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.