiert.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass es insgesamt erstmalig gelungen ist, die Kinetiken der wesentlichen Faltungs- und Umfaltungswege entlang der konformationellen Energielandschaft des cMYC G4 Elements zu untersuchen. Das komplexe, dynamische Zusammenspiel aller relevanten, nicht-konventionellen isomeren G4 Strukturen konnte entworren und umfassend experimentell beschrieben werden. Der dafür weiterentwickelte Ansatz über konformationelle Selektion mit Hilfe photolabiler Schutzgruppen hat dabei experimentelle Einblicke erlaubt, die bislang nicht zugänglich waren. Die Strukturen und Faltungszustämde, die mit den chemisch modifizierten Oligonukleotiden erhalten und isoliert wurden, sind umfassend spektroskopisch untersucht worden. Die Anwendung verschiedener spektroskopischer Ansätze und deren Kombination mit weiteren biophysikalischen Methoden hat eine Methoden-unabhängige Validierung der erhaltenen kinetischen und thermodynamischen Daten ermöglicht.
Lead-optimization strategies for compounds targeting c-Myc G-quadruplex (G4) DNA are being pursued to develop anticancer drugs. Here, we investigate the structure-activity- relationship (SAR) of a newly synthesized series of molecules based on the pyrrolidine-substituted 5-nitro indole scaffold to target G4 DNA. Our synthesized series allows modulation of flexible elements with a structurally preserved scaffold. Biological and biophysical analyses illustrate that substituted 5-nitroindole scaffolds bind to the c-Myc promoter G-quadruplex. These compounds downregulate c-Myc expression and induce cell-cycle arrest in the sub-G1/G1 phase in cancer cells. They further increase the concentration of intracellular reactive oxygen species. NMR spectra show that three of the newly synthesized compounds interact with the terminal G-quartets (5′- and 3′-ends) in a 2 : 1 stoichiometry.
Glutathione has long been suspected to be the primary low molecular weight compound present in all cells promoting the oxidative protein folding, but twenty years ago it was found “not guilty”. Now, new surprising evidence repeats its request to be the “smoking gun” which reopens the criminal trial revealing the crucial involvement of this tripeptide.
Photoactivatable compounds for example photoswitches or photolabile protecting groups (PPGs, photocages) for spatiotemporal light control, play a crucial role in different areas of research. For each application, parameters such as the absorption spectrum, solubility in the respective media and/or photochemical quantum yields for several competing processes need to be optimized. The design of new photochemical tools therefore remains an important task. In this study, we exploited the concept of excited-state-aromaticity, first described by N. Colin Baird in 1971, to investigate a new class of photocages, based on cyclic, ground-state-antiaromatic systems. Several thio- and nitrogen-functionalized compounds were synthesized, photochemically characterized and further optimized, supported by quantum chemical calculations. After choosing the optimal scaffold, which shows an excellent uncaging quantum yield of 28 %, we achieved a bathochromic shift of over 100 nm, resulting in a robust, well accessible, visible light absorbing, compact new photocage with a clean photoreaction and a high quantum product (ϵ⋅Φ) of 893 M−1 cm−1 at 405 nm.
The family of phytochrome photoreceptors contains proteins with different domain architectures and spectral properties. Knotless phytochromes are one of the three main subgroups classified by their distinct lack of the PAS domain in their photosensory core module, which is in contrast to the canonical PAS-GAF-PHY array. Despite intensive research on the ultrafast photodynamics of phytochromes, little is known about the primary kinetics in knotless phytochromes. Here, we present the ultrafast Pr ⇆ Pfr photodynamics of SynCph2, the best-known knotless phytochrome. Our results show that the excited state lifetime of Pr* (~200 ps) is similar to bacteriophytochromes, but much longer than in most canonical phytochromes. We assign the slow Pr* kinetics to relaxation processes of the chromophore-binding pocket that controls the bilin chromophore’s isomerization step. The Pfr photoconversion dynamics starts with a faster excited state relaxation than in canonical phytochromes, but, despite the differences in the respective domain architectures, proceeds via similar ground state intermediate steps up to Meta-F. Based on our observations, we propose that the kinetic features and overall dynamics of the ultrafast photoreaction are determined to a great extent by the geometrical context (i.e., available space and flexibility) within the binding pocket, while the general reaction steps following the photoexcitation are most likely conserved among the red/far-red phytochromes.
The new class of microbial rhodopsins, called xenorhodopsins (XeRs),[1] extends the versatility of this family by inward H+ pumps.[2–4] These pumps are an alternative optogenetic tool to the light-gated ion channels (e.g. ChR1,2), because the activation of electrically excitable cells by XeRs is independent from the surrounding physiological conditions. In this work we functionally and spectroscopically characterized XeR from Nanosalina (NsXeR).[1] The photodynamic behavior of NsXeR was investigated on the ps to s time scale elucidating the formation of the J and K and a previously unknown long-lived intermediate. The pH dependent kinetics reveal that alkalization of the surrounding medium accelerates the photocycle and the pump turnover. In patch-clamp experiments the blue-light illumination of NsXeR in the M state shows a potential-dependent vectoriality of the photocurrent transients, suggesting a variable accessibility of reprotonation of the retinal Schiff base. Insights on the kinetically independent switching mechanism could furthermore be obtained by mutational studies on the putative intracellular H+ acceptor D220.
Chemical language models enable de novo drug design without the requirement for explicit molecular construction rules. While such models have been applied to generate novel compounds with desired bioactivity, the actual prioritization and selection of the most promising computational designs remains challenging. Herein, we leveraged the probabilities learnt by chemical language models with the beam search algorithm as a model-intrinsic technique for automated molecule design and scoring. Prospective application of this method yielded novel inverse agonists of retinoic acid receptor-related orphan receptors (RORs). Each design was synthesizable in three reaction steps and presented low-micromolar to nanomolar potency towards RORγ. This model-intrinsic sampling technique eliminates the strict need for external compound scoring functions, thereby further extending the applicability of generative artificial intelligence to data-driven drug discovery.
The repertoire of natural products offers tremendous opportunities for chemical biology and drug discovery. Natural product-inspired synthetic molecules represent an ecologically and economically sustainable alternative to the direct utilization of natural products. De novo design with machine intelligence bridges the gap between the worlds of bioactive natural products and synthetic molecules. On employing the compound Marinopyrrole A from marine Streptomyces as a design template, the algorithm constructs innovative small molecules that can be synthesized in three steps, following the computationally suggested synthesis route. Computational activity prediction reveals cyclooxygenase (COX) as a putative target of both Marinopyrrole A and the de novo designs. The molecular designs are experimentally confirmed as selective COX-1 inhibitors with nanomolar potency. X-ray structure analysis reveals the binding of the most selective compound to COX-1. This molecular design approach provides a blueprint for natural product-inspired hit and lead identification for drug discovery with machine intelligence.
Diversity-oriented synthesis (DOS) is a rich source for novel lead structures in Medicinal Chemistry. In this study, we present a DOS-compatible method for synthesis of compounds bearing a free thiol moiety. The procedure relies on Rh(II)-catalyzed coupling of dithiols to diazo building blocks. The synthetized library was probed against metallo-β-lactamases (MBLs) NDM-1 and VIM-1. Biochemical and biological evaluation led to identification of novel potent MBL inhibitors with antibiotic adjuvant activity.
The discovery of clustered regularly interspaced short palindromic repeats and their associated proteins (Cas) has revolutionized the field of genome and epigenome editing. A number of new methods have been developed to precisely control the function and activity of Cas proteins, including fusion proteins and small-molecule modulators. Proteolysis-targeting chimeras (PROTACs) represent a new concept using the ubiquitin-proteasome system to degrade a protein of interest, highlighting the significance of chemically induced protein-E3 ligase interaction in drug discovery. Here, we engineered Cas proteins (Cas9, dCas9, Cas12, and Cas13) by inserting a Phe-Cys-Pro-Phe (FCPF) amino acid sequence (known as the π-clamp system) and demonstrate that the modified CasFCPF proteins can be (1) labeled in live cells by perfluoroaromatics carrying the fluorescein or (2) degraded by a perfluoroaromatics-functionalized PROTAC (PROTAC-FCPF). A proteome-wide analysis of PROTAC-FCPF-mediated Cas9FCPF protein degradation revealed a high target specificity, suggesting a wide range of applications of perfluoroaromatics-induced proximity in the regulation of stability, activity, and functionality of any FCPF-tagging protein.
Liquid-jet photoelectron spectroscopy was applied to determine the first acid dissociation constant (pKa) of aqueous-phase glucose while simultaneously identifying the spectroscopic signature of the respective deprotonation site. Valence spectra from solutions at pH values below and above the first pKa reveal a change in glucose’s lowest ionization energy upon the deprotonation of neutral glucose and the subsequent emergence of its anionic counterpart. Site-specific insights into the solution-pH-dependent molecular structure changes are also shown to be accessible via C 1s photoelectron spectroscopy. The spectra reveal a considerably lower C 1s binding energy of the carbon site associated with the deprotonated hydroxyl group. The occurrence of photoelectron spectral fingerprints of cyclic and linear glucose prior to and upon deprotonation are also discussed. The experimental data are interpreted with the aid of electronic structure calculations. Our findings highlight the potential of liquid-jet photoelectron spectroscopy to act as a site-selective probe of the molecular structures that underpin the acid–base chemistry of polyprotic systems with relevance to environmental chemistry and biochemistry.
Designed polypharmacology presents as an attractive strategy to increase therapeutic efficacy in multi-factorial diseases by a directed modulation of multiple involved targets with a single molecule. Such an approach appears particularly suitable in non-alcoholic steatohepatitis (NASH) which involves hepatic steatosis, inflammation and fibrosis as pathological hallmarks. Among various potential pharmacodynamic mechanisms, activation of the farnesoid X receptor (FXRa) and inhibition of leukotriene A4 hydrolase (LTA4Hi) hold promise to counteract NASH according to preclinical and clinical observations. We have developed dual FXR/LTA4H modulators as pharmacological tools, enabling evaluation of this polypharmacology concept to treat NASH and related pathologies. The optimized FXRa/LTA4Hi exhibits well-balanced dual activity on the intended targets with sub-micromolar potency and is highly selective over related nuclear receptors and enzymes rendering it suitable as tool to probe synergies of dual FXR/LTA4H targeting.
Im Rahmen dieser kumulativen Dissertation konnte eine Methode mitentwickelt werden, die die Bestimmung der absoluten Konfiguration pharmazeutischer Verbindungen aus Röntgenpulverbeugungsdaten ermöglicht. Die Methode basiert auf der Bildung von Salzen. Die notwendige Herstellung dieser Salze mit Salzbildnern bekannter Konfiguration wurde hinsichtlich einer minimalen Ansatzgröße optimiert und erlaubt ein Arbeiten mit Mengen von unter zehn Mikrogramm. Die Kristallisation konnte sogar direkt in den Kapillaren für die Aufnahme der Pulverdiagramme durchgeführt werden. Die absolute Konfiguration einiger als Testfälle gewählter pharmazeutischer Wirkstoffe konnte auf diese Art erfolgreich bestimmt werden. Dies stellt eine erfolgreiche Erweiterung bisher verfügbarer Methoden dar.
1,1,3,3-Tetraethyl-5-nitroisoindolin (TENI) und 1,1,3,3-Tetraethyl-5-nitroisoindolin-2-oxyl (TENO) sind Zwischenstufen in der Synthese von RNS-Spinlabeln für die EPR-Spektroskopie. Die Kristallstrukturen beider Verbindungen konnten aus Einkristallbeugungsdaten bestimmt werden. TENI hat einen Schmelzpunkt nahe der Raumtemperatur. TENO hat dagegen einen wesentlich höheren Schmelzpunkt, obwohl das Molekül nur ein Sauerstoffatom zusätzlich hat. Die Kristallstruktur liefert die Erklärung für dieses Phänomen: In der Kristallstruktur von TENI findet sich als stärkste intermolekulare Wechselwirkung eine einzelne schwache, sehr lange Wasserstoffbrückenbindung.
6-Amino-2-iminiumyl-4-oxo-1,2,3,4-tetrahydropyrimidin-5-aminiumsulfat, ein Edukt der Synthese von Leukopterin konnte als Hydrat erhalten werden. Die Kristallstruktur dieses Monohydrats konnte problemlos bestimmt werden, ebenso wie die von synthetisiertem 4-Amino-2,6-dimethylpyrimidin.
Natriumethanolat wurde nach einer 180 Jahre alten Vorschrift von Liebig synthetisiert. Wie die Röntgenpulverdiagramme zeigen, bilden sich dabei jedoch Gemische von verschiedenen Phasen. Die Kristallstruktur von reinem NaOEt konnte aus Pulverdaten bestimmt werden. Ebenfalls wurden ein Diethanolsolvat sowie zwei weitere Phasen identifiziert. Vom Diethanolsolvat NaOEt · 2 HOEt konnten Einkristalle hergestellt und die Kristallstruktur aus diesen bestimmt werden. Die Kristallstrukturen von Natrium-n-propanolat (NaOnPr), Natrium-n-butanolat (NaOnBu) und Natrium-n-amylat (NaOnAm) konnten ebenfalls aus Pulverdaten aufgeklärt werden. Sie weisen ein ähnliches Na-O-Gitter wie Natriumethanolat auf, allerdings kristallisieren sie in der Raumgruppe P 4/n m m. Die abweichende Raumgruppe des NaOEt (P -4 21 m) liegt am sterischen Anspruch der Ethylgruppe. Die längeren Alkylgruppen sind hochgradig fehlgeordnet und somit im Mittel zylinderförmig. Die Ethylgruppe dagegen hat einen weniger symmetrischen Raumbedarf. Die Solvate der Alkalialkoholate wurden mit zunehmender Länge der Alkylketten instabiler. Nichtsdestotrotz konnten drei verschiedene Solvate hergestellt werden: NaOnPr · 2 HOnPr, NaOiPr · 5 HOiPr und NaOtAm · HOtAm. Ihre Kristallstrukturen konnten aus Einkristallbeugungsdaten bestimmt werden. In diesen Strukturen zeigen sich sehr unterschiedliche Strukturmotive, die teilweise die mögliche Existenz weiterer Solvatstufen andeuten.
Die industriellen Rotpigmente Pigment Red 52 und Pigment Red 48 wurden im Labor unter verschiedenen Bedingungen synthetisiert. Dabei wurden neben den kommerziell verfügbaren Phasen einige neue Phasen identifiziert. Erstmals konnten Kristallstrukturen von P.R.52 und P.R.48 bestimmt werden. Von Pigment Red 52 konnte ein bisher unbekanntes Mononatriumsalz hergestellt werden. Von diesem Salz konnte ein DMSO-Solvat-Monohydrat kristallisiert werden. Aus erhaltenen Einkristallen konnte die Struktur bestimmt werden. Von Pigment Red 48 konnte ebenfalls ein bisher nicht literaturbekanntes Mononatriumsalz isoliert werden. Von zwei Hydratstufen dieser Verbindung konnten Einkristalle hergestellt und ihre Kristallstrukturen bestimmt werden. Eine weitere Phase wurde als Anhydrat identifiziert. Vom Di-Natriumsalz des P.R.52 sowie von seinem Calciumsalz wurden insgesamt fünf verschiedene Hydratstufen gefunden. Die Kristallstrukturen dieser Hydrate konnten aus Röntgenpulverbeugungsdaten bestimmt werden. Von einer Hydratstufe konnte ebenfalls ein Einkristall erhalten und die Struktur bestätigt werden. Eine Veröffentlichung ist in Vorbereitung.
Die Isomere des Orangepigments Perinon werden nach gemeinsamer Synthese industriell durch Überführung in „Trennsalze“ getrennt. Weder die Molekülkonstitution der Trennsalz-Ionen, noch die chemische Zusammensetzung der Feststoffe, noch deren Kristallstrukturen waren bisher bekannt. Die industrielle Form des „trans-Trennsalzes“ konnte im Labor hergestellt werden. Eine weitere Phase des trans-Perinontrennsalzes konnte hergestellt und identifiziert werden. Durch die nachfolgende Einkristallstrukturanalyse zeigte sich, dass die Trennsalze eine völlig andere Molekülkonstitution haben, als in der Literatur beschrieben war: Statt eines planaren Perinongerüsts enthält das Trennsalz ein verdrehtes Bis(benzimidazolat)naphthalindicarboxylat-tetraanion, dessen Ladung durch Kalium-Kationen kompensiert wird. Das bisher nie als Feststoff beschriebene cis-Perinontrennsalz wurde hergestellt und kristallisiert. Es konnten Einkristalle hergestellt und die Kristallstruktur aus diesen bestimmt werden. Alle Perinontrennsalze enthalten im Kristallgitter eine beträchtliche Anzahl Wasser- und Ethanolmoleküle. Durch Festkörper-NMR-Spektroskopie konnte gezeigt werden, dass das Wasser-Ethanol-Netzwerk stark dynamisch ist. Bei der Hydrolyse der Trennsalze entstehen wieder die ursprünglichen, wasser- und lösungsmittelfreien Perinonpigmente.
2-Aminobenzimidazole 10, although a weak catalyst in the monomeric state, is a successful building block for effective artificial ribonucleases. In an effort to identify new building blocks with improved catalytic potential, RNA cleavage by a variety of heterocyclic amidines and guanidines has been studied. In addition to pKa values and steric effects, the energy difference between tautomeric forms seems to be another important parameter for catalysis. This information is available from quantum chemical calculations on higher levels, but semiempirical methods are sufficient to get a first estimate. According to this assumption, imidazoimidazol 18, characterized by isoenergetic tautomeric forms, is superior to 2-aminoimidazol 6, the best candidate among the simple compounds. By far the largest effects are seen with 2-aminoperimidine 24, which rapidly cleaves RNA even in the micromolar concentration range. The impressive reactivity, however, is related to a tendency of compound 24 to form polycationic aggregates which are the actual catalysts.
The absolute-scale electronic energetics of liquid water and aqueous solutions, both in the bulk and at associated interfaces, are the central determiners of water-based chemistry. However, such information is generally experimentally inaccessible. Here we demonstrate that a refined implementation of the liquid microjet photoelectron spectroscopy (PES) technique can be adopted to address this. Implementing concepts from condensed matter physics, we establish novel all-liquid-phase vacuum and equilibrated solution–metal-electrode Fermi level referencing procedures. This enables the precise and accurate determination of previously elusive water solvent and solute vertical ionization energies, VIEs. Notably, this includes quantification of solute-induced perturbations of water's electronic energetics and VIE definition on an absolute and universal chemical potential scale. Defining and applying these procedures over a broad range of ionization energies, we accurately and respectively determine the VIE and oxidative stability of liquid water as 11.33 ± 0.03 eV and 6.60 ± 0.08 eV with respect to its liquid-vacuum-interface potential and Fermi level. Combining our referencing schemes, we accurately determine the work function of liquid water as 4.73 ± 0.09 eV. Further, applying our novel approach to a pair of exemplary aqueous solutions, we extract absolute VIEs of aqueous iodide anions, reaffirm the robustness of liquid water's electronic structure to high bulk salt concentrations (2 M sodium iodide), and quantify reference-level dependent reductions of water's VIE and a 0.48 ± 0.13 eV contraction of the solution's work function upon partial hydration of a known surfactant (25 mM tetrabutylammonium iodide). Our combined experimental accomplishments mark a major advance in our ability to quantify electronic–structure interactions and chemical reactivity in liquid water, which now explicitly extends to the measurement of absolute-scale bulk and interfacial solution energetics, including those of relevance to aqueous electrochemical processes.
Plastic products leach chemicals that induce in vitro toxicity under realistic use conditions
(2021)
Plastic products contain complex mixtures of extractable chemicals that can be toxic. However, humans and wildlife will only be exposed to plastic chemicals that are released under realistic conditions. Thus, we investigated the toxicological and chemical profiles leaching into water from 24 everyday plastic products covering eight polymer types. We performed migration experiments over 10 days at 40 °C and analyzed the migrates using four in vitro bioassays and nontarget high-resolution mass spectrometry (UPLC-QTOF-MSE). All migrates induced baseline toxicity, 22 an oxidative stress response, 13 antiandrogenicity, and one estrogenicity. Overall, between 17 and 8681 relevant chemical features were present in the migrates. In other words, between 1 and 88% of the plastic chemicals associated with one product were migrating. Further, we tentatively identified ∼8% of all detected features implying that most plastic chemicals remain unknown. While low-density polyethylene, polyvinyl chloride, and polyurethane induced most toxicological endpoints, a generalization for other materials is not possible. Our results demonstrate that plastic products readily leach many more chemicals than previously known, some of which are toxic in vitro. This highlights that humans are exposed to many more plastic chemicals than currently considered in public health science and policies.
Redirection of the transcription factor SP1 to AT rich binding sites by a synthetic adaptor molecule
(2021)
The ubiquitous transcription factor SP1 binds to a GC rich consensus sequence. Here we describe an adaptor molecule that mediates binding of SP1 to a non-cognate DNA site rich in AT. The adaptor is comprised of a Dervan-type hairpin polyamide with high affinity to an AT rich hexamer duplex. It also carries a 27mer DNA that contains the SP1 consensus sequence. The synthesis and purification of the polyamide-DNA conjugate is reported. Pulldown experiments and western blot analysis demonstrate adaptor mediated binding of SP1 to the hexamer duplex TTGTTA.
KdpFABC, a high-affinity K+ pump, combines the ion channel KdpA and the P-type ATPase KdpB to secure survival at K+ limitation. Here, we apply a combination of cryo-EM, biochemical assays, and MD simulations to illuminate the mechanisms underlying transport and the coupling to ATP hydrolysis. We show that ions are transported via an intersubunit tunnel through KdpA and KdpB. At the subunit interface, the tunnel is constricted by a phenylalanine, which, by polarized cation-π stacking, controls K+ entry into the canonical substrate binding site (CBS) of KdpB. Within the CBS, ATPase coupling is mediated by the charge distribution between an aspartate and a lysine. Interestingly, individual elements of the ion translocation mechanism of KdpFABC identified here are conserved among a wide variety of P-type ATPases from different families. This leads us to the hypothesis that KdpB might represent an early descendant of a common ancestor of cation pumps.
2D NOESY plays a central role in structural NMR spectroscopy. We have recently discussed methods that rely on solvent-driven exchanges to enhance NOE correlations between exchangeable and non-exchangeable protons in nucleic acids. Such methods, however, fail when trying to establish connectivities within pools of labile protons. This study introduces an alternative that also enhances NOEs between such labile sites, based on encoding a priori selected peaks by selective saturations. The resulting selective magnetization transfer (SMT) experiment proves particularly useful for enhancing the imino–imino cross-peaks in RNAs, which is a first step in the NMR resolution of these structures. The origins of these enhancements are discussed, and their potential is demonstrated on RNA fragments derived from the genome of SARS-CoV-2, recorded with better sensitivity and an order of magnitude faster than conventional 2D counterparts.
The glidobactin-like natural products (GLNPs) glidobactin A and cepafungin I have been reported to be potent proteasome inhibitors and are regarded as promising candidates for anticancer drug development. Their biosynthetic gene cluster (BGC) plu1881–1877 is present in entomopathogenic Photorhabdus laumondii but silent under standard laboratory conditions. Here we show the largest subset of GLNPs, which are produced and identified after activation of the silent BGC in the native host and following heterologous expression of the BGC in Escherichia coli. Their chemical diversity results from a relaxed substrate specificity and flexible product release in the assembly line of GLNPs. Crystal structure analysis of the yeast proteasome in complex with new GLNPs suggests that the degree of unsaturation and the length of the aliphatic tail are critical for their bioactivity. The results in this study provide the basis to engineer the BGC for the generation of new GLNPs and to optimize these natural products resulting in potential drugs for cancer therapy.
Photoacids attract increasing scientific attention, as they are valuable tools to spatiotemporally control proton-release reactions and pH values of solutions. We present the first time-resolved spectroscopic study of the excited state and proton-release dynamics of prominent merocyanine representatives. Femtosecond transient absorption measurements of a pyridine merocyanine with two distinct protonation sites revealed dissimilar proton-release mechanisms: one site acts as a photoacid generator as its pKa value is modulated in the ground state after photoisomerization, while the other functions as an excited state photoacid which releases its proton within 1.1 ps. With a pKa drop of 8.7 units to −5.5 upon excitation, the latter phenolic site is regarded a super-photoacid. The 6-nitro derivative exhibits only a phenolic site with similar, yet slightly less photoacidic characteristics and both compounds transfer their proton to methanol and ethanol. In contrast, for the related 6,8-dinitro compound an intramolecular proton transfer to the ortho-nitro group is suggested that is involved in a rapid relaxation into the ground state.