540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
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The interaction of trimethyl(methylcyclopentadienyl)platinum(IV) ((C5H4CH3)Pt(CH3)3) molecules on fully and partially hydroxylated SiO2 surfaces, as well as the dynamics of this interaction were investigated using density functional theory (DFT) and finite temperature DFT-based molecular dynamics simulations. Fully and partially hydroxylated surfaces represent substrates before and after electron beam treatment and this study examines the role of electron beam pretreatment on the substrates in the initial stages of precursor dissociation and formation of Pt deposits. Our simulations show that on fully hydroxylated surfaces or untreated surfaces, the precursor molecules remain inactivated while we observe fragmentation of (C5H4CH3)Pt(CH3)3 on partially hydroxylated surfaces. The behavior of precursor molecules on the partially hydroxylated surfaces has been found to depend on the initial orientation of the molecule and the distribution of surface active sites. Based on the observations from the simulations and available experiments, we discuss possible dissociation channels of the precursor.
Bleaching-independent, whole-cell, 3D and multi-color STED imaging with exchangeable fluorophores
(2018)
We demonstrate bleaching-independent STED microscopy using fluorogenic labels that reversibly bind to their target structure. A constant exchange of labels guarantees the removal of photobleached fluorophores and their replacement by intact fluorophores, thereby circumventing bleaching-related limitations of STED super-resolution imaging in fixed and living cells. Foremost, we achieve a constant labeling density and demonstrate a fluorescence signal for long and theoretically unlimited acquisition times. Using this concept, we demonstrate whole-cell, 3D, multi-color and live cell STED microscopy with up to 100 min acquisition time.
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.
Engineering of assembly line polyketide synthases (PKSs) to produce novel bioactive compounds has been a goal for over twenty years. The apparent modularity of PKSs has inspired many engineering attempts in which entire modules or single domains were exchanged. In recent years, it has become evident that certain domain-domain interactions are evolutionarily optimized, and if disrupted, cause a decrease of the overall turnover rate of the chimeric PKS. In this study, we compared different types of chimeric PKSs in order to define the least invasive interface and to expand the toolbox for PKS engineering. We generated bimodular chimeric PKSs in which entire modules were exchanged, while either retaining a covalent linker between heterologous modules or introducing a non-covalent docking domain- or SYNZIP domain-mediated interface. These chimeric systems exhibited non-native domain-domain interactions during intermodular polyketide chain translocation. They were compared to otherwise equivalent bimodular PKSs in which a non-covalent interface was introduced between the condensing and processing parts of a module, resulting in non-native domain interactions during the extender unit acylation and polyketide chain elongation steps of their catalytic cycles. We show that the natural PKS docking domains can be efficiently substituted with SYNZIP domains and that the newly introduced non-covalent interface between the condensing and processing parts of a module can be harnessed for PKS engineering. Additionally, we established SYNZIP domains as a new tool for engineering PKSs by efficiently bridging non-native interfaces without perturbing PKS activity.
Covering: mid 1990s to 2018
Over the last two decades, diverse approaches have been explored to generate new polyketides by engineering polyketide synthases (PKSs). Although it has been proven possible to produce new compounds by designed PKSs, engineering strategies failed to make polyketides available via widely applicable rules and protocols. Still, organic synthetic routes have to be employed whenever new polyketides are needed for applications in medicine, agriculture, and industry. In light of the rising demand for commodity products from feedstock and for fast and cheap access to pharmaceutical compounds, the need for harnessing PKSs to produce such molecules is more urgent than ever before. In this review, we focus on a multitude of approaches to engineer modular PKSs by swapping and replacing PKS modules and domains, which we analyze in the light of recent structural and biochemical data. We conclude with an outlook on possible strategies on how to increase success rates of PKS engineering in future.
[Nachruf] Hugo Fasold
(2018)
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. ...
Auswirkung der Chemisorption von Organothiolaten auf den elektrischen Widerstand dünner Goldfilme
(2018)
Hochgeordnete Monolagen von Organothiolaten auf Goldoberflächen bilden sich bei Kontakt einer Goldoberfläche mit einer Lösung eines Thiols oder Thioacetats spontan aus. Die Adsorption auf dünnen Metallfilmen mit Schichtdicken im Bereich von 25 - 100 nm führt zu einer Änderung des elektrischen Widerstandes des Films, die an Goldfilmen mit Schichtdicken von 25 - 40 nm über eine einfache Zweipunktmessung verfolgt wurde. Die Proportionalität der Widerstandsänderung mit der Menge an adsorbiertem Material konnte für die in dieser Arbeit verwendeten Dünnschichtsensoren bestätigt werden. Zu diesem Zweck wurden gleichzeitig Widerstands- und Oberflächenplasmonenresonanzmessungen an 40 nm starken Goldfilmen durchgeführt. In diesen Experimenten zeigt sich die Widerstandsmessung zur Beobachtung der Adsorptionskinetik als die überlegene Technologie.
Die durch Mikrokontaktdrucken und Freiätzen der gedruckten Strukturen hergestellten Sensoren zeigen eine individuelle Signalintensität. Die Normierung auf die maximale, durch Belegung mit Hexadecanthiol (HDT) oder Dodecanthiol erreichte, Signalstärke ermöglichte den Vergleich der maximalen Signalstärke von Thiolatmonolagen, die durch Belegung mit n-Alkanthiolen (CH_3(CH_2)_(n-1)-SH mit n = 12, 16, 19, 22 und 33, Cn), 11-Mercaptoundecyl-hexaethylenglycol (HSC11EG6OH), Adamantan-1-thiol (AdaSH), Triptycenthiol (TrpSH), Anthracen-2-thiol (Ant-0SH), Anthracen-2-alkanthiolen (Ant-(CH_2)_n-SH mit n = 1 - 5 und 10, Ant-nSH), p-Terphenyl-4-thiol (TP0SH), p-Terphenyl-4-alkanthiolen (TP-(CH_2)_n-SH mit n = 1 - 4, TPnSH) und p-Terphenyl-4-ethanthioacetat (TP2SAc) erzeugt wurden. Die Größe der Widerstandsänderung zeigt eine deutliche Abhängigkeit vom organischen Rest des Oberflächenadsorbats. Für die Verstärkung des Signals wurde die folgende Reihenfolge gefunden: Trp > Ada > Ant-0 > Ant-1 > TP0 > TP1 > Ant-2 > TP2 > Cn (n = 12 - 33) = C11EG6OH = Ant-n (n = 3 - 11) = TPn (n = 3, 4). Bei bekannter Verstärkung des Signals durch ein Adsorbat kann unabhängig von der Oberflächenrauigkeit die Oberflächenbedeckung durch Chemisorbate in einer Güte bestimmt werden, die der durch STM- und TEM-Messungen erreichten vergleichbar ist. Die Methode wurde angewendet, um Schichten von TP2SH und TP2SAc, die bei 20 und 60 °C aus ethanolischer Lösung abgeschieden wurden, zu vergleichen. Die Unterschiede in der Oberflächendichte, die durch eine Erhöhung der Abscheidungstemperatur zu beobachten sind, können durch eine Beschleunigung der Reaktion nach Arrhenius erklärt werden. Auch die Temperaturabhängigkeit der Abscheidungsgeschwindigkeit von HDT aus ethanolischer Lösung an Goldoberflächen, die in einem Bereich von -10 °C bis +30 °C betrachtet wurde, ist mit dem Arrhenius'schen Ansatz konform. Die Aktivierungsenergie der Adsorption von HDT auf Gold wurde auf E_a = 23 +-6 kJ/mol bestimmt.
Die Konzentrationsabhängigkeit der Abscheidung aus ethanolischer Lösung an Goldoberflächen wurde für HDT, AdaSH, TP2SH und TP2SAc untersucht. Um eine Präadsorption der Thiole vor dem eigentlichen Start der Messung zu verhindern, wurde eine Apparatur mit einem Diaphragma aus Aluminium entwickelt, das beim Start der Messung mit dem Sensor durchstoßen wird. Mit Ausnahme von TP2SH zeigen alle Adsorptive ein Adsorptions-Desorptions-Gleichgewicht. Die Adsorptionsisothermen bei 20 °C lassen sich am besten durch die Freundlich-Isotherme beschreiben. Während die Reaktionsordnung im Adsorbat für die Adsorption der Thiole nahe an 1 liegt, hat sie für die Adsorption von TP2SAc einen Wert von ca. 1/4. Damit ergibt sich für die Geschwindigkeitskonstante der Adsorption k_a(HDT) = (2,3 +-0,2) 10^4 L/(mol s), k_a(AdaSH) = (6,1 +-0,2) 10^4 L/(mol s), k_a(TP2SH) = (7,3 +-0,4) 10^3 L/(mol s) und k_a(TP2SAc) = (8 +-3) 10^-2 L^(1/4)/(mol^(1/4) s). Die Adsorptionskurven der Thiole weisen bei Konzentrationen unterhalb von 5 10^-5 mol/L einen linearen Bereich auf, der einer zwischenzeitlichen Diffusionskontrolle zugeordnet wird.
An die aufgenommenen Adsorptionskurven der Thiole wurden literaturbekannte Modelle numerisch angepasst und teilweise weiterentwickelt. Die Anpassung konnte durch die Einführung einer vor der Oberfläche gelagerten Diffusionsgrenzschicht, in welcher der zeitabhängige Verlauf der Analytkonzentration in einem System von 10 Schichten berechnet wurde, deutlich verbessert werden. Von allen getesteten Modellen zeigt nur die Adsorption mit Ausschlussmuster keine Konzentrationsabhängigkeit der Geschwindigkeitskonstante der Desorption. Dieses Modell bezieht den Verlust von Adsorptionsplätzen mit ein, die einem besetzten Adsorptionsplatz benachbart sind und durch das adsorbierte Teilchen verdeckt werden. Der daraus resultierende Zusammenhang zwischen der Konzentration freier Adsorptionsplätze und dem Bedeckungsgrad der Oberfläche Theta_F(Theta) ist abhängig vom Verhältnis der Stoßfrequenz zwischen den Teilchen und der Oberfläche zur Platzwechselfrequenz der Teilchen auf der Oberfläche. Zur Bestimmung von Theta_F(Theta) für die numerische Anpassung der Adsorptionskurven von HDT und TP2SH wurde die Oberflächenbesetzung in einem Monte-Carlo-Verfahren für eine Konzentrationsreihe in Zehnerpotenzschritten simuliert.
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.