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First milestone of this Ph.D. thesis was the successful extension of conventional NTA/His-tag technique to self-assembling, multivalent chelator thiols for high-affinity recognition as well as stable and uniform immobilization of His-tagged proteins on chip surfaces. Bis-NTA was linked via an oligoethylene glycol to alkyl thiols by an efficient modular synthesis strategy yielding a novel, multivalent compound for formation of mixed SAMs with anti-adsorptive matrix thiols on gold. Multivalent chelator chips allow a specific, high-affinity, reversible, long-term immobilization of His-tagged proteins. In AFM studies reversibility of the specific protein immobilization process was visualized at single molecule level. The entire control over the orientation of the immobilized protein promotes this chip surface to an optimal platform for studies focusing on research targets at single molecule level and nanobiotechnology. Based on the constructed protein chip platform above and a novel AFM mode (contact oscillation mode, COM) – developed during the current Ph.D. work – protein nanolithography under physiological conditions enabling fabrication of active biomolecular patterns in countless variety has been established. Reversible COM-mediated nanostructuring is exceptionally suitable for multiplexed patterning of protein assemblies in situ. The first selfassembled protein layer acts as a biocompatible and ductile patterning material. Immobilized proteins can be replaced by the AFM tip applying COM, and the generated structures can be erased and refilled with different proteins, which are immobilized in a uniform and functional manner. Multi-protein arrays can be systematically fabricated by iterative erase-and-write processes, and employed for protein-protein interaction analysis. Fabrication of two-dimensionally arranged nanocatalytic centres with biological activity will establish a versatile tool for nanobiotechnology. As an alternative chip fabrication approach, the combined application of methodologies from surface chemistry, semiconductor technology, and chemical biology demonstrated successfully how pre-patterned templates for micro- and nanoarrays for protein chips are fabricated. The surface physical, as well the biophysical experiments, proved the functionality of this technology. The promises of such process technology are fast and economic fabrication of ready-to-use nanostructured biochips at industrial scale. Membrane proteins are complicated in handling and hence require sophisticated solutions for chip technological application. A silicon-on-insulator (SOI) chip substrate with microcavities and nanopores was employed for first technological investigation to construct a protein chip suitable for membrane proteins. The formation of an artificial lipid bilayer using vesicle fusion on oxidized SOI cavity substrates was verified by CLSM. Future AFM experiments will give further insights into the chip architecture and topography. This will provide last evidence of the sealing of the cavity by the lipid bilayer. Transmembrane proteins will be employed for reconstitution experiments on this membrane protein chip platform. Highly integrated microdevices will find application in basic biomedical and pharmaceutical research, whereas robust and portable point-of-care devices will be used in clinical settings.
In dieser Arbeit wurden zwei Systeme der biologischen Energiewandlung mit verschiedenen spektroskopischen Methoden untersucht und es wurden neue Erkenntnisse über die Funktion und Aktivierung der Proteine Proteorhodopsin und RuBisCO gewonnen. Zusätzlich konnte eine neue methodische Herangehensweise zur Untersuchung von Carboxylierungsreaktionen etabliert werden. Dieser Ansatz bietet in Zukunft breite Anwendungsmöglichkeiten zur Studie dieser biologisch so bedeutenden Reaktionsklasse. Mit Hilfe der Infrarotspektroskopie und vor allem durch den Einsatz von Tieftemperaturmessungen konnte der bisher kontrovers diskutierte Photozyklus von Proteorhodopsin (PR) eingehend charakterisiert werden. Jenseits des gut verstandenen aktiven Transports bei pH 9,0 wurde vor allem der pH 5,1 Photozyklus untersucht. Erstmals konnte auch in Infrarotspektren das M-Intermediat bei pH 5,1 nachgewiesen werden. Dieses Intermediat ist von entscheidender Bedeutung für den aktiven Transport über die Zellmembran und seine Existenz wurde bisher vielfach angezweifelt. Zudem konnte Glu-108 als ein möglicher Protonenakzeptor des Photozyklus bei pH 5,1 identifiziert werden. Durch einen pH-Indikator ließ sich der Nachweis erbringen, dass auch im sauren pH-Bereich Protonen freigesetzt werden. Damit steht fest, dass ein aktiver Protonentransport bei pH 5,1 möglich ist. Zusammen mit Informationen zu protonierbaren Aminosäureseitenketten (vornehmlich Asp und Glu) lässt sich zudem mit Einschränkungen die These unterstützen, dass PR ober- und unterhalb des pKa-Werts von Asp-97 in verschiedene Richtungen Protonen pumpt. Damit ergibt sich ein differenziertes Bild für den pH-abhängigen Photozyklus von PR mit drei pH-Bereichen (pH 9,0, 8,5 bis 5,5 und 5,1) in denen PR unterschiedliche Protonentransportwege zeigt. Als weiteres biologischen System wurde RuBisCO genauer untersucht. Im Fokus der Arbeit war dabei die Aktivierung durch die Bildung eines Lysin-Carbamats im aktiven Zentrum. Obwohl RuBisCO das am häufigsten vorkommende Enzym unseres Planeten ist, in der Kohlenstofffixierung eine bedeutende Rolle spielt und obwohl mehrere Dutzend Kristallstrukturen existieren, gibt es noch immer genügend offene Fragen zur Aktivierung. Mit Hilfe eines Käfig-CO2 konnte die Carbamatbildung im Enzym direkt verfolgt und der Einfluss von Magnesiumionen auf die Aktivierung beobachtet werden. Damit ließ sich ganz klar ausschließen, dass Magnesium bereits für die Carbamatbildung erforderlich ist. Die Koordination von Mg2+ ist erst für die Endiol-Bildung im weiteren Reaktionszyklus essentiell. Zusätzlich wurde gezeigt, dass Azid eine Inhibierung des Enzyms durch die Konkurrenz mit CO2 um die Bindungsstelle auslöst, allerdings verdrängt CO2 das Azidion im Laufe der Zeit. Mit den Ergebnissen für RuBisCO konnte klar gezeigt werden, dass die Kombination aus Käfig-CO2 und Rapid-Scan IR-Spektroskopie ein völlig neues Feld für die Untersuchung von Carboxylierungsreaktionen eröffnet. Gerade die offenen Fragen zu Biotin bindenden Carboxylasen bieten ein breites Anwendungsgebiet für diese Methodik.
Chloridkanäle und -transporter sind an wichtigen physiologischen Prozessen beteiligt [Jentsch et al., 2002; Zifarelli & Pusch, 2007; Jentsch, 2008] und mutationsbedingte Funktionsdefekte können mit verschiedenen Krankheiten in Verbindung gebracht werden [Planells-Cases & Jentsch, 2009]. Trotz der großen physiologischen Relevanz bilden diese Proteine eine unterrepräsentierte Klasse in der pharmakologischen Wirkstoffsuche [Verkman & Galietta, 2009], auch aufgrund fehlender adäquat robuster und Durchsatz-starker Testsysteme. Vor allem die Vertreter der intrazellulären CLC-Proteine, von denen bereits zwei eindeutig relevanten Krankheiten zugeordnet werden konnten (ClC-5 – Dent´sche Krankheit; ClC-7 – Osteopetrose), entziehen sich aufgrund ihrer vesikulären Lokalisation den klassischen elektrophysiologischen Methoden. Aus diesem Grund kam in dieser Arbeit die SSM-Technik [Schulz et al., 2008] zur Charakterisierung des lysosomalen Cl-/H+-Antiporters ClC-7 zum Einsatz. Bei geeigneter Membranpräparation können mit dieser Methode auch vesikuläre Transportprozesse elektrophysiologisch untersucht werden. Neben der grundlegenden biophysikalischen Untersuchung von ClC-7 war es mit Hilfe der SSM-Technik möglich, die Protonen-gekoppelte Antiportaktivität dieses vesikulären CLC-Vertreters nachzuweisen. Außerdem wurde ein robuster Assay etabliert, der auch die pharmakologische Untersuchung von ClC-7 erlaubt. Mit diesem konnte gezeigt werden, dass ClC-7 spezifisch durch die Chloridkanalblocker DIDS und NPPB mit relativ hoher Affinität (DIDS: IC50= 39 µM, NPPB: IC50= 156 µM) zu inhibieren ist. Da ClC-7 auch als potentielles Target in der Osteoporose-Therapie diskutiert wird [Schaller et al., 2005], bietet die SSM-Technik somit eine Plattform für pharmakologische Untersuchungen an diesem Transporter. Neben dem Wildtyp Protein wurde weiterhin die Funktionalität einer physiologisch wichtigen, der Osteopetrose zuzuordnenden Mutante (G215R), untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Mutante noch immer eine signifikante Transportaktivität besitzt, jedoch einen schweren Lokalisationsdefekt aufweist und nicht mehr korrekt in die Lysosomen transportiert wird. Durch Koexpression der funktionalen beta-Untereinheit Ostm1 [Lange et al., 2006] war es möglich, die lysosomale Lokalisation teilweise, jedoch nicht vollständig wiederherzustellen. Dieser Effekt könnte somit ein Grund für den relativ milden Krankheitsverlauf der mit dieser Mutation verbundenen autosomal dominanten Osteopetrose (ADOII, Alberts-Schönberg Krankheit) sein. Da die SSM-Technik bisher ausschließlich zur Untersuchung primär und sekundär aktiver Transporter zum Einsatz kam [Schulz et al., 2008; Ganea & Fendler, 2009], wurde weiterhin die Eignung der Methode zur Charakterisierung passiver Ionenkanäle anhand des ligandengesteuerten P2X2 Rezeptors überprüft. Ein Vergleich der gewonnenen elektrophysiologischen und pharmakologischen Daten lieferte gute Übereinstimmungen mit den Ergebnissen konventioneller elektrophysiologischer Untersuchungen. So konnte gezeigt werden, dass sich die SSM-Technik auch zur Charakterisierung von Ionenkanälen eignet. Da Ströme über Ionenkanäle bei den klassischen Methoden über eine extern angelegte Spannung gesteuert werden, solch eine Kontrolle bei der SSM-Technik jedoch nicht möglich ist, wurde schließlich in dieser Arbeit versucht, mit Hilfe der lichtgesteuerten Protonenpumpe Bakteriorhodopsin (bR) eine Spannungskontrolle zu etablieren. Anhand eines Fusions-basierten Modellsystems [Perozo & Hubbell, 1993] konnte gezeigt werden, dass lichtgesteuerte Ionenpumpen prinzipiell zur Kontrolle von Ionenkanälen an der SSM genutzt werden können. Allerdings eignet sich bR aufgrund seiner geringen Plasmamembranexpression in CHO Zellen nicht zur direkten Koexpression und Steuerung von Vertebraten-Proteinen. Der Einsatz eukaryotischer Ionenpumpen, kombiniert mit Anionendiffusionspotentialen [Perozo & Hubbell, 1993], könnte sich allerdings als erfolgsversprechend erweisen und die SSM-Technik auch für die Charakterisierung von stark spannungsabhängigen Ionenkanälen öffnen.
Zusammenfassung Die Alzheimersche Krankheit (AD) ist mit 60% die am häufigsten auftretende Art der Demenz. Weltweit sind ca. 24 Mio. Menschen von der neurodegenerativen Krankheit betroffen, welche sich durch den Verlust der kognitiven Fähigkeiten auszeichnet. Es gibt zwei Ausprägungen der Demenz, zum einen die sporadische Verlaufsform, die bei Menschen in einem Alter ab 65 Jahren auftritt und zum anderen die familiäre Alzheimersche Krankheit (FAD), die schon weitaus jüngere Menschen betrifft und auf genetische Mutationen zurück zu führen ist. Beide Formen der Demenz zeigen den gleichen neuropathologische Phänotyp, der zur Ausbildung von extrazellulären Plaques und intrazellulären Neurofibrillen führt. Durch die Entstehung der Plaques und der Neurofibrillen werden die Verbindungen zwischen den einzelnen Neuronen verringert und die Neuronen sterben ab. Für das Auftreten der FAD sind Mutationen in den Genen des Amyloid Vorläufer Proteins (APP, Substrat) sowie der Aspartatprotease Einheit des γ-Sekretase Komplexes, Presenilin 1 (PS1) oder Presenilin 2 (PS2), verantwortlich. Die γ-Sekretase ist ein membranständiger Komplex bestehend aus den vier Untereinheiten PS1 oder PS2, Nicastrin (Nct), Aph-1 und Pen-2. Um ausreichende Informationen über den γ-Sekretase Komplex bezüglich seiner Interaktionsflächen, seines Katalysemechanismus und seiner Substraterkennung zu erhalten, wäre es hilfreich seine 3 Dimensionale Struktur aufzuklären, wozu große Mengen der sauberen und homogenen Proteine benötigt werden. Die Herstellung von ausreichenden Proteinmengen stellt derzeit aber einen Engpass für die strukturelle und funktionelle Charakterisierung des γ-Sekretase Komplexes in-vitro dar. Alzheimer’s disease (AD) is the most common cause of dementia, which affects 24 million people worldwide. It is a neurodegenerative disorder, which occurs either in its most common form in people over 65 years or in the rare early-onset familial AD (FAD). Responsible for the autosomal dominant FAD are mutations in the genes encoding for the β-amyloid precursor protein (APP) and the two homologues integral membrane proteins Presenilin 1 (PS1) and Presenilin 2 (PS2). The two PSs are major but alternative components of the intramembrane aspartyl protease γ-secretase. Further components are the membrane proteins Nicastrin (Nct), Aph-1 and Pen-2. Production of sufficient amounts of protein samples is still the major bottleneck for the detailed functional and structural in-vitro characterization of the γ-secretase complex. Due to toxicity, stability and targeting problems, the overproduction of MPs in conventional in-vivo systems often has only limited success. Therefore, efficient expression protocols using the cell-free (CF) system were established in this work. After optimization, I was able to produce up to milligram amounts of the single proteins PS1 and PS2, the cleavage products PS1-NTF and PS1-CTF, and Pen-2. The in-vitro produced γ-secretase subunits were further characterized, concerning their purity, secondary fold, thermal stability and homogeneity. Highest purities with over 90% after affinity chromatography could be achieved for PS1-CTF and Pen-2. Reconstitution of PS1, PS1-NTF, PS1-CTF and Pen-2 into E. coli liposomes results in a homogeneously distribution, which gives evidence for a structural folding. This was confirmed by CD spectroscopy of PS1-CTF and Pen-2. The thermal stability of Pen-2 shows a transition at 68°C, whereas PS1-CTF is stable up to 95°C. Both proteins show in addition homogeneous elution profiles investigated by analytical SEC and exhibit a monomeric (Pen-2) or dimeric (PS1-CTF) character analyzed by blue native PAGE. Different methods were performed to get evidence about the assembly of the complex, like pull-down experiments, immunoprecipitation, co-expression of radioactive labeled subunits and titration assays by liquid-state NMR. First hints for an interaction of the CF synthesized proteins could be observed by co-expression. Supplemental, Pen-2 and CTF could be purified in sufficient amounts and to apparent homogeneity that allow structural approaches by X-ray crystallography and liquid-state NMR spectroscopy. First conditions for protein crystals were achieved for Pen-2 and structural investigations of PS1-CTF by liquid-state NMR could be performed after optimization of the expression-, purification- and detergent conditions.
In der vorgelegten kumulativen Arbeit wurden strukturelle und funktionale Untersuchungen an Nukleinsäuren durchgeführt, hauptsächlich, aber nicht ausschließlich unter Verwendung von NMR-Spektroskopie (Kernspin Resonanzspektroskopie) als Analysemethode. Die untersuchten Biomoleküle umfassten kleinere und größere biologisch relevante RNAs sowie einen artifiziellen DNA G-Quadruplex. Hierbei konnten Ergebnisse im Bereich der Bestimmung der molekularen Struktur, der Aufklärung der biologischen Funktion und der Wirkstoffentwicklung gewonnen werden, die in sechs verschiedenen Publikationen dargelegt sind, an deren Erstellung der Autor maßgeblich oder hauptverantwortlich beteiligt war. Des Weiteren wird in einem mehrgliedrigen Einleitungssegment auf den Stand der aktuellen Forschung in den jeweiligen Teilgebieten eingegangen.