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In dieser Arbeit wurden Experimente an einem DC-Magnetron-Beschichtungsplasma zur (reaktiven) Abscheidung von Ti, TiNx und TiOx-Schichten durchgeführt. Das Ziel war es, durch Korrelation von Messungen des Ionen- und des Energieeinstroms auf das Substrat während des Beschichtungsvorgangs mit Analysen der abgeschiedenen Schichten Aussagen über die Zusammenhänge von Abscheidebedingungen und Schichteigenschaften zu treffen. Von besonderem Interesse waren hierbei die Unterschiede zwischen den beiden Betriebsmodi des eingesetzten Magnetrons (balanced mode und unbalanced mode), da sich über diesen Parameter der Ioneneinstrom auf das Substrat signifikant beeinflussen lässt, sowie der Einfluss hochenergetischer negativ geladener Ionen, die beim Einsatz von Sauerstoff im Gegensatz zu dem von Stickstoff als Reaktivgas auftreten. Die Maxima der mittels energieaufgelöster Massenspektrometrie gemessenen Energieverteilungen aller Ionenspezies liegen im unbalanced mode im Vergleich zum balanced mode bei um etwa 0,2...1 eV höherer Energie. Der im Wesentlichen von den einfach positiv geladenen Argonionen und bei hohem Reaktivgasfluss den molekularen Reaktivgasionen getragene Gesamtioneneinstrom auf das Substrat ist im unbalanced mode deutlich höher als im balanced mode. Der mit Hilfe einer Thermosonde gemessene Energieeinstrom auf das Substrat steigt linear mit der Entladungsleistung an. Im unbalanced mode ist er, bedingt durch den höheren Gesamtioneneinstrom auf das Substrat und die größere mittlere Energie aller Ionenspezies, um mehr als eine Größenordnung höher als im balanced mode. Eine Abhängigkeit des Energieeinstroms vom Reaktivgasfluss wurde nicht beobachtet. Die röntgenreflektometrisch gemessenen Beschichtungsraten steigen über der Entladungsleistung linear an und sind im unbalanced mode trotz geringerer Sputterraten am Target um ca. 10...20 % höher als im balanced mode. Die Begründung hierfür liefert der im unbalanced mode deutlich höhere Energieeinstrom auf das Substrat. Durch diesen erhöhten Energieeintrag in die aufwachsenden Schichten steht im unbalanced mode mehr Energie für Prozesse an der Oberfläche, wie die Oberflächendiffusion, zur Verfügung. Die somit verbesserte laterale Mobilität der Teilchen an der Oberfläche führt dazu, dass diese besser in die wachsende Kristallstruktur eingebaut werden können. Damit ergibt sich letztendlich im unbalanced mode trotz des geringeren Teilcheneinstroms in allen untersuchten Plasmen eine höhere Abscheiderate von Titan auf dem Substrat. Der Energieeinstrom auf das Substrat ist demnach durch seinen signifikanten Einfluss auf die laterale Mobilität der aufwachsenden Teilchen ein bestimmender Parameter für das Schichtwachstum. Die durch die Beimischung von Reaktivgas zum Plasma auftretende Targetnitrierung bzw. –oxidation verursacht ein deutliches Absinken der Sputterraten am Target und damit der Beschichtungsraten über dem Reaktivgasfluss. Messungen der chemischen Zusammensetzungen der Schichten mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie zeigen, dass die Menge des in die Schichten eingebauten Reaktivgases über dessen Konzentration im Beschichtungsplasma zu kontrollieren ist. Im Argon-Stickstoff-Plasma sind die Werte der aus den röntgenreflektometrisch erhaltenen Dichten bei den im unbalanced mode abgeschiedenen Schichten deutlich höher als bei den im balanced mode abgeschiedenen. Untersuchungen mittels Röntgendiffraktometrie zeigen für diese Schichten auch höhere makroskopische Spannungen. Offenbar führt der größere Energieeinstrom hier zu lokalen Temperaturunterschieden, aus denen aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten von Schicht und Substrat beim Abkühlen makroskopische Schichtspannungen resultieren. Insgesamt werden im Argon-Stickstoff-Plasma im unbalanced mode des Magnetrons kompaktere Schichten mit weniger Lücken abgeschieden als unter denselben Bedingungen im balanced mode. Im Argon-Sauerstoff-Plasma wird dieser positive Effekt des höheren Energieeintrags in die aufwachsenden Schichten durch den im unbalanced mode deutlich höheren Beschuss des Substrats mit hochenergetischen negativ geladenen Sauerstoffionen mehr als aufgehoben. Dadurch kommt es in diesem Betriebsmodus des Magnetrons zu einer erhöhten Lückenbildung in den aufwachsenden Schichten, die somit geringere makroskopische Spannungen und geringere mittlere Dichten aufweisen als die im balanced mode abgeschiedenen. Die Summe dieser Ergebnisse zeigt, dass die Eigenschaften der im hier untersuchten DC-Magnetronplasma abgeschiedenen Schichten maßgeblich von der Zusammensetzung des Beschichtungsplasmas und insbesondere von der Art und der Energie der auf das Substrat auftreffenden Ionen abhängen.
This thesis describes the implementation and first on-line application of a multi-reflection time-of-flight (MR-ToF) mass analyzer for high-resolution mass separation at the ISOLTRAP mass spectrometer at ISOLDE/CERN. On the one hand, the major objective was to improve ISOLTRAPs mass-measurement capabilities with respect to the ratio of delivered contaminating ions to ions of interest. On the other hand, the time necessary to purify wanted from unwanted species should be reduced as much as possible to enable access to even more exotic nuclei. The device has been set up, optimized and tested at the University of Greifswald before its move to ISOLTRAP. The achieved performance comprises mass resolving powers of up to 200000 reached at observation times of 30ms and a contamination suppression of about four orders of magnitude by use of a Bradbury-Nielsen gate. With the characteristics, it outperforms clearly the so far state-of-the-art purification method of a gas-filled Penning trap. To improve the utilization of the MR-ToF mass analyzer, the in-trap lift method has been developed. It simplifies the application and optimization of the device, which is a crucial time factor in an on-line experiment. The device was the first of its kind successfully applied to radioactive ion beams for a mass analysis, for a mass separation (in combination with the Bradbury-Nielsen gate) as a preparatory step for a subsequent Penning-trap mass measurement and as a high-precision mass spectrometer of its own. The later was recently used for the first mass measurement of the neutron-rich calcium isotopes 53Ca and 54Ca. The so-far achieved mass-resolving power of 200000 belongs to the highest reported for time-of-flight mass analyzers at all. The first successful application of the MR-ToF system as the only mass separator at ISOLTRAP resulted in the mass measurement of 82Zn. The new mass value has been compared to mass extrapolations of the most recent Hartree-Fock-Bogoliubov (HFB) mass models, HFB-19 to HFB-21, of the BRUSLIB collaboration. The mass of the nuclide is of high interest for the compositions and depth profile of the outer crust of neutron stars. In the classical model of the outer crust of a cold, non-accrediting and non-rotating neutron star, the sequence of nuclides found within this parts is determined mainly by the binding energy of exotic nuclides. The crustal compositions determined with the three HFB mass models differed with respect to the appearance of a layer of 82Zn, originating from different mass extrapolations of this mass. With the new experimental data, the extrapolations could be evaluated. It was found that the HFB-21 mass value differs less from the experimental data than the ones from HFB-19 and 20. Therefore, in the classical model, 82Zn does not appear anymore in the outer crust. Due to its high resolution and very fast measurement time, the MR-ToF mass analyzer will be an important instruments for future activities at ISOLTRAP, at the ISOLDE facility in general, and at other radioactive ion-beam facilities.
Cardiovascular diseases are the most common cause of death in industrial nations. The basis of these diseases is a dysfunction in the interaction between the cells the heart is composed of. The main types of cells making up the human heart are cardiomyocytes that build the myocardium and provide the contraction properties, endothelial cells that delimit the blood flowing through the inner chambers and coronary arteries from the myocardial tissue, and fibroblasts, which build the connective tissue. A common process in the development of cardiovascular diseases is the formation of fibrosis due to injury of the endothelium and subsequent infiltration of the cardiac tissue by immune cells, and inflammatory agents like cytokines. Cytokines exert different functions in cardiac cells. Tumor necrosis factor α (TNFα) is an inducer of apoptosis. Transforming growth factor ß (TGFß) is known for activation of proliferation. Other cytokines like C-X-C motif chemokine 11 (CXCL11), interleukin-6 (IL-6), or brain-derived neurotrophic factor (BDNF) have not yet been investigated or their impact on such cells is unknown. Eventually, however, fibrotic scar tissue arises from the transition from fibroblasts to myofibroblasts leading to a stiffening of the cardiac muscle and impaired pump function. In order to prevent the occurrence of these events the balance of proliferation, migration, and differentiation of cardiac cells needs to be controlled very delicately.
The mechanisms controlling these interactions are still not well understood, which is why this work aimed at the elucidation of molecular mechanisms within the three main cell types that might play a role in the regulation of cardiac function. A proteomic approach using mass spectrometry was used to identify alterations in protein levels that could provide hints about the involved pathways and find new players as candidates for more detailed investigation. Initially, the proteomic composition of HL-1 cardiomyocytes, L929 fibroblasts, and human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) that were cultivated in standard growth conditions without stress was investigated. Half of the total protein intensity was made up by only 42 to 53 proteins, depending on the cell type. More than a third of all proteins were identified in all three cell types, which may be proteins performing common cell functions. Indeed, the proteins displaying the highest abundance seem to be predominantly involved in such common cellular functions as the regulation of glucose metabolism or the cytoskeleton. More specific functions like heart development and muscle contraction were found enriched in cardiomyocytes as were mitochondrial proteins. The proportion of proteins with extracellular localization and function was higher in fibroblasts and endothelial cells.
Secondly, the impact of cytokines on the proliferative behavior and the proteomic composition of cardiomyocytes and fibroblasts was analyzed. HL-1 cardiomyocytes and L929 fibroblasts were treated with different concentrations of cytokines with a cytotoxic, proliferative, or yet unknown effect on these cells. While HL-1 cells exhibited no macroscopic reaction to any of the cytokines used, cytotoxic/growth inhibitory (TNFα, CXCL11) and proliferative (TGFß, IL6, BDNF) effects were observed for L929 cells. The latter also showed CXCL11-induced upregulated EIF2 signaling, pointing to a higher need of protein synthesis.
The third aim was the examination of proteome adaptations in endothelial cells due to different kinds of stress, as these cells are the first line of defense against inflammatory agents or injury and therefore prone to wounding. The role of the growth factors vascular endothelial growth factor (VEGF) and basic fibroblast growth factor (bFGF) in wounding and starvation was another object of this study as they are known for their angiogenic and cell survival supporting properties. Additionally, the impact of the cellular sex on the response to stress and growth factors was examined, because a person’s sex plays an important role in susceptibility, risk factors, and outcome of cardiovascular diseases. This has mainly been attributed to the different hormone levels, especially the higher levels of estrogen in premenopausal women, which exerts cardioprotective properties, but also genetic background was reported to play an important role. Only few studies that examined the molecular properties of HUVECs considered the cellular sex and if so, the genetic bias of unrelated samples was not taken into account. This is why Lorenz and colleagues at the Charité in Berlin collected HUVECs from newborn twins of opposite sex, cultivated them without stress in standard growth medium, exposed them to wounding and serum starvation, and investigated the impact of the growth factors and the sex on migrational behavior and metabolic issues. The current work focused on the alterations of not only the intra- but also the extracellular proteome, because paracrine signaling is crucial for intercellular communication in order to cope with stress. General differences between male and female cells were observed for proteins encoded on the X chromosome with higher levels in females (DDX3X, UBA1, EIF1AX, RPS4X, HDHD1), except for one protein with higher levels in male cells (G6PD). A Y-chromosomal protein was, for the first time, identified in endothelial cells (DDX3Y). Wounding, starvation, and growth factor treatment led to alterations and sex-specific different levels in an unexpectedly high number of proteins, with VEGF showing a stronger impact than bFGF. Many proteins with alterations observed without taking the sex into account, were actually only changed in male or female cells. Some proteins were regulated in opposite directions, or growth factors inhibited their secretion in a sex-specific way by unknown mechanisms. Tissue factor pathway inhibitor 2 (TFPI2) should be emphasized as a protein with sex-specific differences, especially in the extracellular space and with increased levels after starvation and VEGF treatment. These observations suggest a temporal lack in TFPI2 synthesis and secretion in male cells, which might explain the enhanced adaptation of females to wounding.
The results of this work lay the basis for future investigation by providing a database of intra- and extracellular proteome changes due to different environmental circumstances. It strongly suggests the investigation of male and female HUVECs, and other cells, separately to avoid the impact of the sex observed in this work. Essentially, the observations suggest a number of candidate proteins for more detailed investigations of endothelial and cardiovascular diseases.
Zur Aufklärung der molekularen Grundlagen einer Infektion mit dem Pseudorabiesvirus (PrV), dem Erreger der Aujeszky’schen Krankheit beim Schwein, wurde eine qualitative und quantitative Proteomstudie von PrV-infizierten bovinen Nierenzellen (MDBK) durchgeführt. Die Erstellung der Proteomkarten erfolgte durch hochauflösende zweidimensionale Gelelektrophorese, mit der neben zum größten Teil unmodifizierten Proteinen auch eine Reihe von Proteinen mit posttranslationalen Modifikationen nachgewiesen werden konnten. Die Identifizierung der Proteine erfolgte mit dem Peptidmassenfingerabdruck durch Matrix Assisted Laser Desorption/Ionisation Time-of-Flight(MALDI-TOF)-Massenspektrometrie. Proteine wurden massenspektrometrisch durch die stable isotope labelling by amino acids in cell culture (SILAC)-Technik quantifiziert. Um die Komplexität des Gesamtzellextraktes zu reduzieren, wurde eine Affinitätsfestphasenchromatographie aus verschiedenen Matrices, bestehend aus einer Cibacron Blau F3G-A Matrix, die Nukleotid-bindende Proteine bindet, einer Heparin Matrix, die DNA-bindende Proteine bindet und einer Phosphoprotein spezifischen Metallchelatmatrix etabliert. Dabei zeigte sich, dass sich der Gesamtzellextrakt in gut definierte Teilproteome fraktionieren ließ. Die Fraktionierung zeichnete sich durch eine hohe Trennschärfe, eine hohe Effizienz und eine spezifische Anreicherung entsprechend der Affinitäten der verwendeten Matrices aus. Zur weiteren Erhöhung der zu analysierenden Proteine wurden die Fraktionen auf mehreren Fokussierungsstreifen mit unterschiedlichen pH-Wert Bereichen (3-6, 4-7, 6-9 und 3-10) analysiert, wobei sich lediglich der pH-Bereich zwischen 3-6, als relativ proteinarm erwies. Die Streuung bezüglich der relativen Quantifizierung wurde in einem Kontrollversuch bestimmt. Sie war sehr gering, was auch die Erfassung sehr kleiner Unterschiede in den Expressionsniveaus erlaubt. Das bovine Wirtszellproteom erwies sich vier Stunden nach Infektion mit dem PrV in qualitativer und quantitativer Hinsicht, trotz des beschriebenen shutoff, der zu einem Abbau der zellulären mRNA führt, als überraschend stabil. Quantitative Unterschiede wurden bei 109 Wirtszellproteinen gefunden. Vorwiegend handelte es sich dabei um Proteine der Kernlamina, Bestandteile des Translationsapparates, Proteine des Membran- und intrazellulären-Transports, sowie Proteine der Stressantwort. Bei den Proteinen Lamin A/C und B2, 60S Saures Ribosomale Protein P0, Hitzeschock-27 Protein 1, Heterogenes Nukleäres Ribonukleoprotein K, Sorting Nexin-9 und dem Eukaryotischen Translations-Initiations Faktor 4B wurden Mengenverschiebungen zwischen den Isoformen hin zu den stärker negativ geladenen Varianten beobachtet, die möglicherweise auf Phosphorylierungen zurückzuführen sind. Um den Mechanismus der Regulation der Wirtszellproteinexpression genauer zu untersuchen, wurde aufbauend auf den Ergebnissen der Proteomstudie eine Transkriptanalyse durchgeführt. Transkriptom- und Proteom-Analysen nach einer PrV-Wildtyp-Infektion zeigten eine nur geringe Korrelation, sodass die beobachteten Veränderungen der Proteinmengen die Folge von posttranslationalen Vorgängen sein dürften. Neben der Quantifizierung von Wirtszellproteinen wurde die SILAC-Methode zur Quantifizierung der Expression von viralen Proteinen in Deletionsmutanten getestet. Dazu wurde der Analysengang verändert und MDBK-Zellen mit einer PrV-US3-Deletionsmutante (PrV-ΔUS3) und dem PrV-Wildtyp infiziert. Die Extrakte aus PrV-Wildtyp-infizierten Zellen wurden als globaler interner Standard verwendet. Die Verwendung der SILAC-Methode erlaubte hier die Anwendung der sonst sehr Artefakt-anfälligen Zellfraktionierung in Zytosol- und Kernextrakte zur Reduktion der Probenkomplexität. Ein Vergleich zur Affinitätsfestphasenextraktion zeigte, dass ein Großteil der identifizierten Proteine auch mit letzterer erfasst wird. Einige wichtige Kernproteine wie Spleißfaktoren konnten aber nur in der Kernfraktion identifiziert werden. Vergleiche von Zellextrakten nach Infektion mit PrV-Wildtyp oder einer US3-negativen Mutante zeigten Veränderungen in den Expressionsniveaus der viralen Proteine pUL29, pUL39 und pUL42. Dabei besaßen pUL29 und pUL39 eine erhöhte und pUL42 eine verminderte relative Abundanz in Abwesenheit des pUS3. Die Proteine pUL29 und pUL42 traten in mehreren Ladungsvarianten auf, wobei das pUL42 zusätzlich eine Größenvariante aufwies. Im dritten Teil dieser Arbeit wurde ein SILAC-gestütztes Verfahren zur Quantifizierung der Expression von Fremdgenen in viralen Vektoren etabliert.
Im Rahmen dieser Dissertation wurden die antimikrobiellen Effekte der Phytopharmaka
BNO 101 und Myrtol stand. auf Staphylococcus aureus direkt miteinander verglichen. Für
BNO 101 umfassten die Untersuchungen Wachstumsexperimente mit Messungen der
Optischen Dichte und Experimente zur CFU-Bestimmung. In keinem dieser Experimente
konnten antimikrobielle Effekte auf S. aureus unter Behandlung gezeigt werden. Für Myrtol
stand. wurden Wachstumsexperimente analog durchgeführt. Hierbei konnte ein deutlicher
bakteriostatischer Effekt auf S. aureus und verglichen mit BNO 101 eine höhere Wirksamkeit
nachgewiesen werden.
Unter der Gesamtkonzentration von 0,25% Myrtol stand. liegen die Überlebensraten der
Bakterien 4 h bis 24 h nach Behandlung bei unter 40% im Vergleich zu der Kontrolle. Um
Ursachen für die antibakteriellen Effekte zu finden, wurden die Zellen mittels
Rasterelektronenmikroskopie morphologisch zu verschiedenen Zeitpunkten nach Behandlung
untersucht und eine Myrtol stand.-spezifische Volumenzunahme von bis zu 69% ermittelt.
Zusätzlich wurden Proteinproben der Zellen mittels 2D-DIGE aufgetrennt. Hierbei wurden
separat intrazellulär 1223 sowie extrazellulär 610 Proteinspots detektiert und miteinander
verglichen. Durch Behandlung mit 0,25% Myrtol stand. wurde das S. aureus Proteom über den
gesamten Messzeitraum von 24 h nach Behandlung massiv verändert. Mittels
anschließendem tryptischen Verdau und Massenspektrometrie (LC-MS) signifikant
veränderter Spots, konnte eine Vielzahl von Proteinen identifiziert und davon 54 verschiedene
Proteine einzelnen Stoffwechselwegen durch Datenbankabgleich und Literaturrecherche
zugeordnet werden. Bemerkenswert ist die deutliche Reduktion der Virulenzfaktoren des
Bakteriums durch Myrtol stand. Behandlung. Unter anderem konnten für Superantigen Enterotoxine, Leukotoxine, Hämolysine und Serine-Proteasen und den Genregulator Agr
deutlich verminderte Proteinmengen nach Behandlung gemessen werden. Die veränderten
Proteinmengen sind hierbei sowohl auf eine Umverteilung der Proteine zwischen den
Zellkompartimenten, als auch auf deutliche Regulation in der Proteinbiosynthese
zurückzuführen. Neben den Virulenzfaktoren ließen sich bspw. auch zahlreiche Enzyme der
Zellwand- und Zellmembransynthese sowie des Energiemetabolismus mit deutlich
veränderten Proteinmengen nachweisen, die für das Überleben der Bakterienzellen kritisch
sind. Mittels Direktverdau und nachfolgender LC-MS der Proteinproben wurden die
Ergebnisse bestätigt und weitere regulierte Proteine identifiziert.
Im Rahmen dieser Dissertation konnten antimikrobielle Effekte von Myrtol stand. auf
Staphylococcus aureus nachgewiesen und deren Ursachen aufgezeigt werden. Die
ausführlichen Proteinanalysen nach Behandlung mit Myrtol stand. lassen auf eine starke
verminderte Virulenz des Bakteriums schließen. Angesichts des Bedarfs an zielgerichteten
Therapieverfahren entsprechend der Phänotypen von CRS und ABRS, bietet die systemische
Gabe von Myrtol stand. hier eine kausale Therapieoption. Die zusätzliche Möglichkeit einer
topischen Anwendungsform kann angesichts der hier gezeigten Wirkungen eine
vielversprechende Behandlungsmaßnahme sein und sollte Ziel klinischer Untersuchungen
werden
Thrombozytenkonzentrate (TKs) sind wichtige Blutprodukte für die Therapie von Blutungen unter Thrombozytopenie oder bei Thrombozytenfunktionsstörungen. Trotz moderner Sicherheitsmaßnahmen können Infektionsübertragungen und immunologische Nebenwirkungen durch die Transfusion von Thrombozyten nicht gänzlich ausgeschlossen werden. Pathogeninaktivierungsverfahren (PIV) wurden entwickelt, um Bakterien und Viren in TKs zu inaktivieren und die Sicherheit von TKs weiter zu erhöhen. Zu diesen Verfahren zählen u.a. das Intercept-Verfahren (Amotosalen und UVA-Bestrahlung) und das Theraflex-Verfahren (ausschließlich UVC-Bestrahlung). In dieser Arbeit wurde der Einfluss der PIV durch Amotosalen/UVA und durch UVC auf das Thrombozytenproteom untersucht, welches mit Massenspektrometrie (LC-ESI MS/MS) untersucht wurde.
Bacterial infections represent an increasing threat in human health and hospital- acquired infections meanwhile account for 99,000 deaths every year in the United States (Ventola, 2015). Live-threating bacterial infections will certainly emerge to an even more serious concern in future, essentially by accelerated development of antibiotic resistance. Only recently, the discovery of plasmid-encoded mcr-1, that confers resistance against colistin, marks the point where this highly transmissible resistance mechanism is now reported for every so far developed antibiotic (Liu et al., 2016). Staphylococcus aureus is a Gram-positive bacterium and well-known for its ability to quickly acquire resistance toward antibiotics either by chromosomal mutations and/or horizontal gene transfer (Pantosti et al., 2007). Although approximately 30% of the population is colonized with S. aureus (Kluytmans et al., 1997), it can transform to an invasive pathogen that causes a wide range of severe infections including pneumonia. The success of S. aureus as opportunistic pathogen can be attributed to combinations of several beneficial properties and capabilities including the expression of an arsenal of virulence factors (Archer, 1998), intracellular persistence (Garzoni & Kelley, 2009) and subversion of host cell defense mechanisms (Schnaith et al., 2007). The airway epithelium is the first line of defense against bacterial pathogens by forming a relative impermeable physical barrier composed of epithelial cells that are linked by tight junctions, desmosomes and adherence junctions (Davies & Garrod, 1997). Additionally, the airway epithelium mediates the detection of bacterial pathogens via toll-like receptors (TLRs) that recognize a variety of bacterial molecular patterns such as lipopolysaccharide (LPS), peptidoglycan and flaggelin (Sha et al., 2012). This interaction is transduced via protein phosphorylations into the cell in order to promote adaptation to the infection by initiation of the adaptive and innate immune defense. Although few insights where obtained of the signaling host responses towards staphylococcal infections (Agerer et al., 2003; 2005; Ellington et al., 2001), a comprehensive description of the host signaling network is largely missing. Thus, this dissertation thesis focuses on the decipherment of phosphorylation-mediated signaling responses towards S. aureus infections in non- professional and professional phagocytes by mass spectrometry-based phosphoproteomic techniques. The results of this thesis are summarized in the four chapters. Chapter I introduces to recent advances in the development of methodologies applied in the field of phosphoproteomics, including quantification strategies, peptide fractionation techniques and phosphopeptide enrichment methods applied for the system-wide characterization of protein phosphorylations by mass spectrometry. Additionally, publications reporting phosphorylation-based host signaling responses towards bacterial pathogens or their molecular patterns that applied mass spectrometry-based phosphoproteomics are discussed. In chapter II, the responses of the human bronchial epithelial cell lines 16HBE14o- and S9 following challenge with staphylococcal alpha- toxin at the level of proteome and phosphoproteome are summarized. General and cell type-specific signaling events are highlighted and evidences linking the activity of the epidermal growth factor receptor (EGFR) with differences in tolerance toward alpha-toxin are provided. Chapter III describes the modulation of the host signaling network of 16HBE14o- airway epithelial cells triggered by infection with S. aureus including temporal dissection of signaling events. Several protein kinases were identified as important signaling hubs mediating the host response. Targeted pharmaceutical inhibition of these kinases was probed and resulted in reduction of intracellular bacterial load. Chapter IV describes the rearrangement of the kinome by the differentiation of THP-1 monocytes to macrophage-like cells by application of quantitative kinomics. This approach identified the kinase MAP3K7 (TAK1) as key mediator of bacterial clearance, chemokine secretion and the differentiation process itself.
Scholz et al. developed an electrochemical assay to study the impact of reactive species on self-assembled monolayer (SAM). The aim of this thesis is to use this electrochemical assay with gold supported lipid bilayers instead of SAM to study the effect of reactive species on model membranes that mimic oxidative damage to the biological cell membrane. Here, three questions will be addressed: I) how specific substances such as lipophilic and hydrophilic antioxidants protect a membrane from oxidative damage, II) what are the lipid oxidation products after oxidative damage of the model membrane, and III) whether oxidative damage of the model membranes causes pore formation on lipid bilayer. Electrochemistry was first used to measure the oxidative damage over the entire lipid membrane. Then, mass spectroscopy was used to characterize how lipids as the molecular building blocks of the membrane, change when exposed to reactive species. Imaging the membrane with AFM showed how oxidative damage in the model membrane alters lipid self-assembly within the supported lipid bilayer in nanometer scale. In addition, cold physical plasma (CPP) was used to produce the biological relevant reactive species. This fundamental research demonstrates the great potential of supported lipid bilayers as model membranes and cold physical plasma as a source for the production of biologically relevant reactive species to study the effect of oxidative stress on cell membranes.
Hintergrundinformationen: Bakterien gehören zu den ältesten Lebensformen und sind ein elementarer Bestandteil aller ökologischen Lebensräume auf der Erde. Der Mensch als Holobiont ist ein eigenständiges Ökosystem mit einer Vielzahl von ökologischen Nischen und einer großen bakteriellen Vielfalt. Durch innere oder äußere Einflüsse kann es zu Veränderungen der Umweltbedingungen kommen, die eine veränderte Zusammensetzung des Mikrobioms zur Folge haben. Eine solche Dysbiose wirkt sich auf den Gesundheitszustand des Menschen aus und kann zu schweren Krankheiten führen. Das orale Mikrobiom gehört mit zu den komplexesten Mikrobiomen des Menschen. Es bildet eine natürliche Barriere gegen Krankheitserreger und beugt somit u.a. lokalen Krankheiten wie Karies oder Parodontitis vor. Die Metaproteomik ermöglicht es, die exprimierten Proteine des Mikrobioms und deren Interaktion mit dem Wirt zu untersuchen. Diese Technologie überwindet somit die Beschränkung auf Laborkulturen und ermöglicht die Untersuchung des Mikrobioms direkt in seinem natürlichen Lebensraum. Die Metaproteomik bietet eine Reihe von Instrumenten zur Vertiefung des Verständnisses des oralen Mikrobioms hinsichtlich des Gesundheitszustandes des Menschen.
Ziele: Ein Ziel dieser Dissertation war es einen Arbeitsablauf für die Durchführung von Metaproteomstudien des oralen Mikrobioms zu erarbeiten, beginnend bei der Probensammlung über die Präparation der Proben für die Massenspektrometrie bis hin zur bioinformatischen Auswertung. Diesen Arbeitsablauf galt es für das Mikrobiom des Speichels sowie für die Biofilme auf der Zunge und des supragingivalen Plaques zu etablieren bzw. zu adaptieren. Darauf aufbauend wurden Metaproteomstudien durchgeführt, um die drei Mikrobiome bei gesunden Probanden hinsichtlich ihrer exprimierten Proteine, deren metabolischer Bedeutung und Interaktionen mit dem Wirt sowie deren taxonomische Zuordnung zu studieren.
Studiendesign: Die Dissertation umfasst drei Studien mit drei unterschiedlichen Kohorten. Allen Studien ist gemein, dass die Kohorten sich aus oral gesunden Probanden im Alter von 20-30 Jahren zusammensetzten.
In der ersten Studie verglichen wir die Salivette® sowie den Paraffinkaugummi anhand von fünf Probanden, um die effektivste Methode zur Sammlung von Speichel für Metaproteomstudien zu identifizieren.
In der zweiten Studie wurden die Mikrobiome von Speichel und Zunge anhand von 24 Probanden miteinander verglichen und dafür eine Auswertestrategie entwickelt, um der Komplexität dieser Metaproteomstudie gerecht zu werden.
Im Rahmen unserer dritten randomisierten Einzelblindstudie, die auf einem Cross-over-Design basierte, erhielten 16 Probanden vier unterschiedliche lokale Behandlungsschemata, um deren Auswirkung auf das Plaque-Mikrobiom zu untersuchen. Die Behandlungen bestanden aus zwei Lutschtabletten, die Bestandteile des Lactoperoxidase-Systems in unterschiedlichen Konzentrationen enthielten, einer Lutschtablette mit einem Placebo-Wirkstoff sowie Listerine® Total Care™ Mundspülung als Positivkontrolle.
Alle Proben wurden, basierend auf einem Bottom-Up-Ansatz, unter Verwendung von nano LC-MS/MS Massenspektrometern in einer datenabhängigen Messstrategie (DDA, data- dependant acquisition mode) vermessen. Die bioinformatische Auswertung erfolgte für die erste Studie mit Hilfe der Proteome Discoverer Software. Für die Studien zwei und drei wurde die Trans-Proteomic Pipeline eingesetzt. Die taxonomische sowie funktionelle Zuordnung der identifizierten Proteine erfolgte für alle Studien anhand der Prophane Software.
Ergebnisse:
Für den Paraffinkaugummi konnten wir mit 1.005 bakteriellen Metaproteinen dreimal so viele Metaproteine identifizieren im Vergleich zur Salivette® mit 313 Metaproteinen. 76,5 % der Metaproteine der Salivette® wurden ebenfalls mit dem Paraffinkaugummi gefunden. Insgesamt wurden 38 Genera und 90 Spezies identifiziert, wovon 13 Genera und 44 Spezies nur mit dem Paraffinkaugummi identifiziert werden konnten. Die größte funktionelle Diversität wurde ebenfalls mit dem Paraffinkaugummi detektiert.
Das Metaproteom des Speichel- und Zungen-Mikrobioms basiert auf 3.969 bakteriellen Metaproteinen sowie 1.857 humanen Proteinen. Die Anzahl der nur für das Zungen-Mikrobiom identifizierten Metaproteine, war doppelt so hoch, im Vergleich zum Speichel.
Die Metaproteine konnten 107 Genera sowie 7 Phyla zugeordnet werden. Funktionell wurden für das Speichel-Mikrobiom signifikant höhere Metaproteinabundanzen für die Zellmotilität gefunden. Beim Zungen-Mikrobiom hingegen wiesen die Metaproteine der Biosynthese von sekundären Metaboliten, Signaltransduktion oder der Replikation höhere Abundanzen auf.
Im Rahmen der Plaque-Studie identifizierten wir durchschnittlich 1.916 (± 465) bakterielle Metaproteine je Probe, die wir taxonomisch und funktionell 116 Genera sowie 1.316 Proteinfunktionen zuordnen konnten. Die Plaque inhibierende Wirkung von Listerine® zeigte sich durch eine Reduktion der Metaproteinidentifikation von durchschnittlich 23,5 % nach der Behandlung. Darüber hinaus zeigte die Mehrheit der bakteriellen Metaproteine reduzierte relative Abundanzen während für die Metaproteine humanen Ursprungs eine Erhöhung der Proteinabundanzen gegenüber der Kontrolle vor Behandlung zu verzeichnen war. Aus funktioneller Sicht waren insbesondere metabolische Prozesse, welche für das Zellwachstum und die Zellteilung wichtig sind, betroffen. Im Gegensatz dazu erhöhten sich durch die LPO Lutschtabletten sowohl die Identifikation der Metaproteine als auch die relative Abundanz für die Mehrheit der Proteine. Nach den durch die Metaproteomdaten erhaltenen funktionellen Informationen liegen Hinweise für einen wachsenden Biofilm vor. Die Metaproteine, die eine erhöhte Abundanz nach Behandlung mit den LPO-Dragees zeigten, wurden taxonomisch hauptsächlich Erst- (S. gordonii) und Zweitbesiedlern (F. nucleatum) sowie Bakterien zugeordnet, die einem gesunden Biofilm zuträglich sind.
Fazit: Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein vollständiger Metaproteom Arbeitsablauf von der Probensammlung, über die Probenpräparation bis hin zu Datenanalyse für das Speichel-, Zungen- und Plaque-Mikrobiom erarbeitet. In drei Studien konnten wir dessen Anwendbarkeit demonstrieren und erreichten vergleichbare Ergebnisse zu anderen Metaproteomstudien, beispielsweise bezüglich der Proteinidentifikation. Für die Sammlung von Speichelproben stellte sich der Paraffinkaugummi für Metaproteomstudien als die Methode der Wahl heraus. Für das Zungen-Mikrobiom veröffentlichten wir die ersten Metaproteomdaten. Darüber hinaus publizierten wir die erste Metaproteomstudie, welche die beiden Mikrobiome von Speichel und Zunge miteinander vergleicht. Hinsichtlich des Plaque-Mikrobioms handelte es sich ebenfalls um die erste Metaproteomstudie, die ein
anerkanntes und etabliertes zahnklinisches Modell mit den Vorzügen der Metaproteomiks verbindet. Die Ergebnisse liefern erste Daten, um (auf längere Sicht gesehen) ein Produkt zur täglichen Mundhygiene entwickeln zu können, welches die bakterielle Zusammensetzung des Plaque-Biofilms positiv beeinflusst.
Deciphering the entire protein complement of a living cell together with the elucidation of dynamic processes on protein level are the main goals of proteomics as it is used today. To achieve this goal, namely the elucidation of dynamic processes of the entire bacterial cell, we have developed strategies and distinct workflows to cover the most proteins in different subcellular localizations in bacteria together with a stable isotopes labeling approach to follow temporal and spatial changes in different proteomic subfractions. In this work, it has been shown that the use of mass spectrometry based in vivo quantitation techniques and the application of subcellular and chromatographic fractionation has lead to a new level of qualitative and quantitative proteomics data. Emphasizing on the studies revealing the dynamics of the bacterial physiology on a time resolved base, both spatial and temporal processes can be monitored to obtain knowledge on physiological processes in a depth that has not been reached before in comparable global studies.