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Die akute Pankreatitis ist eine weit verbreitete gastrointestinale Erkrankung, die assoziiert sein kann mit Multiorganversagen und einer nicht unwesentlichen Mortalität. Die Pankreatitis beginnt mit einer sterilen Entzündung, die eine überschießende inflammatorische Immunantwort (SIRS) induzieren kann. Die dahinter stehenden Mechanismen sind bisher noch nicht verstanden und eine Behandlung aus diesem Grund schwierig. Um die systemische Immunantwort während der Pankreatitis genauer zu untersuchen, wurde in dieser Studie in unterschiedlichen Mausstämmen (IL-12p40-, NLRP3- und IL-18 knockout Mäuse) eine akute Pankreatitis mittels Gangligatur und der Applikation von Caerulein induziert. Die Aktivierung der erworbenen Immunantwort wurde mittels durchflußzytometrischer Analyse der T-Zellen in der Milz gemessen. Die Differenzierung der T-Zellen zu Th1/Th2/Treg-Zellen wurde durch die Färbung der nukleären Transkriptionsfaktoren Tbet, Gata3 und FoxP3 und CD4+-Zellen untersucht. Im Zuge dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Aktivierung des erworbenen Immunsystems abhängig von NLRP3 ist. Während der Pankreatitis zeigte sich eine klare Th2-Antwort in Abwesenheit einer Th1-Antwort. Diese Immunantwort war abhängig von IL-18 in Abwesenheit von IL-12. Die therapeutische Inhibition von NLRP3 zeigte eine deutliche Reduktion der T-Zell-Aktivierung und einen milderen Krankheitsverlauf der Pankreatitis. Im Gegensatz zu anderen Arbeiten, die davon ausgehen, dass es erst zu einer überschießenden Inflammation (SIRS) und dann zu einer zu starken Gegenreaktion, Anti-Inflammation (CARS), kommt, konnte gezeigt werden, dass im Verlauf der Pankreatitis SIRS und CARS parallel verlaufen. Durch die Inhibition von NLRP3 kommt es zu einer milderen Immunantwort und milderen Krankheitsverlauf. Aus diesem Grund kann der Einsatz von Inhibitoren gegen NLRP3 ein guter therapeutischer Ansatz für den klinischen Alltag und bei der Behandlung der akuten Pankreatitis sein.

Es wurde eine Methode zur Herstellung ultradünner Filme aus Metall bzw. metallischen Verbindungen (Legierungen) etabliert. Die Struktur und die physikalischen Eigenschaften der Filme wurden untersucht. Die entwickelte Präparationsmethode beruht auf induzierter Filmkontraktion nach erzwungener Benetzung (iFCaFW). Die Filme bestehen aus ultradünnen vertikal heterostrukturierten Multischichten (2D-VHML), sie entstehen durch den Beschichtungsvorgang und bestehen aus jeweils einer nm-dicken metallischen Schicht (M) eingebettet zwischen zwei Metall(hydr)oxidschichten (MOxHy) im nm- bis sub-nm Bereich. Dieser vertikal heterostrukturierte Aufbau wurde bei allen untersuchten Filmmaterialien beobachtet. Alle in dieser Arbeit vorgestellten Schichtsysteme wurden unter atmosphärischem Druck hergestellt. Es konnten Substrate aus Silicium und Muskovit sowie aus Borosilikat- und Kalk-Natron-Glas (Objektträger) beschichtet werden. Jede, aus flüssigem Metall bzw. flüssiger Legierung hergestellte Schicht verfügt über eine feste (Hydr)oxidschicht an der Luftgrenzfläche. Diese feste (Hydr)oxidschicht fungiert als Substrat für die nächste darüber aufgebrachte Schicht aus flüssigem Metall bzw. flüssiger Legierung. Somit entstehen vertikal heterostrukturierte Multischichten durch identische Wiederholung des Beschichtungsvorgangs. Dies ist eine innovative und vergleichsweise umweltfreundliche Methode, um transparente, elektrisch leitfähige und lateral homogene nm-dünne ein- oder mehrschichtige Metallfilme herzustellen. Verwendet wurden Metalle mit sehr niedriger Schmelztemperatur (kleiner als 300 °C), wie Bismut, Gallium, Indium, Zinn und ihre Legierungen. Die hohe Oberflächenspannung der geschmolzenen Metalle und Legierungen sowie die Adhäsion mit der die (Hydr)oxidhaut dieser Metalle und Legierungen auf verschiedenen Substraten haftet ermöglicht die Beschichtungsmethode.

The definition of Green Chemistry was first formulated at the beginning of the 1990s – 30 years ago and states as follows: “design of chemical products and processes to reduce or eliminate the use and generation of hazardous substances” (Poliakoff et al. 2002). Biocatalysis is one of the examples of “green” chemistry as it is relying on natural or modified enzymes. Today, biocatalysis is a standard technology for the production of chemicals (Straathof et al. 2002). In this PhD thesis, the implications of biocatalysis using different class of enzymes are discussed: two cytochrome P450 monoxygenases, two kinases and one lyase are shown as tools for the production of bioactive compounds. The P450 enzymes have a central role in the oxidative metabolism of a wide variety of compounds including the synthesis of endogenous substrates such as steroids and fatty acids. Moreover, P450s catalyze the hydroxylation of non-activated carbon atoms in a regio- and stereospecific fashion avoiding use of protecting groups and several, time-consuming chemical steps. Here, the recombinant expression and biocatalytic characterization of bacterial CYP107D1 for the regio- and stereoselective hydroxylation of two steroid compounds is reported. Since the natural electron transfer partners of these P450s are unknown, PdX and PdR from P. putida were employed to supply CYP107D1 with the necessary electrons for catalysis. This three-component system was used in bioconversions of two bile acids: LCA and DCA. P450 CYP107D1 exhibits high regio- and stereoselectivity for the tested steroids, giving 6β-hydroxylated products. The properties of the CYP107D1 make this multifaceted P450 monooxygenase an attractive enzyme for the production of novel drug metabolites. Moreover, the crystal structure of the enzyme is known, which provides the basis for developing a protein-engineering strategy aimed at catalytic properties of the CYP107D1 The second enzyme described in the thesis is the self-sufficient cytochrome P450 monooxygenase from Fusarium graminarium (FG067). From the overall structure, it resembles the well investigated CYP102 from Bacillus megaterium (CYP BM3) and the P450 from Fusarium oxysporum (CYPfoxy). In this study, two different strategies to recombinantly produce the fungal P450 monooxygenase P450-FG067, namely (a) producing in E. coli and (b) producing in P. pastoris were investigated. The P450 FG_067 from Fusarium graminarium was successfully overexpressed in P. pastoris. The enzyme was functionally active, converted fatty acid substrates of carbon chain length C10-16 with regiospecificity of the hydroxylating position ω -1, ω - 2 and ω-3, with the highest affinity for capric acid. The hydroxylation at different positions of the fatty acid chain is needed for different chemical industries. For example, ω-HFAs can be used as starting materials for the synthesis of polymers, with high resistance to heat or chemicals (Xiao et al. 2018). Therefore, the application of recombinant enzyme such as self-sufficient P450 FG_067 for a commercial production of HFAs is in high industrial demand. In this thesis, two kinases were used for the producton of phosphorylated metabolites. Kinases catalyzing N-phosphorylation, which are of synthetic interest because of tedious chemical procedures in selective chemical N-phosphorylations. A highly active and stabile arginine kinase, obtained by cloning and expressing the argK gene from Limulus polyphemus in E. coli, was used in the one-step synthesis of Nω-phospho-L-arginine using the phosphoenolpyruvate/pyruvate kinase system for ATP regeneration. Applying arginine kinase in biocatalysis opens up new opportunities for the selective biocatalytic N-phosphorylation of interesting low-molecular-weight compounds and metabolites. Another kinase investigated in this thesis was shikimate kinase. The highly active and stable shikimate kinase AroL was achieved by synthesizing the codon-optimized aroL gene and expressing it in high yield in E. coli. Next, shikimate kinase was used in an one-step synthesis of shikimate-3-phosphate using the phosphoenolpyruvate/pyruvate kinase system for ATP regeneration. Development of the described biocatalytic preparation of shikimate-3-phosphate is a superior route incomparison to a tedious multi-step and low yield classical synthesis of this compound. The biocatalytic phosphorylation is of great interest for a commercial production of metabolites and metabolite-like structures. The last investigeted enzyme in this PhD thesis was argininosuccinate lyase from Saccharomyces cerevisiae. The argininosuccinate lyase was cloned and overexpressed in E. coli as a highly active and stable biocatalyst. A simple and straightforward biocatalytic asymmetric Michael addition reaction has been established for the synthesis of the key metabolite N-(([(4S)-4-amino-4-carboxybutyl]amino)imino methyl)-L-aspartic acid, commonly referred to as L-argininosuccinate. This one-step addition reaction was developed by running part of the urea cycle in reverse. The use of this argininosuccinate lyase and reaction monitoring by NMR enabled the development of a biocatalytic asymmetric Michael addition reaction as a novel green chemistry route with high molecular economy for the synthesis of this important metabolite at gram scale. Recent advances in the field of scientific research have helped to understand the structure and functional activities of enzymes, which has in turn led to an increase in their stability, activity and substrate specificity. Nowadays, biocatalysis provide more sustainable, efficient, and less polluting methods for the production of fine chemicals and advanced pharmaceutical intermediates. The biocatalysts used in this thesis are introduced as a technology for the efficient synthesis of biologically active compounds, which is greener, reduces pollution and costs compared to chemical synthesis. In summary, the pharmaceutical industry should use the advantage of the progress of biochemistry to obtain biocatalysts in the production of fine chemicals on an industrial scale, improving the quality of end products and saving costs.

Herpesviruses are enveloped DNA viruses which are dependent on two fusion steps for efficient replication in the host cell. First, they have to fuse their envelope with the cellular plasma membrane or with the vesicle membrane after endocytic uptake to enter the host cell and second, they have to export the newly generated nucleocapsids from the site of assembly to the cytoplasm by fusion of the primary virion envelope with the outer nuclear membrane (ONM). The main goal of this project was to provide a better understanding of how herpesvirus capsids exit the nucleus. On the one hand this thesis aimed at finding cellular proteins involved in nuclear egress (Paper I), while on the other the focus was on further characterization of the viral nuclear egress complex (NEC, Paper II) and its interaction with the capsid (Paper III). It is the hallmark of viruses, including herpesviruses, to hijack host cell proteins for their efficient replication. Some of those interactions are well characterized, while others might not yet have been discovered. In the last step of the nuclear egress, where the primary virion membrane fuses with the ONM, most likely a cellular machinery is involved. The presented work focused on Torsin, the only known AAA+ ATPase localizing in the endoplasmic reticulum and the perinuclear space (PNS). For this, the effect of overexpression of WT and mutant proteins, as well as CRISPR/Cas9 generated knock-out cell lines, on PrV replication was analyzed. Neither single overexpression nor single knockouts of TorA or TorB had any significant effects on virus titers. However, infection of TorA/B double knockout cells revealed reduced viral titers and an accumulation of primary virions in the PNS at early infection times, indicating a delay in nuclear egress. The process of nuclear egress has been intensively investigated without revealing all its details. To address some of the missing aspects we generated monoclonal antibodies (mAbs) against the NEC and its components (pUL31 and pUL34) for a better visualization of the process in transfected as well as infected cells. These mAbs provide a useful tool for future analyses. The publication of the NEC crystal structure formed the basis for intensive research on the molecular details of the NEC formation and its interaction with the nucleocapsid. Recently, our lab showed that lysine (K) at position 242 in the membrane-distal part of pUL31 is crucial for incorporation of the nucleocapsid into budding vesicles. Replacing K by alanine (A) resulted in accumulations of vesicles in the PNS, while mature capsids were not incorporated. To test whether this is due to electrostatic interference or structural restrictions we substituted K242 by different aa to determine the requirements for nucleocapsid uptake into the nascent primary particles. To analyze whether the defect of pUL31-K242A can be compensated by second-site mutations, PrV-UL31-K242A was passaged and mutations in revertants were analyzed. Different mutations have been identified compensating for the K242A defect. A considerable number of mutations indicates that the NEC is much more flexible than previously thought. Further, we gained information that the K at position 242 is not directly involved in capsid interaction, while it is more likely involved in rearrangements within the NEC coat.

Einleitung: Eingriffe und postoperative Nachblutungen gehen im Kopf-Hals-Bereich für HNO-Patienten mit erheblichen Einschränkungen einher und sind daher hinsichtlich der Detektion von Risikofaktoren und Behandlung von Blutungskomplikationen im aktuellen Interesse der Forschung. Neben der Routine-Labordiagnostik wurde bereits die präoperative Gerinnungsanamnese etabliert. Im Rahmen dieser prospektiven Studie soll nun die Nachblutungs-häufigkeit und die Wertigkeit der standardisierten Gerinnungsanamnese untersucht werden. Methodik: Im Untersuchungszeitraum eines halben Jahres einer HNO-Universitätsklinik wurden 1486 Patienten in Betrachtung präoperativ erhobener Labordiagnostik und Gerinnungsanamnese untersucht und postalisch mittels standardisiertem Fragebogen zu Schmerzen, Nachblutungen, Liegedauer und postoperativem Verhalten interviewt. Bei fehlender Rücksendung erfolgten bis zu viermalige telefonische Kontaktversuche. 583 Patienten wurden in die Studie eingeschlossen. Ergebnisse: Die Gesamtnachblutungsrate (15,61%) ist abhängig von Ge-schlecht (14,93 vs. 16,67%), Schmerzen (10,19 vs. 31,91%) und Operations-gebiet (6,67-33,33%). Ein signifikanter Einfluss von Patientenalter, Schmerz-stärke, präoperativen Laborparametern und postoperativem Verhalten konnte nicht festgestellt werden. Diskussion: Die Nachblutungsrate unterliegt dem Status einer Universitätsklinik und dem subjektiven Empfinden der Patienten. Bei hohem negativem prä-diktiven Wert ist die Gerinnungsanamnese ein geeignetes Instrumentarium, Blutungsrisiken zu erfassen und die Patienten ggf. einem Gerinnungskonsil zu-zuführen. Es erscheint daher möglich, auf Routineblutentnahmen zu verzichten. Die mäßige Rücklaufquote (39,23%) schränkt die Aussagekraft der Studie ein. Ausblick: Die Studie liefert interessante Referenzdaten für verschiedene HNO-Operationsgebiete, die bei geringer Datenlage für das gesamte OP-Spektrum weitergehend hinsichtlich gesellschaftskulturellen, beruflichen und lokalen Risikofaktoren untersucht werden sollten. Für folgende Nachblutungsstudien bleibt allgemein die Frage nach einer subjektiven Kalibrierung, die in der prä-operativen Aufklärung stärker berücksichtigt werden könnte.