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A(syn)-U/T and G(syn)-C+ Hoogsteen (HG) base pairs (bps) are energetically more disfavored relative to Watson–Crick (WC) bps in A-RNA as compared to B-DNA by >1 kcal/mol for reasons that are not fully understood. Here, we used NMR spectroscopy, optical melting experiments, molecular dynamics simulations and modified nucleotides to identify factors that contribute to this destabilization of HG bps in A-RNA. Removing the 2′-hydroxyl at single purine nucleotides in A-RNA duplexes did not stabilize HG bps relative to WC. In contrast, loosening the A-form geometry using a bulge in A-RNA reduced the energy cost of forming HG bps at the flanking sites to B-DNA levels. A structural and thermodynamic analysis of purine-purine HG mismatches reveals that compared to B-DNA, the A-form geometry disfavors syn purines by 1.5–4 kcal/mol due to sugar-backbone rearrangements needed to sterically accommodate the syn base. Based on MD simulations, an additional penalty of 3–4 kcal/mol applies for purine-pyrimidine HG bps due to the higher energetic cost associated with moving the bases to form hydrogen bonds in A-RNA versus B-DNA. These results provide insights into a fundamental difference between A-RNA and B-DNA duplexes with important implications for how they respond to damage and post-transcriptional modifications.
Light absorption of myoglobin triggers diatomic ligand photolysis and a spin crossover transition of iron(II) that initiate protein conformational change. The photolysis and spin crossover reactions happen concurrently on a femtosecond timescale. The microscopic origin of these reactions remains controversial. Here, we apply quantum wavepacket dynamics to elucidate the ultrafast photochemical mechanism for a heme–carbon monoxide (heme–CO) complex. We observe coherent oscillations of the Fe–CO bond distance with a period of 42 fs and an amplitude of ∼1 Å. These nuclear motions induce pronounced geometric reorganization, which makes the CO dissociation irreversible. The reaction is initially dominated by symmetry breaking vibrations inducing an electron transfer from porphyrin to iron. Subsequently, the wavepacket relaxes to the triplet manifold in ∼75 fs and to the quintet manifold in ∼430 fs. Our results highlight the central role of nuclear vibrations at the origin of the ultrafast photodynamics of organometallic complexes.
Structural and vibrational studies have been carried out for the most stable conformer of 3,3′-ethane-1,2-diyl-bis-1,3,5-triazabicyclo[3.2.1]octane (ETABOC) at the DFT/B3LYP/6-31G(dp) level using the Gaussian 03 software. In light of the computed vibrational parameters, the observed IR Bolhmann bands for the C2V, C2, and Ci symmetrical structures of ETABOC have been analyzed. Hyperconjugative interaction was done by Natural Bond Orbital Analysis. Interpretation of hyperconjugative interaction involving the lone pairs on the bridgehead nitrogen atoms with the neighboring C–N and C–C bonds defines the conformational preference of the title compound. The recorded X-ray diffraction bond parameters were compared with theoretical values calculated at B3LYP/6-31G(d,p) and HF/6-31G(d,p) level of theory showed that ETABOC adopts a chair conformation and possesses an inversion center.
Single-particle electron cryo-microscopy (cryoEM) has undergone a “resolution revolution” that makes it possible to characterize megadalton (MDa) complexes at atomic resolution without crystals. To fully exploit the new opportunities in molecular microscopy, new procedures for the cloning, expression and purification of macromolecular complexes need to be explored. Macromolecular assemblies are often unstable, and invasive construct design or inadequate purification conditions or sample preparation methods can result in disassembly or denaturation. The structure of the 2.6 MDa yeast fatty acid synthase (FAS) has been studied by electron microscopy since the 1960s. We report a new, streamlined protocol for the rapid production of purified yeast FAS for structure determination by high-resolution cryoEM. Together with a companion protocol for preparing cryoEM specimens on a hydrophilized graphene layer, our new protocol has yielded a 3.1 Å map of yeast FAS from 15,000 automatically picked particles within a day. The high map quality enabled us to build a complete atomic model of an intact fungal FAS.
Bacterial pathogens exploit eukaryotic pathways for their own end. Upon ingestion, Salmonella enterica serovar Typhimurium passes through the stomach and then catalyzes its uptake across the intestinal epithelium. It survives and replicates in an acidic vacuole through the action of virulence factors secreted by a type three secretion system located on Salmonella pathogenicity island 2 (SPI-2). Two secreted effectors, SifA and SseJ, are sufficient for endosomal tubule formation, which modifies the vacuole and enables Salmonella to replicate within it. Two-color, superresolution imaging of the secreted virulence factor SseJ and tubulin revealed that SseJ formed clusters of conserved size at regular, periodic intervals in the host cytoplasm. Analysis of SseJ clustering indicated the presence of a pearling effect, which is a force-driven, osmotically sensitive process. The pearling transition is an instability driven by membranes under tension; it is induced by hypotonic or hypertonic buffer exchange and leads to the formation of beadlike structures of similar size and regular spacing. Reducing the osmolality of the fixation conditions using glutaraldehyde enabled visualization of continuous and intact tubules. Correlation analysis revealed that SseJ was colocalized with the motor protein kinesin. Tubulation of the endoplasmic reticulum is driven by microtubule motors, and in the present work, we describe how Salmonella has coopted the microtubule motor kinesin to drive the force-dependent process of endosomal tubulation. Thus, endosomal tubule formation is a force-driven process catalyzed by Salmonella virulence factors secreted into the host cytoplasm during infection.
Modification of SMN2 exon 7 (E7) splicing is a validated therapeutic strategy against spinal muscular atrophy (SMA). However, a target-based approach to identify small-molecule E7 splicing modifiers has not been attempted, which could reveal novel therapies with improved mechanistic insight. Here, we chose as a target the stem-loop RNA structure TSL2, which overlaps with the 5′ splicing site of E7. A small-molecule TSL2-binding compound, homocarbonyltopsentin (PK4C9), was identified that increases E7 splicing to therapeutic levels and rescues downstream molecular alterations in SMA cells. High-resolution NMR combined with molecular modelling revealed that PK4C9 binds to pentaloop conformations of TSL2 and promotes a shift to triloop conformations that display enhanced E7 splicing. Collectively, our study validates TSL2 as a target for small-molecule drug discovery in SMA, identifies a novel mechanism of action for an E7 splicing modifier, and sets a precedent for other splicing-mediated diseases where RNA structure could be similarly targeted.
Mechanistic and structural studies of membrane proteins require their stabilization in specific conformations. Single domain antibodies are potent reagents for this purpose, but their generation relies on immunizations, which impedes selections in the presence of ligands typically needed to populate defined conformational states. To overcome this key limitation, we developed an in vitro selection platform based on synthetic single domain antibodies named sybodies. To target the limited hydrophilic surfaces of membrane proteins, we designed three sybody libraries that exhibit different shapes and moderate hydrophobicity of the randomized surface. A robust binder selection cascade combining ribosome and phage display enabled the generation of conformation-selective, high affinity sybodies against an ABC transporter and two previously intractable human SLC transporters, GlyT1 and ENT1. The platform does not require access to animal facilities and builds exclusively on commercially available reagents, thus enabling every lab to rapidly generate binders against challenging membrane proteins.
In every established species, protein-protein interactions have evolved such that they are fit for purpose. However, the molecular details of the evolution of new protein-protein interactions are poorly understood. We have used nuclear magnetic resonance spectroscopy to investigate the changes in structure and dynamics during the evolution of a protein-protein interaction involving the intrinsically disordered CREBBP (CREB-binding protein) interaction domain (CID) and nuclear coactivator binding domain (NCBD) from the transcriptional coregulators NCOA (nuclear receptor coactivator) and CREBBP/p300, respectively. The most ancient low-affinity “Cambrian-like” [540 to 600 million years (Ma) ago] CID/NCBD complex contained less secondary structure and was more dynamic than the complexes from an evolutionarily younger “Ordovician-Silurian” fish ancestor (ca. 440 Ma ago) and extant human. The most ancient Cambrian-like CID/NCBD complex lacked one helix and several interdomain interactions, resulting in a larger solvent-accessible surface area. Furthermore, the most ancient complex had a high degree of millisecond-to-microsecond dynamics distributed along the entire sequences of both CID and NCBD. These motions were reduced in the Ordovician-Silurian CID/NCBD complex and further redistributed in the extant human CID/NCBD complex. Isothermal calorimetry experiments show that complex formation is enthalpically favorable and that affinity is modulated by a largely unfavorable entropic contribution to binding. Our data demonstrate how changes in structure and motion conspire to shape affinity during the evolution of a protein-protein complex and provide direct evidence for the role of structural, dynamic, and frustrational plasticity in the evolution of interactions between intrinsically disordered proteins.
Die Tumorprotein-Familie des Proteins p53 besteht aus drei Familienmitgliedern p53, p63 und p73 mit diversen Funktionen als Transkriptionsfaktoren. p53 war das erste Mitglied dieser Familie, das im Jahre 1979 entdeckt wurde und wurde zunächst als krebsverursachendes Protein eingeordnet, weil es in vielen Tumorgeweben in erhöhter Menge vorgefunden wurde. Es wurde allerdings festgestellt, dass der Großteil dieser gefundenen p53-Proteine funktionsunfähig durch Mutationen in ihrer Aminosäuresequenz waren. Unmutiertes p53 hingegen führt zu einem Stopp von Zellteilung oder sogar Zelltod, sofern die Zellen genetischem Stress durch Strahlung oder mutagene Chemikalien ausgesetzt sind. Heute wird p53 als eines der wichtigsten Tumor-Unterdrückungsproteine betrachtet. Die beiden anderen Familienmitglieder p63 und p73 existieren in einer Vielzahl von Isoformen. Neben carboxyterminaler alternativer mRNA-Prozessierung (α, β, γ, usw. Isoformen) führen zwei unabhängige Promotoren auch zu zwei unterschiedlichen Aminotermini. Hier wird zwischen ΔN- und TA-Isoformen unterschieden. Im Falle von p63 treten zwei dominante Isoformen auf, ΔNp63α und TAp63α. Während ΔNp63α eine Rolle in der Differenzierung von Haut spielt, wurde TAp63α bisher ausschließlich in Eizellen gefunden. Dort hat es die Funktion eines Sensors, der die genetische Integrität der weiblichen Keimbahn sicherstellt. Es liegt in Eizellen in hoher Konzentration vor, allerdings in einer komplett inaktiven Form. Werden Schäden im der Erbgut der Eizelle festgestellt, so wird das Protein aktiviert und kann so den Prozess des Zelltods der Eizelle einleiten. Mutationen oder das Fehlen des p63-Genes führen zu Missbildungen während der Entwicklung und zu unvollständig ausgebildeter Haut. Im Falle von p73 gibt es ebenfalls mehrere Isoformen, wobei die Funktionen und Relevanzen der einzelnen Isoformen bisher nicht komplett geklärt werden konnten. Eine p73-negative Maus hat einen diffusen Phänotyp, der sich durch niedrige Intelligenz, fast sterile Männchen und chronische bronchiale Infektion auszeichnet. Generell sind alle Mitglieder der p53-Familie tetramere Proteine und sind nur in diesem Zustand auch aktiv. Die einzige Ausnahme stellt, wie oben beschrieben, TAp63α dar, das in einem inaktiven dimeren Zustand vorliegt und nur durch Modifikation durch zwei unabhängige Kinasen aktiviert werden kann. Dabei geht es in den tetrameren Zustand über und ist daraufhin aktiv.
Alle drei Proteine haben (anhand ihrer längsten Isoform beschrieben) eine konservierte Domänenstruktur. Am Aminoterminus befindet sich zunächst die transaktivierende-Domäne (TAD), die für Interaktionen mit transkriptionellen Koaktivatioren relevant ist. Danach folgt die stark konservierte Desoxyribonukleinsäure (DNA) bindende Domäne (DBD). Sie stellt sicher, dass der Transkriptionsfaktor sequenzspezifisch an der richtigen Stelle auf die DNA bindet. Weitergehend folgt die Tetramerisierungsdomäne (TD), welche den oligomeren Zustand des Proteins herstellt. Im Falle von p53 endet das Protein an dieser Stelle, bei p63 und p73 folgen noch das Sterile-Alpha-Motiv (SAM) und die Transkription-inhibierende Domäne (TID). Die SAM Domäne wird generell als Interaktionsdomäne beschrieben, es konnte allerdings bis dato kein Interaktionspartner gefunden werden. Die TID hat einen negativen Einfluss auf die transkriptionelle Aktivität der Proteine. Im Falle von TAp63α interagiert sie zusätzlich mit der TAD um den Dimeren Zustand zu stabilisieren.
Histon Acetylasen
Die Acetylierung von Histonen ist neben deren Methylierung die wichtigste Modifikation. Sie ist essenziell für die Transkription innerhalb aller eukaryontischen Lebewesen, da sie durch die Modifikation von Histonen die DNA für die DNA-Polymerase II zugänglich macht. Es gibt insgesamt fünf verschiedene, nicht näher miteinander verwandte Familien von Histonacetylasen. Diese Studie beschäftigt sich ausschließlich mit der KAT3 Familie, bestehend aus den Proteinen p300 und CBP. Beide sind hochgradig konserviert, in gefalteten Bereichen der Proteine erreicht die Sequenzidentität fast 100%. Beide Proteine scheinen sehr ähnliche Aufgaben zu erfüllen, die jedoch nicht komplett identisch sind. Die Fehlfunktion von einem Allel von CBP führt zum Krankheitsbild des Rubinstein-Taybi-Syndrom (RTS), während ein Mangel an p300 sich in Mäusen auf das Gedächtnis auswirkt. Der komplette Verlust beider Allele eines der Proteine ist immer tödlich, genauso wie auch Verlust jeweils eines Allels bei beiden Proteinen. Insgesamt vier unabhängige Domänen in p300/CBP sind in der Lange die transaktivierende Domänen der p53-Familie zu binden. Bei zwei der Domänen handelt es sich um Zinkfinger-Proteine (Taz1 und Taz2), die anderen beiden sind kleine, ausschließlich α-helikale Domänen (Kix und IBiD).
Diese Studie beschäftigt sich mit der Lösung von Strukturen von der transaktivierenden Domäne von p63 und p73 mit der p300-Domäne Taz2. Außerdem wurden die Auswirkungen von direkten Acetylierungen von TAp63α charakterisiert und der Effekt von einem potenten p300/CBP Inhibitor auf Oozyten unter genotoxischem Stress analysiert. Zusätzlich wurde die Phosphorylierungskinetiken von Tap63α wärend der Aktivierung durch Kinasen untersucht.
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Although intrinsically disordered proteins or protein domains (IDPs or IDD) are less abundant in bacteria than in eukaryotes, their presence in pathogenic bacterial proteins is important for protein-protein interactions. The protein tyrosine kinase A (PtkA) from Mycobacterium tuberculosis possesses an 80-residue disordered region (IDDPtkA ) of unknown function, located N-terminally to the well-folded kinase core domain. Here, we characterize the conformation of IDDPtkA under varying biophysical conditions and phosphorylation using NMR-spectroscopy. Our results confirm that the N-terminal domain of PtkA exists as an IDD at physiological pH. Furthermore, phosphorylation of IDDPtkA increases the activity of PtkA. Our findings will complement future approaches in understanding molecular mechanisms of key proteins in pathogenic virulence.
The interaction of fibroblast growth factors (FGFs) with their fibroblast growth factor receptors (FGFRs) are important in the signaling network of cell growth and development. SSR128129E (SSR),[1, 2] a ligand of small molecular weight with potential anti-cancer properties, acts allosterically on the extracellular domains of FGFRs. Up to now, the structural basis of SSR binding to the D3 domain of FGFR remained elusive. This work reports the structural characterization of the interaction of SSR with one specific receptor, FGFR3, by NMR spectroscopy. This information provides a basis for rational drug design for allosteric FGFR inhibitors.
Electron transfer in respiratory chains generates the electrochemical potential that serves as energy source for the cell. Prokaryotes can use a wide range of electron donors and acceptors and may have alternative complexes performing the same catalytic reactions as the mitochondrial complexes. This is the case for the alternative complex III (ACIII), a quinol:cytochrome c/HiPIP oxidoreductase. In order to understand the catalytic mechanism of this respiratory enzyme, we determined the structure of ACIII from Rhodothermus marinus at 3.9 Å resolution by single-particle cryo-electron microscopy. ACIII presents a so-far unique structure, for which we establish the arrangement of the cofactors (four iron–sulfur clusters and six c-type hemes) and propose the location of the quinol-binding site and the presence of two putative proton pathways in the membrane. Altogether, this structure provides insights into a mechanism for energy transduction and introduces ACIII as a redox-driven proton pump.
NADH:ubiquinone oxidoreductase (Complex Ⅰ) is the first and largest enzyme in the respiratory chain. It catalyzes the transfer of two electrons from NADH to ubiquinone via a series of enzyme-bound redox centers - Flavin mononucleotide (FMN) and iron-sulfur (Fe-S) clusters – and couples the exergonic reaction with the endergonic translocation of four protons across the membranes. Bacteria contain the minimal form of complex I, which is composed of 14 conserved core subunits with a molecular mass of around 550 kDa. Complex Ⅰ has an L-shaped structure which can be subdivided into two major parts (arms). The hydrophilic arm protruding into the bacterial cytosol (or mitochondrial matrix) harbors the binding site for the substrate NADH, the two- to one-electron switch FMN and all one-electron transferring Fe-S clusters and therefore considered as the catalytic unit. The membrane arm consists of the membranespanning subunits and conducts the proton pumping process. The Quinone binding site is located at the interface of both arms. ...
The ATP-binding cassette transporter TAPL translocates polypeptides from the cytosol into the lysosomal lumen. TAPL can be divided into two functional units: coreTAPL, active in ATP-dependent peptide translocation, and the N-terminal membrane spanning domain, TMD0, responsible for cellular localization and interaction with the lysosomal associated membrane proteins LAMP-1 and LAMP-2. Although the structure and function of ABC transporters were intensively analyzed in the past, the knowledge about accessory membrane embedded domains is limited. Therefore, we expressed the TMD0 of TAPL via a cell-free expression system and confirmed its correct folding by NMR and interaction studies. In cell as well as cell-free expressed TMD0 forms oligomers, which were assigned as dimers by PELDOR spectroscopy and static light scattering. By NMR spectroscopy of uniformly and selectively isotope labeled TMD0 we performed a complete backbone and partial side chain assignment. Accordingly, TMD0 has a four transmembrane helix topology with a short helical segment in a lysosomal loop. The topology of TMD0 was confirmed by paramagnetic relaxation enhancement with paramagnetic stearic acid as well as by nuclear Overhauser effects with c6-DHPC and cross-peaks with water.
The centrosome linker proteins C-Nap1, rootletin, and CEP68 connect the two centrosomes of a cell during interphase into one microtubule-organizing center. This coupling is important for cell migration, cilia formation, and timing of mitotic spindle formation. Very little is known about the structure of the centrosome linker. Here, we used stimulated emission depletion (STED) microscopy to show that each C-Nap1 ring at the proximal end of the two centrioles organizes a rootletin ring and, in addition, multiple rootletin/CEP68 fibers. Rootletin/CEP68 fibers originating from the two centrosomes form a web-like, interdigitating network, explaining the flexible nature of the centrosome linker. The rootletin/CEP68 filaments are repetitive and highly ordered. Staggered rootletin molecules (N-to-N and C-to-C) within the filaments are 75 nm apart. Rootletin binds CEP68 via its C-terminal spectrin repeat-containing region in 75-nm intervals. The N-to-C distance of two rootletin molecules is ∼35 to 40 nm, leading to an estimated minimal rootletin length of ∼110 nm. CEP68 is important in forming rootletin filaments that branch off centrioles and to modulate the thickness of rootletin fibers. Thus, the centrosome linker consists of a vast network of repeating rootletin units with C-Nap1 as ring organizer and CEP68 as filament modulator.
The access to information on the dynamic behaviour of large proteins is usually hindered as spectroscopic methods require the site-specific attachment of biophysical probes. A powerful emerging tool to tackle this issue is amber codon suppression. Till date, its application on large and complex multidomain proteins of MDa size has not been reported. Herein, we systematically investigate the feasibility to introduce different non-canonical amino acids into a 540 kDa homodimeric fatty acid synthase type I by genetic code expansion with subsequent fluorescent labelling. Our approach relies on a microplate-based reporter assay of low complexity using a GFP fusion protein to quickly screen for sufficient suppression conditions. Once identified, these findings were successfully utilized to upscale both the expression scale and the protein size to full-length constructs. These fluorescently labelled samples of fatty acid synthase were subjected to initial biophysical experiments, including HPLC analysis, activity assays and fluorescence spectroscopy. Successful introduction of such probes into a molecular machine such as fatty acid synthases may pave the way to understand the conformational variability, which is a primary intrinsic property required for efficient interplay of all catalytic functionalities, and to engineer them.
Ribosome recycling orchestrated by ABCE1 is a fundamental process in protein translation and mRNA surveillance, connecting termination with initiation. Beyond the plenitude of well-studied translational GTPases, ABCE1 is the only essential factor energized by ATP, delivering the energy for ribosome splitting via two nucleotide-binding sites by a yet unknown mechanism. Here, we define how allosterically coupled ATP binding and hydrolysis events in ABCE1 empower ribosome recycling. ATP occlusion in the low-turnover control site II promotes formation of the pre-splitting complex and facilitates ATP engagement in the high-turnover site I, which in turn drives the structural reorganization required for ribosome splitting. ATP hydrolysis and ensuing release of ABCE1 from the small subunit terminate the post-splitting complex. Thus, ABCE1 runs through an allosterically coupled cycle of closure and opening at both sites, consistent with a processive clamp model. This study delineates the inner mechanics of ABCE1 and reveals why various ABCE1 mutants lead to defects in cell homeostasis, growth, and differentiation.
In optogenetics, rhodopsins were established as light-driven tools to manipulate neuronal activity. However, during long-term photostimulation using channelrhodopsin (ChR), desensitization can reduce effects. Furthermore, requirement for continuous presence of the chromophore all-trans retinal (ATR) in model systems lacking sufficient endogenous concentrations limits its applicability. We tested known, and engineered and characterized new variants of de- and hyperpolarizing rhodopsins in Caenorhabditis elegans. ChR2 variants combined previously described point mutations that may synergize to enable prolonged stimulation. Following brief light pulses ChR2(C128S;H134R) induced muscle activation for minutes or even for hours (‘Quint’: ChR2(C128S;L132C;H134R;D156A;T159C)), thus featuring longer open state lifetime than previously described variants. Furthermore, stability after ATR removal was increased compared to the step-function opsin ChR2(C128S). The double mutants C128S;H134R and H134R;D156C enabled increased effects during repetitive stimulation. We also tested new hyperpolarizers (ACR1, ACR2, ACR1(C102A), ZipACR). Particularly ACR1 and ACR2 showed strong effects in behavioral assays and very large currents with fast kinetics. In sum, we introduce highly light-sensitive optogenetic tools, bypassing previous shortcomings, and thus constituting new tools that feature high effectiveness and fast kinetics, allowing better repetitive stimulation or investigating prolonged neuronal activity states in C. elegans and, possibly, other systems.
F1Fo‐ATP synthase is one of the best studied macromolecular machines in nature. It can be inhibited by a range of small molecules, which include the polyphenols, resveratrol and piceatannol. Here, we introduce Photoswitchable Inhibitors of ATP Synthase, termed PIAS, which were synthetically derived from these polyphenols. They can be used to reversibly control the enzymatic activity of purified yeast Yarrowia lipolyticaATP synthase by light. Our experiments indicate that the PIAS bind to the same site in the ATP synthase F1 complex as the polyphenols in their trans form, but they do not bind in their cis form. The PIAS could be useful tools for the optical precision control of ATP synthase in a variety of biochemical and biotechnological applications.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, MALDI-Massenspektrometrie als robuste Analysenmethode für die quantitative Analyse niedermolekularer Verbindungen aus komplexen biologischen Matrizes zu etablieren. Zu Beginn der Arbeit wurden drei typische Fragestellungen im Bereich der Lebensmittelanalytik, der medizinischen Forschung und der klinischen Chemie ausgewählt, um die Methodik anhand dieser Modellsysteme zielgerichtet zu entwickeln und zu bewerten. Für jede dieser Fragestellungen wird routinemäßig ein hoher Probendurchsatz verlangt und damit werden hohe Anforderungen an die Probenvorbereitung gestellt, da diese einfach, schnell, reproduzierbar, Matrix-tolerant und automatisierbar sein muss um die Weiterentwicklung zur Hochdurchsatzanalytik zu erlauben.
Der quantitative Nachweis von Melamin und seinen Derivaten wurde aufgrund des Aufkommens von Milchprodukten, die mit diesen Verbindungen kontaminiert waren, ein wichtiger Bestandteil der Analytik dieser Lebensmittel. Insbesondere an diesem Beispiel zeigte sich der Vorteil des Einsatzes von MALDI-Massenspektrometrie zur Analyse kleiner Moleküle. Aufgrund der höheren Toleranz gegenüber Puffern und Salzen konnte die Probenvorbereitungszeit der für die FDA entwickelten Methode zur Quantifizierung von Melamin in Milchpulver mittels LC-ESI von ca. 140 min auf 90 min reduziert werden, da auf die zeitaufwendige Flüssigchromatographie verzichtet werden konnte. So wurde Melamin mit einem LLOQ von 0,5 ppm quantifiziert, was unterhalb der Vorgaben der WHO (2,5 ppm in Milichpulver und 1 ppm in Babynahrung) lag. Cyanursäure, ein Derivat von Melamin welches für die Bildung schwerlöslicher Komplexe in der Niere mitverantwortlich gemacht wird, konnte ebenfalls mit der entwickelten MALDI-MS Methode quantifiziert werden. Allerdings war die ermittelte Bestimmungsgrenze mit 15 ppm um den Faktor 30 schlechter als bei Melamin. Die Nachweisgrenze bei MALDI-MS ist stark von der MALDI-Matrix abhängig und die Verwendung von Sinapinsäure war eine gute Kompromisslösung, um die Analyten in einem Spot im positiven und negativen Reflektormodus zu analysieren. Allerdings wurde diese Matrix zur Analyse von Analyten im positiven Reflektormodus entwickelt. Bislang wurden nur wenige Matrizes für MALDI-MS im negativen Reflektormodus beschrieben, um z.B. Säuren besser nachweisen zu können. Forschung in diesem Bereich wird neue Möglichkeiten zur Detektion negativ geladener kleiner Moleküle ergeben.
Des Weiteren wurden im Rahmen dieser Arbeit auch Lösungen für klinische Fragestellungen wie etwa den Nachweis von Methylphenidat im Plasma und Gehirn von Ratten oder der Dried Blood Spot Analytik entwickelt. Bei beiden Methoden wurde jeweils nur eine einfache Flüssig-Flüssig-Extraktion zur Probenvorbereitung angewendet und sie ließen sich sehr gut auf Realproben übertragen.
Methylphenidat konnte im Plasma im Konzentrationsbereich von 0,1-40 ng/mL und im Hirnhomogenat im Konzentrationsbereich von 0,4-40 ng/mL quantifiziert werden, was gut im Konzentrationsbereich der Realproben von mit Methylphenidat gefütterten Ratten lag. Dazu standen das Plasma und die Gehirne von fünf Ratten zur Verfügung. Es wurde eine lineare Korrelation zwischen der MPH-Konzentration im Gehirnhomogenat und im Plasma gefunden, was basierend auf den bis dato bekannten Literaturergebnissen ein zu erwartendes Ergebnis war, aber zukünftig mit einer größeren Anzahl von Versuchstieren verifiziert werden sollte. Während der Methodenentwicklung war auch bei diesem Projekt die Auswahl der MALDI-Matrix ausschlaggebend für den Erfolg der Messungen. Im MALDI-Massenspektrum interferierte das Signal des Natriumaddukts von CHCA mit dem Signal von MPH. Für dieses Problem kamen zwei mögliche Lösungen in Betracht. Erstens die Quantifizierung mit ClCCA als MALDI-Matrix, da hier keine Interferenzen auftraten. In ersten Vorversuchen konnte MPH so in einem Konzentrationsbereich von 1-48 ng/mL mit einer exzellenten Linearität von R2=0,9992 quantifiziert werden. Eine zweite mögliche Problemlösung war die Verwendung von Tandem-Massenspektrometrie. Hierzu wurden Fragmentionen-Massenspektren der überlagerten Signale aufgenommen. MPH und der verwendete interne Standard MPH-d9 zeigten dabei spezifische Fragmentionensignale, über die quantifiziert wurde. Da die Sensitivität um den Faktor 100 im Vergleich zu MS-Spektren von CHCA und ClCCA gesteigert werden konnte, wurde die weitere Methodenentwicklung basierend auf der Tandem-Massenspektrometrie mit der MALDI-Matrix CHCA durchgeführt. Überdies sind MS/MS-Versuche unter Verwendung von ClCCA als MALDI-Matrix für kleine Moleküle sehr erfolgsversprechend und sollten in weiteren Forschungsarbeiten durchgeführt werden.
Die Dried Blood Spot Technik als alternative Probenvorbereitung bietet eine Reihe von Vorteilen, wie etwa den einer einfacheren Lagerung und eines einfacheren Transports einer großen Menge von Proben. Darüber hinaus werden nur wenige Mikroliter Blut verwendet, was vorteilhaft ist bei z B. klinischen Studien oder dem Therapeutic Drug Monitoring. Diese Art der Probennahme ist somit eine perfekte Ergänzung für weitere quantitative Analysen von Methylphenidat in Rattenblut. Den Ratten würden nur wenige Mikroliter Blut entnommen werden, was ihr Überleben sichert und der Transport der Proben auf dem Postweg wäre wesentlich einfacher. Um eine allgemein verwendbare DBS-MALDI-MS-Methode zu entwickeln, wurden neben Methylphenidat auch bekannte Analyten aus dem Bereich des Dopings sowie Lamotrigin, Coffein und Theophyllin als Beispiele für das Therapeutic Drug Monitoring verwendet. Es wurden verschiedene Lösungsmittel zur Extraktion eingesetzt, wobei sich eine Kombination aus Methyl-tert-Butylether und Ethanol, sowie Aceton als am besten geeignet erwies. Einige Analyten wie Coffein, Theophyllin und Lamotrigin wurden bis zu einer Konzentration von 0,5 μg/mL quantifiziert. Diese Bestimmungsgrenze ist bei Analyten aus dem Bereich des Dopings wie z.B. Salbutamol, Methylphenidat oder Clenbuterol, deren therapeutisch wirksame Plasmakonzentration im Bereich von wenigen Nanogramm pro Milliliter Blut liegt, um den Faktor 15-500 zu hoch. Diese Analyten waren bis zu einer Konzentration von 5 μg/mL im Blut mittels MALDI-MS problemlos nachweisbar. Um die Sensitivität zu erhöhen, ist es allerdings sinnvoll, die Extraktion zukünftig für die einzelnen Analyten zu optimieren, sie mittels Festphasenextraktion oder LC anzureichern und MS/MS-Spektren aufzunehmen. Für die Analyten Coffein, Theophyllin und Lamotrigin, deren therapeutisch wirksame Plasmakonzentration im ein- bis zweistelligen Mikrogramm-pro-Milliliter Bereich liegt, eignete sich die entwickelte Methode sehr gut. Es wurde eine Methodenvalidierung durchgeführt, wobei die validierten Parameter den Vorgaben der FDA entsprachen.
Da die Auswahl der MALDI-Matrix bei den verschiedenen Methodenentwicklungen jeweils ein kritischer Faktor war, wurden abschließend eine Auswahl von Analyten mit einer Molekülmasse bis ca. 600 Da mit verschiedenen MALDI-Matrizes präpariert. Ein Großteil der Analyten wurde am sensitivsten mit ClCCA nachgewiesen. Im Rahmen dieser Versuche wurde auch erstmals ein Strukturanalogon von ClCCA, und zwar ClCCA-Tetrazol, als alternative MALDI-Matrix eingesetzt, bei welchem die Carboxylgruppe durch einen Tetrazolring ausgetauscht wurde. Diese zeigte eine sehr homogene Kristallisation und für einige Analyten eine bis zu Faktor 3 höhere Signalintensität im Vergleich zu ClCCA. Außerdem war auffällig, dass einige Analyten unter bestimmten Präparationsbedingungen wie z B. der Graphite Supported Preparation sensitiver mittels MALDI-MS nachweisbar waren. Bei anderen Analyten verschlechterten sich die Analysenergebnisse. Graphit verändert stark die Kristallisation der MALDI-Matrix und es wird vermutet, dass sich dies auf den Einbau der Analyten in die Matrixkristalle auswirkt. Es konnte bislang aber noch nicht abschließend geklärt werden, wie genau die Präparation der Proben Einfluss auf den Einbau der Analyten in die Matrix nimmt. Eine Untersuchung dieser Phänomene sollte daher Gegenstand weiterer Forschungsprojekte sein.
Zusammenfassend stellt die MALDI-Massenspektrometrie eine schnelle und robuste Methode zur Quantifizierung einer Vielzahl kleiner Moleküle in komplexen biologischen Matrizes dar.