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Fokus meiner Doktorarbeit ist die Anwendung und Entwicklung NMR-spektroskopischer Methoden zur Charakterisierung zeitabhängiger Strukturänderungen von Biomolekülen – von lokalen dynamischen Veränderungen bis zur vollständigen Rückfaltung von Proteinen – und fasst die Ergebnisse meiner drei wichtigsten PhD-Projekte zusammen.
In meinem ersten Projekt habe ich die Leistung eines Temperatursprung-Probenkopfs – mit dem Proben mit hoher Salzkonzentration schnell erwärmt werden können – mithilfe einer Hochfrequenzspule technisch optimiert. Die optimierten Radiofrequenz-Bestrahlungsparameter, Lösungsmittel-bedingungen und der reduzierte Arbeitszyklus führten zu einem Temperatursprung von 20 °C in 400 ms. Ich habe eine Cystein-freie Mutante von Barstar hergestellt, die nach Zugabe von Harnstoff bei 0 °C kalt denaturiert werden kann, während sie ihren gefalteten Zustand bei 30 °C hält. Dadurch wurde auch ermöglicht, dass der Rückfaltungsprozess hunderte Male ohne Abbau oder Aggregation wiederholt werden kann. Die Kombination von reversibler Rückfaltung und rascher Temperaturänderung des kalt denaturierten Barstars ermöglichte die Entwicklung eines neuen kinetischen Experiments, bei dem der Rückfaltungsprozess von Barstar mit einem zweidimensionalen Echtzeit-NMR in hoher Zeitauflösung untersucht wird. Die vollständige Rückgratresonanzzuweisung wurde sowohl für den gefalteten als auch für den kalt denaturierten Zustand von Barstar durchgeführt und ergab, dass in der denaturierten Form beide Prolin-Reste einen gemischten Konformationszustand aufweisen. Dabei befindet sich die Tyr47-Pro48-Amidbindung im ungefalteten Zustand hauptsächlich in trans-, während im gefalteten Zustand in der seltenen cis-Konformation. Das neue hochauflösende kinetische Experiment zeigte, dass die Rückfaltung von Barstar durch die trans-cis-Isomerisierung der Tyr47-Pro48-Amidbindung verlangsamt wird, was sowohl die Sekundärstruktur als auch die Bildung der Tertiärstruktur beeinflusst. Basierend auf diesen Ergebnissen konnte ich einen plausiblen Faltungsmechanismus für den langsamen Faltungsweg von kalt denaturiertem Barstar skizzieren. Durch Änderung der Zeitparameter des Heizungszyklus wurde erreicht, dass die Tyr47-Pro48-Amidbindung im ungefalteten Zustand in der cis-Konformation bleibt und daher der schnelle Faltungsweg dominant wird. Das Starten des Magnetisierungstransfers vor der Temperaturänderung ermöglichte die Aufzeichnung eines Spektrums, das den entfalteten Zustand mit dem gefalteten Zustand korreliert. Dieses Spektrum ermöglichte quantitative Analysen des schnellen Faltungsweges und lieferte sogar indirekte Hinweise auf einen Zwischenzustand. Diese Methode aus Kombination von schnellem Temperatursprung und Kaltdenaturierung zeigt ein hohes Potenzial, Proteinfaltung auf atomarer Ebene experimentell zu untersuchen und ein tieferes Verständnis verschiedener Faltungswege zu erlangen.
In meinem zweiten Projekt – das Teil einer interdisziplinären Forschung war – konzentrierte ich mich auf die NMR-spektroskopische Charakterisierung von Nukleinsäuren, die mit einer photolabilen Schutzgruppe modifiziert wurden. Zuerst wurde mithilfe homonuklearer Korrelationsexperimente eine vollständige Protonresonanzzuweisung erreicht. Danach wurde die relative Konfiguration der photolabilen Schutzgruppen bestimmt basierend auf einer dreidimensionalen Modellstruktur und spezifischer NOE-Korrelationen. Des Weiteren wurde ein Strukturmodell unter Verwendung von NOE-Einschränkungen berechnet. Dieses Strukturmodell zeigte eine eingeschränkte Rotation um die CN-Bindung zwischen dem Käfig und der Nukleobase. Das Modell zeigte auch, dass der Käfig in der Hauptrille positioniert ist und nicht in das Lösungsmittel herausklappt. Im Vergleich zu einem zuvor charakterisierten NPE-Käfig führte die erhöhte Größe zu einer weiteren Senkung des Schmelzpunkts, zeigte jedoch einen geringeren Schmelzpunktunterschied zwischen der S- und der R-Konfiguration des Käfigs, wobei die S-Konfiguration zu einer größeren Reduktion des Schmelzpunktes führt. Dieser Trend wurde weiter untersucht und durch ein Screening unterstützt. Durch selektive Wasserinversions-Rückgewinnungsexperimente konnte ich auch zeigen, dass der Käfig die lokale Stabilität nur bis zu einer Entfernung von zwei benachbarten Basenpaaren von der Modifikationsstelle verringert. Die NOE-Daten dienten auch als guter Bezugspunkt, um die Qualität molekulardynamischer Simulationen zu testen, mit denen zusätzliche Käfigdesigns untersucht wurden. Die Kombination aus Synthese, NMR-Spektroskopie und MD-Simulationen ermöglichte bis jetzt die detaillierteste Untersuchung des Effekts vom Einbau eines einzelnen Käfigs zur Destabilisierung der DNA-Sekundärstruktur. Dabei wurden Einschränkungen des möglichen Designs aufgedeckt, aber auch die Entwicklung einer neuen, effizienteren Struktur ermöglicht.
Mein drittes Projekt konzentrierte sich auf die Charakterisierung eines RNA-Modellsystems. NMR-spektroskopische Daten von kleinen RNA-Modellsystemen – wie NOE, skalare Kopplungen, kreuzkorrelierte Relaxationsraten und RDC – sind eine unschätzbare Referenz für MD-Simulationen, obwohl die Menge der verfügbaren Literaturdaten – bis jetzt – sehr begrenzt ist. ...
The application of laser induced fluorescence (LIF) in the uv to monitor tropospheric OH concentrations is limited for several reasons. In general the sensitivity of this method increases with the laser intensity. But at the low OH concentrations present in the atmosphere the beginning nonlinearity of the absorption (saturation effect) severely restricts the use of higher laser intensities. The high sensitivity of the LIF technique can be further compromised by the presence of an OH interference signal. This signal is generated by the monitoring laser light itself from laser photolysis of ambient ozone and the succeeding reaction of the photolysis product O (1D) with water to produce hydroxyl radicals. The results of the calculations are presented in a diagram from which the range of laser parameters can be deduced, which can be applied with confidence to monitor OH by the LIF method. The maximum number of signal counts for these working conditions is in the range of 10-3 per laser pulse.
The immune system makes use of major histocompatibility complex class I (MHC I) molecules to present peptides to other immune cells, which can evoke an immune response. Within this process of antigen presentation, the MHC I peptide loading complex, consisting of a transporter associated with antigen processing TAP, MHC I, and chaperones, is key to the initiation of immune response by shuttling peptides from the cytosol into the ER lumen. However, it is still enigmatic how the flux of antigens is precisely coordinated in time and space, limiting our understanding of antigen presentation pathways. Here, we report on the development of a synthetic viral TAP inhibitor that can be cleaved by light. This photo-conditional inhibitor shows temporal blockade of TAP-mediated antigen translocation, which is unleashed upon illumination. The recovery of TAP activity was monitored at single-cell resolution both in human immune cell lines and primary cells. The development of a photo-conditional TAP inhibitor thus expands the repertoire of chemical intervention tools for immunological processes.
Amorphous formulation technologies to improve oral absorption of poorly soluble active pharmaceutical ingredients (APIs) have become increasingly prevalent. Currently, polymer-based amorphous formulations manufactured by spray drying, hot melt extrusion (HME), or co-precipitation are most common. However, these technologies have challenges in terms of the successful stabilization of poor glass former compounds in the amorphous form. An alternative approach is mesoporous silica, which stabilizes APIs in non-crystalline form via molecular adsorption inside nano-scale pores. In line with these considerations, two poor glass formers, haloperidol and carbamazepine, were formulated as polymer-based solid dispersion via HME and with mesoporous silica, and their stability was compared under accelerated conditions. Changes were monitored over three months with respect to solid-state form and dissolution. The results were supported by solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy (SS-NMR) and scanning electron microscopy (SEM). It was demonstrated that mesoporous silica was more successful than HME in the stabilization of the selected poor glass formers. While both drugs remained non-crystalline during the study using mesoporous silica, polymer-based HME formulations showed recrystallization after one week. Thus, mesoporous silica represents an attractive technology to extend the formulation toolbox to poorly soluble poor glass formers.
The widespread application of human stem-cell-derived neurons for functional studies is impeded by complicated differentiation protocols, immaturity, and deficient optogene expression as stem cells frequently lose transgene expression over time. Here we report a simple but precise Cre-loxP-based strategy for generating conditional, and thereby stable, optogenetic human stem-cell lines. These cells can be easily and efficiently differentiated into functional neurons, and optogene expression can be triggered by administering Cre protein to the cultures. This conditional expression system may be applied to stem-cell-derived neurons whenever timed transgene expression could help to overcome silencing at the stem-cell level.
The order-disorder phase transition which occurs at Tc = 296.9 K in anilinium bromide, C6H5NH3Br, is studied by inelastic neutron time-of-flight measurements. Data are taken from hydrogenated and partially deuterated samples (C6D5NH3Br and C6H5ND3Br) below and above the transition temperature. From the inelastic scattering data the phonon frequency distribution in the range of the intermolecular vibrations is calculated. The assignment of bands is given and changes in the spectra with temperature are discussed. The analysis of the quasielastic line revealed substantial broadening due to rotational diffusion of the -NH3⊕ group. These jump diffusion processes were observed in the orthorhombic high temperature and - with markedly diminished rate - in the monoclinic phase below Tc. From the correlation times at different temperatures the activation energies are estimated for both phases. Comparison with calculated elastic incoherent structure factors suggests jumps of 60° for hindered rotation.
The crystal structure of the high temperature phase of anilinium bromide, C6H5NH3⊕Br⊖ , was studied by X-ray and neutron diffraction at T = 343 K. The refinement supports disordered positions of the -NH3⊕ group. A split-atom model is proposed which includes disorder of the benzene ring. The thermal parameters, hydrogen bond distances, and other experimental data (NMR, NQR, inelastic neutron scattering) are in accordance with this model.
The crystal structure of the low temperature phase of anilinium bromide, C6H5NH3⊕Br⊖, was studied by neutron diffraction at T = 100 K. The refinement supports an ordered structure. The structures of the low and high temperature phases are compared and the mechanism of the phase transformation is discussed.
The interactions between human haptoglobin, Hp II (genetic types 2 - 1 and 2-2), and bovine hemoglobin, Hb, were investigated taking inhibition of complex formation and complex dissociation in various solvent media as criteria.
As shown by relative peroxidase activity and gel chromatography, complex dissociation occurs at high concentrations of guanidine HCl, urea, sodium chloride, dioxane, and formaldehyde, while in case of sodium dodecylsulfate a low molar ratio (SDS/Hb -Hp<5) is sufficient to split the complex. In general the formation of the complex stabilizes the structure of its constituents.
Excluding solvent conditions which lead to denaturation (as measured by optical rotation), ionpairs and H-bonds seem to prevail in the stabilization of the complex, while hydrophobic interactions should be of minor importance. Chemical modification of histidine and tyrosine with diazonium-1-H-tetrazole and N-acetylimidazole, respectively, prove histidyl-groups in Hb and tyrosylgroups in Hp to participate in the Hb-Hp contact, thus confirming earlier results.