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A Large Ion Collider Experiment (ALICE) is one of the four large experiments at the Large Hadron Collider (LHC) at the European Organization for Particle Physics (CERN). ALICE focuses on the physics of the strong interaction and in particular on the Quark-Gluon Plasma. This is a state of matter in which quarks are de-confined. It is believed that it existed in the earliest moments of the evolution of the universe. The ALICE detector studies the products of the collisions between heavy-nuclei, between protons, and between protons and heavy-nuclei. The sub-detector closest to the interaction point is the Inner Tracking System (ITS), which is used to measure the momentum and trajectory of the particles generated by the collisions and allows reconstructing primary and secondary interaction vertices. The ITS needs to have an accurate spatial resolution, together with a low material budget to limit the effect of multiple scattering on low-energetic particles to precisely reconstruct their trajectory. During the Long Shutdown 2 (2019-2020) of the LHC, the current ITS will be replaced by a completely redesigned sub-detector, which will improve readout rate and particle tracking performance especially at low-momentum.
The ALice PIxel DEtector (ALPIDE) chip was designed to meet the requirements of the upgraded ITS in terms of resolution, material budget, radiation hardness, and readout rate. The ALPIDE chip is a Monolithic Active Pixel Sensor (MAPS) realised in Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) technology. Sensing element, analogue front-end, and its digital readout are integrated into the same silicon die. The readout architecture of the new ITS foresees that data is transmitted via a high-speed serial link directly from the ALPIDE to the off-detector electronics. The data is transmitted off-chip by a so-called Data Transmission Unit (DTU) which needs to be tolerant to Single-Event Effects induced by radiation, in order to guarantee reliable operation. The ALPIDE chip will operate in a radiation field with a High-Energy Hadron peak flux of 7.7·10^5 cm^-2s^-1.
The data are sent by the ALPIDE on copper cables to the readout system, which aggregates them and re-transmits them via optical fibres to the counting room. The position where the readout electronics will be placed is constrained by the maximum transmission distance reasonably achievable by the ALPIDE Data Transmission Unit and mechanical constraints of the ALICE experiment. The radiation field at that location is not negligible for its effects on electronics: the high-energy hadrons flux can reach 10^3 cm^-2s^-1. Static RAM (SRAM)-based Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are favoured over Application Specific Integrated Circuits (ASICs) or Radiation Hard by Design (RHBD) commercial devices because of cost effectiveness. Moreover, SRAM-based FPGAs are re-configurable and provide the data throughput required by the ITS. The main issue with SRAM-based FPGAs, for the intended application, is the susceptibility of their Configuration RAM (CRAM) to Single-Event Upsets: the number of CRAM bits is indeed much higher than the logic they configure. Total Ionizing Dose (TID) at the readout designed position is indeed still acceptable for Component Off The Shelf (COTS), provided that proper verification is carried out.
This dissertation focuses on two parts of the design of the readout system: the Data Transmission Unit of the ALPIDE chip and the design of fundamental modules for the SRAM-based FPGA of the readout electronics. In the first part, a module of the Data Transmission Unit is designed, optimising the trade-off between power consumption, radiation tolerance, and jitter performance. The design was tested and thoroughly characterised, including tests while under irradiation with a 30 MeV protons. Furthermore the Data Transmission Unit performance was validated after the integration into the first prototypes of ITS modules. In the second part, the problem of developing a radiation-tolerant SRAM-based FPGA design is investigated and a solution is provided. First, a general methodology for designing radiation-tolerant Finite State Machines in SRAM-based FPGAs is analysed, implemented, and verified. Later, the radiation-tolerant FPGA design for the ITS readout is described together with the radiation effects mitigation techniques that were selectively applied to the different modules. The design was tested with multiple irradiation tests and the results are stated below.
Proteine sind die Maschinen der Zellen. Um die Funktionalität von zahlreichen zellulären Prozessen zu gewährleisten, müssen Kommunikationssignale innerhalb von Proteinen weitergeleitet werden. Die Weiterleitung einer Störung an einem Ort im Protein zu einer entfernten Stelle, an welcher sie strukturelle und/oder dynamische Änderungen auslöst, wird Allosterie genannt. Zunächst wurde Allosterie hauptsächlich mit großräumigen Konformationsänderungen in Verbindung gebracht, aber später entwickelte sich ein dynamischerer Blickwinkel auf Allosterie in Abwesenheit dieser großräumigen Konformationsänderungen. Die Idee eines allosterischen Pfades bestehend aus konservierten und energetisch gekoppelten Aminosäuren, welche die Signalweiterleitung zwischen entfernten Stellen im Protein vermitteln, entstand. Diese allosterischen Pfade wurden durch zahlreiche theoretische Studien in Zusammenhang mit Pfaden effizienten anisotropen Energieflusses gebracht. Der Energiefluss entlang dieser Netzwerke verknüpft allosterische Signalübertragung mit Schwingungsenergietransfer (VET - vibrational energy transfer). Die Großzahl der Forschungsarbeiten über dynamische Allosterie basiert auf theoretischen Methoden, weil nur wenige geeignete experimentelle Verfahren existieren. Um diesen essentiellen biologischen Prozess der Informationsübertragung besser verstehen zu können, ist die Entwicklung neuer und leistungsstarker experimenteller Instrumente und Techniken daher dringend erforderlich. Die vorliegende Dissertation setzt sich dies zum Ziel.
VET in Proteinen ist aufgrund der Proteingeometrie inhärent anisotrop. Alle globulären Proteine besitzen Kanäle effizienten Energieflusses, von denen vermutet wird, dass sie wichtig für Proteinfunktionen, wie die schnelle Ableitung von überschüssiger Wärme, Ligandenbindung und allosterische Signalweiterleitung, sind. VET kann mit zeitaufgelöster Infrarot (IR) Spektroskopie untersucht werden, bei welcher ein Femtosekunden Anregepuls eines Lasers Schwingungsenergie in ein molekulares System an einer bestimmten Stelle injiziert und ein, nach einem veränderbarem Zeitintervall folgender, IR Abfragepuls die Ausbreitung dieser Schwingungsenergie detektiert. Ein protein-kompatibler und universell einsetzbarer Chromophor, der die Energie eines sichtbaren Photons in Schwingungsenergie konvertiert, wird als Heizelement benötigt um langreichweitige VET Pfade in Proteinen kartieren zu können. Der Azulen (Azu) Chromophor eignet sich dafür, weil er nach Photoanregung des ersten elektronischen Zustandes durch ultraschnelle interne Konversion fast die gesamte injizierte Energie innerhalb von einer Picosekunde in Schwingungsenergie umwandelt. Eingebettet in die nicht-kanonische Aminosäure (ncAA - non-canonical amino acid) ß-(1-Azulenyl)-L-Alanine (AzAla), kann der Azu Rest in Proteine eingebaut werden. Die Ankunft der injizierten Schwingungsenergie an einer bestimmten Stelle im Protein kann mithilfe eines IR Sensors detektiert werden. Die Kombination aus Azu als VET Heizelement und Azidohomoalanine (Aha) als VET Sensor mit transienter IR (TRIR) Spektroskopie wurde schon erfolgreich an kleinen Peptiden in der Dissertation von H. M. Müller-Werkmeister getestet, die der vorliegenden Dissertation in den Laboren der Bredenbeck Gruppe vorausging.
Die Schwingungsfrequenz chemischer Bindungen ist hochempfindlich auf selbst kleine Änderungen der Konformation und Dynamik in der unmittelbaren Umgebung und kann mit IR Spektroskopie gemessen werden, z. B. mit Fourier Transform IR (FTIR) Spektroskopie. IR Spektroskopie bietet eine außergewöhnlich gute Zeitauflösung, die es ermöglicht, dynamische Prozesse in Molekülen auf einer Zeitskala von wenigen Picosekunden zu beobachten, wie z. B. die ultraschnelle Weiterleitung von Schwingungsenergie. Mit zweidimensionaler (2D)-IR Spektroskopie können die Relaxation von schwingungsangeregten Zuständen und strukturelle Fluktuationen um die schwingende Bindung untersucht werden. Allerdings geht die herausragende Zeitauflösung mit limitierter spektraler Auflösung einher. In größeren Molekülen mit zahlreichen Bindungen überlagern sich die Schwingungsbanden und die Ortsauflösung geht verloren. Um diese Limitierung zu überwinden, können IR Marker benutzt werden, chemische Gruppen, die in einer spektral durchsichtigen Region des Protein/Wasser Spektrums (1800 bis 2500 cm-1) absorbieren. Als ncAA können sie kotranslational in Proteine an einer gewünschten Stelle eingebaut werden und so ortsspezifische Informationen aus dem Proteininneren liefern. Aufgrund ihrer geringen Größe, eines relativ großen Extinktionskoeffizientens (350-400 M-1cm-1) und einer hohen Empfindlichkeit auf Änderungen in der lokalen Umgebung sind organische Azide (N3) wie zum Beispiel Aha besonders geeignete IR Marker. Aha kann als Methionin Analogon ins Protein eingebaut werden.
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Photorhabdus and Xenorhabdus bacteria live in a highly specific symbiosis with nematodes that belong to the genus of Heterorhabditis and Steinernema, respectively. These cruiser type nematodes actively search for soil-dwelling insects and infect them via natural openings. Inside of the insect, the bacteria are released into the hemocoel where they start producing an array of secondary metabolites to bypass the insect immune system and kill the prey within 48 hours. Many of those natural products possess bioactivities against other bacteria, fungi, protozoa or insects, which makes them interesting candidates for pharmaceutical applications. Even though advanced molecular biological methods in combination with bioinformatics tools can now be used to predict biosynthetic gene clusters (BGCs) and their products, there are still many BGCs with unknown products. Even for the plethora of natural products that were successfully identified in the last couple of years, the exact ecological function often remains elusive, as laboratory conditions can vary considerably from the natural environment of the bacteria. Knowledge about the natural conditions that stimulate, or repress production of certain natural products and their underlying regulatory mechanisms yield new approaches for natural product research and enables possibilities for selective manipulations of the regulatory cascades.
The overarching goal of this work was to examine the regulatory networks in Photorhabdus and Xenorhabdus strains. The first part of this work focused on the Hfq-dependent regulation of specialized metabolite production. In those genera, the RNA chaperone, Hfq, represses expression of hexA, which encodes for a global transcriptional regulator that acts as the master repressor for SM production. Multiple global approaches were used to identify the sRNA ArcZ, which targets a specific region in the 5’-untranslated region of the hexA mRNA and ultimately guides Hfq in order to repress its expression. It was shown that a deletion of arcZ led to a drastic reduction of SM production in Photorhabdus and Xenorhabdus, consistent with the phenotype of their respective hfq deletion mutants. Transcriptomic profiling revealed far-reaching effects on the transcriptome, with up to 735 coding sequences significantly affected in the arcZ deletion strain. Finally, it was shown that the resulting chemical background, devoid of SMs, in combination with targeted promotor exchange can be used to exclusively overproduce a desired natural product, representing an alternative route of genetic manipulation.
The second part of this work focused on the influence and identification of insect related compounds that affect SM production in P. laumondii, X. szentirmaii and X. nematophila. Insect homogenate was generated from G. mellonella larvae, a model host for these bacteria. Supplementation of the cultivation medium with homogenate induced considerable shifts in the SM profiles of those bacteria. A global effect on the transcriptional output was determined by transcriptomic profiling. The core response to the simulation of an insect environment consisted of ten CDS, eight of which are involved in the degradation of fatty acids or the import of maltose and maltodextrin into the cells. Two abundant components in the insect homogenate, trehalose and putrescin, were added to the cultivation medium of those strains and subsequent HPLC-MS analysis revealed a direct correlation of their concentration in the medium and the production titres of certain SMs. These results indicated that the bacteria sense the insect environment via different insect specific components in order to initiate a metabolic adjustment, which is probably required for adaptation to the insect host.
The last part of this work examined the influence of other, so far not directly related genes on SM production, based on the isolation of P. laumondii transposon-insertion mutants with clear phenotypic alterations. Re-sequencing and SM profiling of the mutant strains revealed that a transposon-insertion in the gene encoding for a putative DNA-adenine methyltransferase affected SM production. The phenotype was confirmed by deleting this gene. Based on Single-Molecule Real-Time sequencing, the complete methylome of the WT, deletion- and complementation mutant were analysed (experimental work performed by Sacha J. Pidot, Melbourne, Australia). No obvious alterations were detected in the methylation patterns of the strains, indicating that the dam gene product does not methylate the adenine in GATC-motifs, as it was described in literature for E. coli. This data raises the question what the function of the putative DNA-adenine methyltransferase is in P. laumondii and how it can influence the secondary metabolism. Even though there is currently no clear evidence, the potential role of epigenetic gene regulation mechanisms should be considered in further work.
Die Aufdeckung krankheitsbedingter Unterschiede und die Identifizierung neuer Biomarker sind essenziell für Diagnose und Behandlung verschiedener Erkrankungen. Unterschiede zwischen Erkrankungen können u.a. durch Analyse des Lipidprofils aufgedeckt werden, da dieses eng mit dem Phänotyp verknüpft ist. Ein unvoreingenommenes Screening gewährt einen umfassenderen Einblick in den metabolischen Zustand als eine gezielte Untersuchung weniger Analyten und kann neue Hypothesen generieren. Deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Screening-Methode zur untargeted Untersuchung des Lipidoms in biologischen Proben entwickelt. Durch die Kombination aus Umkehrphasenchromatographie und hochauflösender Massenspektrometrie mit datenabhängiger Aufnahme von MS/MS-Spektren konnten in Humanplasma 440 Lipide aus mehr als 15 Lipidklassen identifiziert werden. Die mehrstufige Identifizierung der Analyten, basierend auf der exakten Masse ±5 ppm, der Isotopenverteilung, der MS/MS-Fragmentierungsmuster in beiden Ionisationsmodi sowie der chromatographischen Auftrennung von Isomeren und Isobaren, erfolgte mit hoher Selektivität. Mit der vorgestellten Methode können sowohl Lipidklassen als auch einzelne Lipide relativ zu den internen Standards quantifiziert werden.
Der Probendurchsatz wurde erhöht, um den Einsatz der Methode im Rahmen größerer klinischer Studien zu ermöglichen und vorhandene Ressourcen effizient einzusetzen. Dabei wurden die Inkubationszeiten während der Flüssig-Flüssig-Extraktion mit MTBE:Methanol deutlich reduziert und die Handhabung vereinfacht bei gleichbleibend hoher Wiederfindung. Der hohe Probendurchsatz wird weiter unterstützt durch die kurze chromatographische Laufzeit von 17 min pro Ionisationsmodus. Die Auswertung der Ergebnisse ist der heikelste und zeitintensivste Schritt bei der Entwicklung und Anwendung von Screening-Methoden, deshalb wurde der Arbeitsablauf zur univariaten Analyse durch Entwicklung von R Skripten vereinfacht und beschleunigt.
Die Qualität und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse sind essenziell. Aus diesem Grund wurde die Qualität der entwickelten Methode, angelehnt an den strikten Vorgaben der FDA und EMA zur Validierung von quantitativen Methoden, sichergestellt, obwohl eine Methodenüberprüfung im Bereich von untargeted Methoden nicht verbreitet ist. Die Reproduzierbarkeit der relativen Lipidkonzentrationen konnte z.B. durch die Messung von Kontrollplasmaproben über einen Zeitraum von 10 Monaten gezeigt werden. Außerdem wurde die Linearität der Verdünnung von Plasmaproben bestätigt und eine Verschleppung in darauffolgende Proben ausgeschlossen. Die Stabilität der Proben muss in jeder Messphase inklusive der Präanalytik durch geeignete Untersuchungen und Maßnahmen sichergestellt werden. Anhand einer Studie zur präanalytischen Stabilität humaner Blutproben konnte ein Protokoll zur Probennahme und -vorbereitung für weitere klinische Studien erarbeitet werden. Die Stabilität des Lipidoms in Vollblut und Plasma konnte durch den Einsatz von Natriumfluorid/Citrat als Antikoagulans verbessert werden. Auch die Stabilität der Proben während der Lipidextraktion und Messung konnte gezeigt werden. Es wurden 16 verschiedene Probenarten analysiert, darunter Plasmaproben, verschiedene Mausgewebe und Zellpellets.
Mit der entwickelten Methode wurden die Unterschiede im Lipidprofil im Plasma und Gewebe von Mäusen mit einer akuten Entzündung durch LPS bzw. Zymosan-Injektion aufgedeckt. Dabei wurden die Ether-Phosphatidylcholine als potenzielle Entzündungsmarker identifiziert. Die entwickelte Methode wurde außerdem erfolgreich im Rahmen anderer Arbeiten für die Untersuchung verschiedener Erkrankungen angewendet.
In der vorliegenden Arbeit wird demnach eine schnelle, reproduzierbare und vor allem selektive LC-MS-Screening-Methode vorgestellt, die Veränderungen des Lipidstoffwechsels aufdecken und potenzielle Biomarker identifizieren kann.
Die Arbeit gibt einen Einblick in die Rolle, die Wochenschau und Wahlwerbung während der 1920er Jahre im Zuge der politischen Propagandaarbeit in der ersten deutschen Demokratie einnahmen. Zu diesem Zweck werden nicht nur politische Filme analysiert, sondern es wird auch ein Blick auf die Verbindungen der Weimarer Politik in die Filmbranche und die vorherrschende Zensurpraxis geworfen.
Der Plexus tympanicus ist ein komplex aufgebautes Nervengeflecht in der Mukosa des Mittelohrs. Aus anatomischen Studien ist bekannt, dass zuführende und wegführende Verbindungen unterschiedlichen Hirnnerven und sympathischen Bahnen angehören. Insbesondere werden parasympathische und sympathische Innervationssysteme beschrieben und damit stellt der Plexus tympanicus einen Plexus des vegetativen Nervensystems dar.
Bisher fehlen detaillierte Analysen über die Chemoarchitektur dieses Plexus. In der vorliegenden Studie soll das Vorhandensein unterschiedlicher Neurotransmitter und -peptide untersucht werden, um Vorstellungen über die Funktion dieses komplexen Geflechts zu entwickeln.
Es wurden immuncytochemische Färbungen an sechs Parallelserien von Kryostatschnitten durchgeführt. Dabei wurden Primärantikörper benutzt, die gegen Cholinacetyltransferase (ChAT), Dopamin-β-Hydroxylase (DBH), Substanz P (SP), Vasoaktives intestinales Peptid (VIP) und Neuropeptid Y (NPY) gerichtet waren. Dadurch konnten sympathische Nervenfasern durch den Nachweis von DBH als Leitenzym für die Noradrenalinsynthese analysiert werden; parasympathische Strukturen konnten durch Anti-ChAT-AK, das Leitenzym für die Acetylcholinsynthese, differenziert werden.
Alle genannten Neurotransmitter und -peptide konnten in den Mittelohrschnitten nachgewiesen werden. Dabei wurden sie in folgenden Lokalisationen gefunden: VIP wurde vor allem in perikapillären Boutons und Gefäßwänden im gesamten Ohrbereich sowie basal im Drüsenbereich des Meatus acusticus externus nachgewiesen. In der Mittelohrschleimhaut war VIP weit verbreitet und gerade im Bereich des Promotoriums waren einzelne Zellen intensiv angefärbt, die Zeichen sekretorischer Aktivität trugen. SP wurde vor allem in netzartigen um Gefäße gelagerten Fasern und in beaded Nervenfasern in der Mittelohrschleimhaut gefunden. Auch im Bereich der Drüsen, vor allem an Talgdrüsen des äußeren Gehörgangs, wurde SP nachgewiesen. NPY-IR zeigte sich in Geflechten um große Gefäße, an motorischen Endplatten der benachbarten Muskulatur, in der Mittelohrschleimhaut, in Nervenstämmen, Ganglien des Mittelohrbereichs und weniger dicht an Drüsen. ChAT-ir Strukturen sind direkt auf dem Knochen aufliegend in der Mittelohrschleimhaut, gefäßbegleitend an motorischen Endplatten und basal an Drüsenzellen vorhanden. ChAT-ir Nervenzellperikaryen wurden in großer Zahl in Ganglien gefunden, außerdem waren die Nerven allgemein leicht positiv. DBH-ir Strukturen wurden zwischen den Drüsen, in den Gefäßwänden der Arterien im Mittelohrbereich und in Nervenstämmen nachgewiesen. Einige DBH-ir Nervenzellperikaryen befanden sich in den Ganglien innerhalb des Mittelohrbereichs und der zuführenden Hirnnerven. Auch in der Mittelohrschleimhaut wurden Perikaryen, teilweise ganglienartig organisiert, gefunden. In verschiedenen Strukturen im Innenohrbereich konnten alle Neurotransmitter und -peptide in unterschiedlich starker Tingierung nachgewiesen werden.
Anhand des Verteilungsmuster lassen sich Kolokalisationen der Neuropeptide mit noradrenergen und cholinergen Neuronen vermuten, die bereits in anderen Studien für verschiedene Komponenten des vegetativen Nervensystems beschrieben wurden. Anhand der vorliegenden Analysen wurden Lokalisationsübereinstimmungen von ChAT und VIP, ChAT und SP und DBH und NPY gefunden.
Diese Studie soll als Grundlage für weitere Untersuchungen dienen. Insbesondere für das Verständnis von Funktionen und Pathologien des Nervengeflechts bedarf es weiterer Forschung. Die vorliegende Arbeit weist eindeutig nach, dass der Plexus tympanicus ein integratives System darstellt, das im Gegensatz zu früheren Vorstellungen einer reinen Durchgangsorganisation alle Voraussetzungen für ein Kontrollsystem erfüllt.
In optogenetischen Anwendungen, welche die Manipulation von zellulären Aktivitäten durch Licht ermöglichen, werden die Eigenschaften von mikrobiellen Rhodopsinen, einer Familie natürlich vorkommender lichtgesteuerter Proteine, ausgenutzt.
In der vorliegenden Arbeit wurden die einwärts transportierende Protonenpumpe NsXeR, sowie die auswärts Natriumionenpumpe KR2 untersucht. Des Weiteren wurden Tandem Proteine betrachtet, die mikrobielle Rhodopsine kombinieren mit dem Chemokinrezeptor CXCR4, der durch SDF1 aktiviert und anschließend in Endosomen internalisiert wird.
Für die Untersuchung des Mechanismus, der die Vektorialität in NsXeR bestimmt, wurde eine umfassende elektrophysiologische Studie durchgeführt. In Patch Clamp Messungen an NsXeR exprimierenden NG108-15 Zellen wurden bei kontinuierlicher 561 nm Beleuchtung aktive Einwärtsströme entgegen eines elektrochemischen Gradienten gemessen. Ein Einfluss des intrazellulären pHs auf die steady-state Ströme und deren Abfallkinetik konnte nicht festgestellt werden. Der Vergleich der exponentiellen Abfallrate k2 mit den Übergängen im NsXeR Photozyklus, lässt den Schluss zu, dass der ratenlimitierende Schritt der MII Zerfall ist.
Die elektrogenen Schritte im NsXeR Photozyklus wurden mit elektrischen Messungen an der black lipid membrane (BLM) an NsXeR Proteoliposomen bestimmt. Die Belichtung mit 20 ns Lichtpulsen bei 556 nm rufen Spannungssignale hervor, die exponentiell gefittet wurden, wobei drei elektrogene Schritte identifiziert werden konnten. Bei pH 7.4 betrugen die ermittelten Zeitkonstanten etwa 220 µs, 1 ms und 15 ms, denen 42%, 10% und 48% an der Gesamtladungsverschiebung zugeordnet wurden. Die elektrogenen Schritte konnten den Übergängen im Photozyklus zugeordnet werden, wobei der erste Schritt mit t1 dem MI Aufbau (Deprotonierung Schiff’sche Base, Protonenabgabe zur intrazellulären Seite) zugeschrieben wurde. t2 wurde dem MI→MII Übergang (Switch, Zugänglichkeitsänderung vom Intra- zum Extrazellulären) zugeordnet und t3 korreliert mit dem MII Zerfall (Reprotonierung Schiff’sche Base, Protonenaufnahme von der extrazellulären Seite).
Die Kinetik und der Ladungstransportanteil des zweiten elektrogenen Schritts haben keine starke pH Abhängigkeit, was sich dadurch erklären lässt, dass t2 durch eine Konformationsänderung bestimmt wird. t1 und t3 werden bei höheren pH Werten beschleunigt, was sich bei t1 mit einer erleichterten intrazellulären Protonenabgabe erklären lässt. Für t3 wurde eine Reprotonierung durch eine Donor Gruppe Asp76 vorgeschlagen. Die pH-sensitive Änderung der relativen Ladungstransferanteile des ersten und dritten elektrogenen Schrittes (∆ΨI und ∆ΨIII) wurden durch eine mögliche Verzögerung der frühen Protonenabgabe bei niedrigen pH Werten erklärt.
Der mutmaßliche Protonenakzeptor Asp220 wurde gegen Asn und Glu ausgetauscht und in Patch Clamp sowie UV-Vis Spektroskopie Messungen untersucht. Für D220N wurden keine Pumpströme und kein Einfluss auf die maximale Absorptionswellenlänge λmax festgestellt. D220E dagegen führte zu einer Erniedrigung des pKa-Werts der Schiff’schen Base und zu einer Verminderung der Iss-Abfallsrate k2 in Patch Clamp Dauerbelichtungsmessungen (D220E k2 = 27.1 ± 1.8 Hz, Wildtyp k2 = 83.1 ± 2.6 Hz). Daraus konnte geschlossen werden, dass Asp220 wesentlich für den Protonentransport ist und nicht als Gegenion für die protonierte Schiff’sche Base dient.
In Patch Clamp Experimenten bei 561 nm Dauerbelichtung und zusätzlicher gepulster Belichtung bei 355 nm wurde der Blaulichteffekt an NsXeR untersucht, bei dem Proteine im M Intermediat ein Photon absorbieren und unter Reprotonierung der Schiff’schen Base in den Grundzustand zurückkehren.
Für NsXeR konnte eine Potentialabhängigkeit für die Richtung der transienten Ströme, die durch die
355 nm Belichtung hervorgerufen wurden, festgestellt werden. Beim NsXeR Blaulichteffekt scheint eine
Reprotonierung der Schiff’schen Base von beiden Seiten möglich zu sein, was auf die unterschiedlichen Zugänglichkeiten in den beiden M Zuständen MI und MII zurückgeführt wurde. Es wurde ein Modell vorgeschlagen, welches auf einem potentialabhängigen Gleichgewicht zwischen MI und MII basiert.
In Patch Clamp Messungen an KR2 exprimierenden NG108-15 Zellen wurden die Pumpströme untersucht, die durch den auswärts Transport von Na+ und H+ hervorgerufen wurden. Die Na+-Konzentrationen der intra- und extrazellulären Lösungen wurden symmetrisch variiert und die steady-state Ströme Iss bei 532 nm Dauerbelichtung betrachtet. Mit steigender Na+-Konzentration zeigte sich ein Übergang von einer linearen Potentialabhängigkeit der Iss, zu einem sättigungsähnlichen Verhalten bis hin zu einer fast glockenförmigen Form. Da die exponentielle Abfallrate der steady-state Ströme k2 in ihrer Potentialabhängigkeit mit den Iss korrelierte, konnte geschlossen werden, dass die Ströme überwiegend kinetisch limitiert sind. Die Erhöhung der Rate k2 mit steigender Na+-Konzentration zwischen -120 mV und -60 mV deutet darauf hin, dass die Na+-Aufnahme von der intrazellulären Seite bei diesen Bedingungen die Limitierung für die Pumpe darstellt.
Unter Na+-“freien” Bedingungen wurde der Einfluss des intrazellulären pHs untersucht. Für die Rate k2 wurde eine Erhöhung bei niedrigen pH Werten festgestellt und die Potentiale E0 (Iss = 0 pA) verschoben bei niedrigem intrazellulärem pH zu hyperpolarisierenden Potentialen. Daraus lässt sich schließen, dass die steady-state Ströme durch den Transport von Protonen hervorgerufen wurden.
In Messungen mit gepulster 530 nm Belichtung wurden die transienten Pumpströme gemessen und durch exponentielles Fitten des Stromabfalls drei elektrogene Schritte identifiziert. Eine Abhängigkeit vom Potential und der Na+-Konzentration konnte nur für den dritten Schritt mit der Rate 1/τ3 festgestellt werden, wobei 1/τ3 mit der Na+-Konzentration und bei positiveren Potentialen steigt. Unter Na+-“freien” Bedingungen steigt 1/τ3 auch mit niedrigeren intrazellulären pH Werten. Die elektrogenen Schritte wurden dem KR2 Photozyklus zugeordnet, wobei ein Modell angewendet wurde, das einen M1→M2 Übergang einführt. Diesem wurde der zweite elektrogene Schritt zugeordnet. Die relativen Ladungstransportanteile Q2 und Q3 des zweiten und dritten elektrogenen Schrittes sind sowohl potential- als auch Na+-abhängig. Um dieses Verhalten zu erklären, wurde ein Modell vorgeschlagen, bei dem ein Ausgleichsladungstransfer in Form von einer Protonenabgabe und -wiederaufnahme während des Photozyklus eingeführt wurde.
In Patch Clamp Messungen wurde die erhaltene Funktionalität der ChR2 Mutante ChR2(L132C) mit erhöhter Ca2+-Permeabilität im Tandem Protein tCXCR4/CatCh nachgewiesen. Auch die Internalisierung von tCXCR4/CatCh konnte anhand der zeitabhängigen Abnahme des CatCh-Signals nach der CXCR4-Aktivierung durch SDF1 in Strommessungen beobachtet werden. Für tCXCR4/Arch, ein Tandem Protein mit einer Protonenpumpe, wurde die SDF1-induzierte Internalisierung mit Hilfe der konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie betrachtet und eine Kolokalisierung der Fluoreszenz des im Tandem exprimierten YFP und der eines gelabelten CXCR4-spezifischen Antikörpers in intrazellulären Vesikeln beobachtet. Bei Behandlung mit dem CXCR4 Antagonisten AMD3100 wurde die Kolokalisierung hauptsächlich in der Zellmembran festgestellt, da die Internalisierung blockiert war. Die Tandem Protein könnten als in intrazellulären Organellen wirkende optogenetische Werkzeuge eingesetzt werden für z.B. die Manipulation der intrazellulären Ca2+-Konzentration.
Over the last decade, cryo-EM has developed exponentially due to improvements in both hardware (“machine”-based) and software (“algorithm”-based). These improvements have pushed the best achievable resolutions closer to atomic level, bridging “gaps” not covered by other biophysical techniques, and allowing more difficult biological questions to be addressed. Thus, this PhD project was designed and constructed to apply cryo-EM to answer biological questions, while allowing simultaneous cryo-EM method development.
The biological focus of this research is pentameric ligand-gated ion channels (pLGICs), specifically the serotonin receptor type-3 receptor (5HT3R), which also belongs to the Cys-loop receptor family. 5HT3R plays an important role in fast synaptic signal transduction in response to agonist and antagonist binding. Binding to its native ligand results in opening of the channel at the transmembrane domain, allowing cations to pass through, resulting in membrane depolarization and conversion of the chemical signal into an electrical one.
This work consisted mainly of two specific aims. One was focused on conformational investigation of 5HT3R in its ligand-bound open conformation, using cryo-electron microscopy (cryo-SPA), in order to understand the gating mechanism upon ligand activation. The other one was to combine SPA with cryo-ET and STA to push the resolution limitation of conventional cryo-ET and STA workflows.
In the end, three different cryo-EM conformations of membrane-embedded 5HT3R were resolved using cryo-SPA, two structures in resting closed forms, one C5-symmetric and one C1-asymmetric, and one serotonin-bound open form. These three structures presented a number of novel features related to the transition of the receptor to its ion-conductive state. Specifically, the serotonin-bound receptor shows asymmetric opening, which was speculated to occur via an intermediate asymmetric Apo state. In addition to the cryo-SPA work, application of cryo-ET and STA to the study of 5HT3R in native vesicles is described in this thesis. Additional work on methods development, focused on combining SPA and STA techniques, along with preliminary results on tobacco mosaic virus are also detailed and discussed.
Moreover, previously unreported asymmetric arrangements of the subunits of the homopentameric 5HT3R around the pore axis were revealed. The asymmetric open state is stabilized by phospholipids inserted at the interface between subunits, at a site well-documented for the binding of allosteric pLGIC modulators. These results not only give structural support to a large body of functional data on the effects of lipids on the function of this receptor family, but also provide structural guidance for future studies in this field. Meanwhile, the SPA-STA combined methods developed during the course of this work have the potential to help resolve higher resolution tomography-based structures, which would benefit researchers seeking to do in-situ-based structural studies.
This Dissertation deals with the development of FAIR-relevant X-ray diagnostics based on the interaction of lasers and particle beams with matter. The associated experimental methods are supposed to be employed in the HIHEX-experiments in the HHT-cave of the GSI Helmholtz Center for Heavy-Ion Research GmbH (GSI) in Phase-0 and in the APPA-cave at the Facility for Antiproton and Ion Research in Darmstadt, Germany.
Diagnostic of high aerial density targets that will be used in FAIR experiments demands intense and highly penetrating X-ray sources. Laser generated well-directe relativistic electron beams that interact with high Z materials is an excellent tool for generation of short-pulse high luminous sources of MeV-gammas.
In pilot experiments carried out at the PHELIX laser system, GSI Darmstadt, relativistic electrons were produced in a long scale plasma of near critical electron density (NCD) by the mechanism of the direct laser acceleration (DLA). Low density polymer foam layers preionised by a well-defined nanosecond laser pulse were used as NCD targets. The analysis of the measured electron spectra showed up to 10- fold increase of the electron "temperature" from T_Hot = 1–2 MeV, measured for the case of the interaction of 1–2 ×10^19 Wcm^(−2) ps-laser pulse with a planar foil, up to 14 MeV for the case when the relativistic laser pulse propagates through the by a ns-pulse preionised foam layer. In this case, up to 80–90 MeV electron energy was registered. An increase of the electron energy was accompanied by a strong increase of the number of relativistic electrons and well-defined directionality of the relativistic electron beam measured to be (12 ±1)° (FWHM). This directionality increases the gamma flux on target by far compared to the soft X-ray sources.
Additionally to laser based active diagnostics, passive techniques involving inherent X-ray fluorescence radiation of projectile and target emitted during heavy-ion target interaction can be used to measure the ion beam distribution on shot. This information is of great importance, since the target size is chosen to be smaller than the beam focus in order to ensure homogeneous heating of the HIHEX-target by the ion beam. High amounts of parasitic radiation and activation of experimental equipment is expected for experiments at the APPA-cave. For this reason, all electronic devices must be placed at a safe distance to the target chamber. In order to transport the signal over a large distance, the X-ray image of the target irradiated by heavy-ions has to be converted into an optical one.
For these purposes, the X-ray Conversion to Optical radiation and Transport (XCOT)-system was developed in the frame of a BMBF-project and commissioned in two beamtimes at the UNILAC, GSI during this work.
In experiments, we observed intense radiation of target atoms (K-shell transitions in Cu at 8–8.3 keV and L-shell transition in Ta) ionised in collisions with heavy ions as well as Doppler-shifted L-shell transitions of Au-projectiles passing through targets. This radiation can be used for monochromatic (dispersive elements like bent crystals) or polychromatic (pinhole) 2D X-ray mapping of the ion beam intensity distribution in the interaction region during the beam-target interaction. We measured the efficiency of the X-ray photon production depending on the target thickness and the number of ions passing through the target. The spatial resolution of the XCOT-system based on the multi-pinhole camera was measured to be (91±17) μm for the image magnification factor M = 2. It was considerably improved by application of a toroidally bent quartz crystal and reached 30 μm at M = 6. This resolution is optimal to image the distribution of a 1mm in diameter ion beam. As next step, the XCOT-system will be tested during the SIS18 beam-time at the HHT-experimental area.