540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
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Molekulare Werkzeuge können in der Wissenschaft unter anderem dazu verwendet werden, biochemische Prozesse gezielt zu untersuchen, um sie somit besser zu verstehen. Dabei handelt es sich zum Beispiel, um kleine chemische Moleküle, die gezielt für ihr Anwendungsgebiet konzipiert worden sind. Mit Ihnen lassen sich z.B. Interaktionen zwischen (Makro-)Molekülen regulieren, chemische Gleichgewichte lokal verändern oder auch Botenstoffe zielgerichtet freisetzen. Die Effekte dieser temporären Einwirkung auf verschiedenste biologische Systeme können hilfreiche Erkenntnisse struktureller, funktioneller oder systematischer Art für die entsprechenden Forschungsgebiete liefern.
Um die interdisziplinären Problemstellungen zielgerichtet mit den entsprechend zugeschnittenen Werkzeugen zu adressieren, ist es dabei jedoch absolut notwendig, dass ein umfassendes und über die Grenzen der jeweiligen Fachgebiete hinaus gehendes Verständnis der jeweiligen Fragestellungen entwickelt wird.
Viele der bisher bekannten Werkzeuge benötigen für ihren Einsatz bis heute noch relativ harsche Reaktionsbedingungen, haben ein eingeschränktes Anwendungsfeld oder lassen sich nicht ausreichend Zeit- & Ortsaufgelöst „aktivieren“. Die Möglichkeit Licht als externes Trigger-Signal zu verwenden, um die entsprechenden molekularen Werkzeuge zu aktivieren (oder auch zu deaktivieren), überwindet genau diese Defizite und bringt neben der hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung noch viele weitere Vorteile mit sich. Im Rahmen meiner Doktorarbeit ist es mir gelungen gemeinsam mit meinen Kooperationspartnern neue lichtaktivierbare molekulare Werkzeuge von Grund auf zu designen, zu synthetisieren, sie auf ihre photochemischen Eigenschaften zu untersuchen und sie anzuwenden. Durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit mit Doktoranden aus der Organischen, Theoretischen und Physikalischen Chemie, konnte ein umfassendes Bild dieser neuen Substanzklassen aufgezeigt werden. Die verschiedenen Arten lichtaktivierbarer Werkzeuge sollen im Verlauf dieser Arbeit genauer herausgearbeitet werden. Generell kann man in drei grundlegenden Klassen von lichtaktivierbaren Werkzeugen unterscheiden: 1. irreversibel photolabile Schutzgruppen, 2. photoaktivierbare Label und 3. reversibel lichtschaltbare Photoschalter.
Auf dem Gebiet der photolabilen Schutzgruppen, auch photoaktivierbare Schutzgruppen oder Photocages genannt, ist es uns gelungen eine neue Spezies von Molekülen zu identifizieren, die dazu in der Lage sind, nach photochemischer Anregung eine spezifische Bindung innerhalb ihres molekularen Gerüsts zu spalten. Möglich gemacht wurde dies, indem wir den sog. „uncaging Prozess ganz neu gedacht“ haben und mit der Unterstützung von Theorie und Spektroskopie unsere Ergebnisse in einer Struktur-Aktivitäts-Beziehungs-Studie (SAR) festhalten konnten. Aus einer Substanzbibliothek von diversen theoretisch berechneten Kandidaten, wurden die vielversprechendsten Verbindungen anschließend synthetisiert und photochemisch charakterisiert. Nach initialen Untersuchungen und den daraus hervorgehenden Erkenntnissen, wurden weitere molekulare Struktur auf die Optimierungen der photochemischen Eigenschaften hin theoretisch berechnet und anschließend im Labor realisiert. Daraus resultierend entwickelten wir einen Photocage, der mit einer hohen Quantenausbeute mit Licht von über 450 nm photolysierbar ist und ebenfalls dazu in der Lage ist Neurotransmitter wie z.B. Glutamat zielgerichtet und lichtaktiviert freizusetzen. Eine weitere Struktur-Aktivitäts-Beziehungs-Studie wurde im Rahmen dieser Arbeit mit dem Isatin-Gerüst als potentiell neue photolabile Schutzgruppe durchgeführt.
Ebenfalls konnten in einer dritten Studie auf dem Gebiet der photolabilen Schutzgruppen Untersuchungen am Coumarin-Grundgerüst zeigen, dass eine systematische Einschränkung der Relaxationspfade im Molekül eine Verbesserung der photochemischen Eigenschaften mit sich bringen kann.
Photoaktivierbare Label werden in den verschiedensten Bereichen der Wissenschaft angewendet. Meist erlauben jedoch die chemischen Moleküle nur eine begrenzte „Beobachtungszeit“ der biochemischen Prozesse aufgrund der effizienten und damit schnellen Relaxationspfade zurück in den Grundzustand. Zu Beginn der durchgeführten Untersuchungen, bestand unsere Idee darin, die selektive Prä-IR-Anregung mit Hilfe eines UV/vis-Pulses (entsprechend der VIPER-Spektrokopie) in ein langlebiges Triplett-Signal eines geeigneten Chromophors zu überführen, welches anschließend für die Beobachtung vergleichsweise lang-lebiger biochemischer Prozesse verwendet werden könnte. Aus dieser Idee heraus entwickelten wir einen Chromophor, der neben einer Absorption im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums, zusätzlich eine IR-adressierbare funktionelle Gruppe, sowie die Eigenschaft, ein effizientes Inter-System-Crossing (ISC) nach photochemischer Anregung durchzuführen, besaß. Zu unserem Erstaunen zeigte dieses Derivat jedoch nach erfolgreicher Synthese nicht das erwartete Verhalten. Ein weiteres Beispiel für die hochgradige Komplexität der Photochemie.
Mit Hilfe von theoretischen und spektroskopischen Methoden konnten dennoch viele hilfreiche Erkenntnisse aus dieser Studie für zukünftige Untersuchungen aufgedeckt werden.
Ebenso war es während meiner Promotion eines der Ziele, den Schaltprozess des sog. Fulgid-Photoschalters genauer zu untersuchen und somit besser zu verstehen. Hierbei handelt es sich um ein ausgesprochen beständiges, photochemisch reversibel schaltbares Molekül, auch wenn dies vielleicht auf den ersten Blick ein Widerspruch in sich zu sein scheint. Es gelang uns diesen Photoschalter, genauer gesagt seine Photo-Isomere, auf dem Gebiet der chemischen Aktinometrie zu etablieren.
Dafür waren zahlreiche Messungen diverser Reaktivitäten (photochemische Reaktions-Quantenausbeuten) in verschiedenste Wellenlängenbereiche vom Nah-UV-Bereich bis hin zur 700 nm Grenze erforderlich. Außerdem wurden alle Werte mit der Referenzmessung einer Photodiode bzw. je nach Wellenlängenbereich auch mit der klassischen Ferri-Oxalat-Aktinometrie verglichen. Im Anschluss daran fokussierte ich mich weiter auf die einzelnen Photo-Isomere und ihre einzigartige chemische Struktur. Mit Hilfe der chiralen HPLC gelang es uns die einzelnen Photo-Isomere voneinander zu isolieren und diese mit verschiedensten photochemischen und theoretischen Methoden „genauer unter die Lupe“ zu nehmen. Die aus dieser Studie gewonnenen Erkenntnisse bereiten den Weg für diverse, zukünftige spektroskopische Anwendungen dieses Photoschalters.
Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is a powerful and popular technique for probing the molecular structures, dynamics and chemical properties. However the conventional NMR spectroscopy is bottlenecked by its low sensitivity. Dynamic nuclear polarization (DNP) boosts NMR sensitivity by orders of magnitude and resolves this limitation. In liquid-state this revolutionizing technique has been restricted to a few specific non-biological model molecules in organic solvents. Here we show that the carbon polarization in small biological molecules, including carbohydrates and amino acids, can be enhanced sizably by in situ Overhauser DNP (ODNP) in water at room temperature and at high magnetic field. An observed connection between ODNP 13C enhancement factor and paramagnetic 13C NMR shift has led to the exploration of biologically relevant heterocyclic compound indole. The QM/MM MD simulation underscores the dynamics of intermolecular hydrogen bonds as the driving force for the scalar ODNP in a long-living radical-substrate complex. Our work reconciles results obtained by DNP spectroscopy, paramagnetic NMR and computational chemistry and provides new mechanistic insights into the high-field scalar ODNP.
Coronavirus disease 2019 (COVID-19) is a global pandemic posing significant health risks. The diagnostic test sensitivity of COVID-19 is limited due to irregularities in specimen handling. We propose a deep learning framework that identifies COVID-19 from medical images as an auxiliary testing method to improve diagnostic sensitivity. We use pseudo-coloring methods and a platform for annotating X-ray and computed tomography images to train the convolutional neural network, which achieves a performance similar to that of experts and provides high scores for multiple statistical indices (F1 scores > 96.72% (0.9307, 0.9890) and specificity >99.33% (0.9792, 1.0000)). Heatmaps are used to visualize the salient features extracted by the neural network. The neural network-based regression provides strong correlations between the lesion areas in the images and five clinical indicators, resulting in high accuracy of the classification framework. The proposed method represents a potential computer-aided diagnosis method for COVID-19 in clinical practice.
Single-particle tracking enables the analysis of the dynamics of biomolecules in living cells with nanometer spatial and millisecond temporal resolution. This technique reports on the mobility of membrane proteins and is sensitive to the molecular state of a biomolecule and to interactions with other biomolecules. Trajectories describe the mobility of single particles over time and provide information such as the diffusion coefficient and diffusion state. Changes in particle dynamics within single trajectories lead to segmentation, which allows to extract information on transitions of functional states of a biomolecule. Here, mean-squared displacement analysis is developed to classify trajectory segments into immobile, confined diffusing, and freely diffusing states, and to extract the occurrence of transitions between these modes. We applied this analysis to single-particle tracking data of the membrane receptor MET in live cells and analyzed state transitions in single trajectories of the un-activated receptor and the receptor bound to the ligand internalin B. We found that internalin B-bound MET shows an enhancement of transitions from freely and confined diffusing states into the immobile state as compared to un-activated MET. Confined diffusion acts as an intermediate state between immobile and free, as this state is most likely to change the diffusion state in the following segment. This analysis can be readily applied to single-particle tracking data of other membrane receptors and intracellular proteins under various conditions and contribute to the understanding of molecular states and signaling pathways.
Isothermal titration calorimetry (ITC) is a widely used technique for the characterization of protein-protein and protein-ligand interactions. It provides information on the stoichiometry, affinity, and the thermodynamic driving forces of interactions. This chapter exemplifies the use of ITC to investigate interactions between human autophagy modifiers (LC3/GABARAP proteins) and their interaction partners, the LIR motif containing sequences. The purpose of this report is to present a detailed protocol for the production of LC3/GABARAP-interacting LIR peptides using E. coli expression systems. In addition, we outline the design of ITC experiments using the LC3/GABARAP:peptide interactions as an example. Comprehensive troubleshooting notes are provided to facilitate the adaptation of these protocols to different ligand-receptor systems. The methodology outlined for studying protein-ligand interactions will help to avoid common errors and misinterpretations of experimental results.
Einfache elektrochemische Methode zur Bestimmung von Chlorit in wässrigen und nicht-wässrigen Systemen Stoffe bzw. Verbindungen, welche nachweislich krebserregend oder fruchtbarkeitsschädigend sind, werden seit Jahren, insbesondere durch die WHO, streng reguliert. Zu diesen Stoffen zählt u. a. Chlorit, welches als Abbauprodukt in Desinfektionsmitteln, Poolwassern und im Rahmen von organischen Oxidationsprozessen vorkommt. Im Rahmen des Projektes sollte eine elektrochemische Methode zu Detektion von Chlorit in wässrigen und organischen Proben entwickelt werden, wobei auf eine Glaskohlenstoffelektrode in Kombination mit Li [NTf]2 im Wässrigen und [Bmpyrr][NTf]2/MeOH im Organischen als Elektrolyten zurückgegriffen wurden.
Bei der Methodenentwicklung wurde auf Differentielle-Puls-Voltammetrie zurückgegriffen, da diese im Vergleich zum Cyclovoltammetrie deutlich empfindlicher ist. Die Methodenvalidierung nach ICH-Guidelines konnte erfolgreich durchgeführt werden Dabei konnte im Wässrigen eine Nachweisgrenze von 0.07 mg L-1 (Organisch: 0.20 mg L-1) erhalten werden. Beide lagen deutlich unter den WHO-Grenzwerten von 0.7 mg L-1. Die Selektivität/Interferenz wurde gegenüber den übrigen Chlor-Spezies getestet; für alle Spezies, außer Hypochlorit, konnten für die Wiederfindungsrate von Chlorit Werte nahe 100% erhalten werden. Die entwickelte Methode konnte erfolgreich auf wässrige (Poolproben, Desinfektionsmittel) und organische Proben (aus Pinnick-Synthesen) angewendet werden. Insbesondere durch die Anwendung im Bereich der Pinnick-Oxidation war der Sensor für mögliche In-Line-Analytik geeignet. Bei den organischen Proben konnte zudem die ionische Flüssigkeit zu 92% zurückgewonnen werden, was den Elektrolyten in Hinblick auf Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit noch attraktiver macht.
Entwicklung ionenchromatographischer Methoden zur Detektion von Chloroxo-Spezies
Der Bedarf an schnellen, kostengünstigen Analysemethoden, welche den Vorgaben der einzelnen Behörden weltweit entsprechen, ist in den letzten Jahren enorm gestiegen. Im Rahmen des Projektes sollte eine ionenchromatographische Methode (IC) entwickelt werden, welche neben den Chloroxo-Spezies (Chlorid, Hypochlorit, Chlorit, Chlorat und Perchlorat) auch die bekannten Standardionen (Fluorid, Bromid, Nitrat, Phosphat, Sulfat, Iodid) nachweisbar macht. Zunächst gelang es, die Methodenparameter zu optimieren und so die Chloro-Spezies, außer Hypochlorit, von den übrigen Standardanionen innerhalb von 50 Minuten vollständig zu trennen. Die Methode konnte in der weiteren Entwicklung sogar noch um die Detergenzien-Anionen Acetat, Formiat, Oxalat und Tartrat erweitert werden. (ASupp 7, 45 °C, 0.8 mL min-1, 6 mmol L-1 Na2CO3 / 1 mmol L-1 NaHCO3 + 10% Acetonitril). Auch alle notwendigen Validierungsparameter konnten erfolgreich bestimmt werden. Zuletzt war es möglich, erfolgreich unterschiedliche Realproben zu vermessen.
Da ein Nachweis von Hypochlorit mittels IC nicht möglich war, wurden weitere Anstrengung unternommen, dieses Anion mittels IC-PCR (Nachsäulenderivatisierung) nachzuweisen. Als Detektionsprinzip wurde dabei auf eine Bromat-Nachweis-Methode mittels UV/VIS zurückgegriffen, welche im Rahmen des Projektes angepasst wurde. Da davon ausgegangen werden muss, dass das Hypochlorit mit reaktiven Stellen innerhalb des Säulenmaterials reagiert und somit nicht mehr detektiert werden kann, wurden Passivierungsexperimente an der Vorsäule und Säule für 24 h mit einer Hypochlorit-NaOH-Mischung durchgeführt. Nach 60 Stunden Passivierung konnten erstmals reproduzierbare Ergebnisse bei dem Nachweis von OCl- erhalten werden. Zuletzt konnten erfolgreich fünf unterschiedliche Realproben vermessen und der Hypochlorit-Gehalt mit bisher angewandten Methoden verglichen werden, wobei die erhaltenen Werte in der gleichen Größenordnung lagen.
Entwicklung eines Sensors unter Verwendung der Viologen-Grundstruktur auf metallischen Oberflächen
Früher fanden Viologene und deren Derivate Anwendung im Bereich der Schädlingsbekämpfung und wurden hauptsächlich als Kontaktherbizid verwendet. Mittlerweile hat sich das Anwendungsspektrum der Viologene deutlich verändert, u.a. werden die in organischen Redox-Fluss-Batterien als Elektrolyte eingesetzt. Im Rahmen diesen Projekts wurden mehrere bekannte Viologen-Grundkörper (u. A. Methylviologen (MV)) vollständig elektrochemisch charakterisiert Im Anschluss wurde MV mit unterschiedlichen Ankergruppen (Thiol-, Sulfonat, -Phosphonat-, Carboxylanker) modifiziert und auf metallische Oberfläche (u. A. Gold und Kupfer) abgeschieden mit dem Ziel ein neues Sensor-Motiv für die Analytik zu entwickeln. Der Thiolanker konnte erfolgreich auf Gold, der Carboxylanker erfolgreich auf Kupfer abgeschieden werden. Die anschließenden elektrochemischen Untersuchungen der abgeschiedenen Monolagen ergaben jedoch eine geringe Stabilität der Anker in wässriger und organischer Umgebung, sodass in Zukunft weitere Anstrengungen unternommen werden müssen, die Stabilität des Viologensystems auf der Oberfläche zu verbessern.
Der Fokus der Arbeit liegt auf der Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Molekülen in selbst-anordnenden Monolagen (SAMs) auf Goldoberflächen mittels Rastertunnelmikroskopie und komplementären Methoden wie z.B. Infrarot-Reflektions-Absorptions-Spektro-skopie.
In dieser Arbeit wurde das kürzlich etablierte Konzept von eingebetteten Dipolmomenten in aromatischen, SAM-bildenden Molekülen eingehender untersucht. Das Ausmaß des Dipol-moments und die Größe der SAM-bildenden Moleküle wurden synthetisch variiert und der Einfluss auf die Struktur und elektronischen Eigenschaften der SAMs untersucht. Binäre, gemischte Monolagen aus SAM-bildenden Molekülen mit "entgegen gerichteten", Dipolmomenten wurden hergestellt und charakterisiert. Zur Herstellung der binären, gemischten Monolagen wurden zwei Methoden verwendet: die Monolagen wurden a) aus bereits gemischten Lösungen der Moleküle abgeschieden oder b) eine reine SAM in die Lösung des anderen Moleküls eingelegt, so dass ein Austausch stattfand. Der Vergleich der beiden Methoden ermöglicht Rückschlüsse über die Abscheidungsprozesse. Die Charakterisierung der SAMs dieser Mischungsreihen gab Aufschluss über Eigenschaften wie Packungsdichte, Austrittsarbeit, elektronischen Ladungstransport in Monolagen und Orientierung der Moleküle relativ zur Oberfläche und erlaubte Schlussfolgerungen über die Mischbarkeit und das Ausmaß der Dipolwechselwirkungen der Moleküle in der Monolage. In einem ähnlichen Ansatz zu dem oben beschriebenen Vorgehen wurden Quadrupolwechselwirkungen zwischen SAM-bildenen, Benzol-, Naphtalin- und Anthracenderivaten untersucht. In Mischungsreihen wurden SAMs von nicht- und teilweise (hoch)fluorierten, SAM-bildenden Molekülen auf Goldoberflächen charakterisiert. Die Ergebnisse der Untersuchungen können bei der gezielten Einstellung der elektronischen Eigenschaften in elektronischen Bauteilen wie OFETs Anwendung finden.
In einem weiteren Projekt wurde der Einfluss von polaren Endgruppen auf die in situ Abspaltung von Schutzgruppen an Terphenylthiol-Derivaten untersucht, wobei die Ergebnisse zum Aufbau größerer, aus organischer Elektronik bestehender, Netzwerke verwendet werden können.
To better understand the role of sphingolipids in the multifactorial process of inflammatory bowel disease (IBD), we elucidated the role of CerS4 in colitis and colitis-associated cancer (CAC). For this, we utilized the azoxymethane/dextran sodium sulphate (AOM/DSS)-induced colitis model in global CerS4 knockout (CerS4 KO), intestinal epithelial (CerS4 Vil/Cre), or T-cell restricted knockout (CerS4 LCK/Cre) mice. CerS4 KO mice were highly sensitive to the toxic effect of AOM/DSS, leading to a high mortality rate. CerS4 Vil/Cre mice had smaller tumors than WT mice. In contrast, CerS4 LCK/Cre mice frequently suffered from pancolitis and developed more colon tumors. In vitro, CerS4-depleted CD8+ T-cells isolated from the thymi of CerS4 LCK/Cre mice showed impaired proliferation and prolonged cytokine production after stimulation in comparison with T-cells from WT mice. Depletion of CerS4 in human Jurkat T-cells led to a constitutively activated T-cell receptor and NF-κB signaling pathway. In conclusion, the deficiency of CerS4 in T-cells led to an enduring active status of these cells and prevents the resolution of inflammation, leading to a higher tumor burden in the CAC mouse model. In contrast, CerS4 deficiency in epithelial cells resulted in smaller colon tumors and seemed to be beneficial. The higher tumor incidence in CerS4 LCK/Cre mice and the toxic effect of AOM/DSS in CerS4 KO mice exhibited the importance of CerS4 in other tissues and revealed the complexity of general targeting CerS4.
Today, the term buchu refers to the two species in commerce, Agathosma betulina (P.J.Bergius) Pillans and Agathosma crenulata (L.) Pillans (Rutaceae). Its traditional use in urinary tract infections and related ailments made it a popular remedy, specifically in the US, in 19th century, but with the advent of antibiotics it became largely obsolete. Recent focus is on technological use and on the essential oil for use in the perfume and food-flavouring industry. A review of the scarce pharmacological research revealed moderate antimicrobial activity for a leaf extract but not the essential oil of both species in the MIC assay. In the 5-lipoxygenase (5-LO) assay the essential oil of both species revealed IC50 values of 50.37 ± 1.87 μg/ml and 59.15 ± 7.44 μg/ml, respectively. In another study 98% inhibitory activity was determined for 250 μg/ml of an ethanolic extract of A. betulina on cyclooxygenase (COX)-1 and a 25% inhibitory activity on COX-2. Analgesic activity of an ethanolic extract of A. betulina was shown in mice. Moderate antioxidant activity was determined for methanol:dichlormethane extracts of A. betulina and A. crenulata and an aqueous extract of A. betulina showed a Trolox equivalent antioxidant capacity (TEAC) of 11.8 µM Trolox. Recent in vitro studies with a commercial aqueous extract of buchu revealed increased uptake of glucose added to 3T3-L1 cell line, significant inhibition of the respiratory burst of neutrophils and monocytes, reduction in the expression of adhesion molecules and inhibition of the release of IL-6 and TNF-α. In diabetic rats the ingestion of aqueous buchu extract completely normalized the glucose level and in rats receiving a high fat diet the consumption of aqueous buchu extract resulted in less weight gain and less intraperitoneal fat gain as well as reduction of elevated blood pressure to normal associated with cardioprotective effects. Limitations in the hitherto conducted research lie in the undisclosed composition of the buchu extracts used and the difficulty in extrapolating data from animal studies to humans. Health claims for buchu products need to be substantiated by randomized, double-blind and placebo-controlled studies. Only then can they be promoted for their true therapeutic potential.