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β-Phenylalanine Ester Synthesis from Stable β-Keto Ester Substrate Using Engineered ω-Transaminases
(2018)
Fatty aldehydes (FALs) can be derived from fatty acids (FAs) and related compounds and are frequently used as flavors and fragrances. Although chemical methods have been conventionally used, their selective biotechnological production aiming at more efficient and eco-friendly synthetic routes is in demand. α-Dioxygenases (α-DOXs) are heme-dependent oxidative enzymes biologically involved in the initial step of plant FA α-oxidation during which molecular oxygen is incorporated into the Cα-position of a FA (Cn) to generate the intermediate FA hydroperoxide, which is subsequently converted into the shortened corresponding FAL (Cn-1). α-DOXs are promising biocatalysts for the flavor and fragrance industries, they do not require NAD(P)H as cofactors or redox partner proteins, and they have a broad substrate scope. Here, we highlight recent advances in the biocatalytic utilization of α-DOXs with emphasis on newly discovered cyanobacterial α-DOXs as well as analytical methods to measure α-DOX activity in vitro and in vivo.
Monodithiolenkomplexe des Wolframs und des Molybdäns des Typs [M(CO)2(dt)(PP)] (M= Mo, W; dt= Dithiolen; PP= Bisphosphan) waren bisher nur wenig zugänglich und entsprechend kaum untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wurden diverse Variationen an Dithiolen- und Phosphan-Liganden eingeführt und die erhaltenen Komplexe umfassend charakterisiert. Ein besonderer Fokus wurde hierfür auf die redoxbasierte Reaktivität dieser spannenden Komplexklasse gelegt, sodass eine Aktivierung von molekularem Stickstoff im Rahmen einer Kleinmolekülaktivierung ermöglicht werden sollte. Während der Untersuchungen konnte ein erstes Beispiel für die Generierung eines Dithiolen-Sulfonium-Liganden basierend auf einer Reaktivität gegenüber dem Kleinmolekül Dichlormethan erhalten werden.
This text is designed to give the reader a helping hand in writing a scientific paper. It provides generic advice on ways that a scientific paper can be improved. The focus is on the following ethical and non-technical issues: (1) when to start writing, and in what language; (2) how to choose a good title; (3) what should be included in the various sections (abstract, introduction, experimental, results, discussion, conclusions, and supporting information (supplementary material); (4) who should be considered as a co-author, and who should be acknowledged for help; (5) which journal should be chosen; and (6) how to respond to reviewers’ comments. Purely technical issues, such as grammar, artwork, reference styles, etc., are not considered.
This thesis deals with the process considerations and optimizations of a whole-cell enzyme cascade reaction for the synthesis of ɛ-caprolactone. The enzyme cascade synthesis of ɛ-caprolactone has been conceptualized and verified using a dehydrogenase and a monooxygenase. The advantage of this enzyme combination is the closed-loop co-factor regeneration. Dehydrogenase and monooxygenase expressed in discrete whole cells were applied in defined ratio to conceptualize the cascade reaction. This necessitates the use of separate co-factor regeneration system due to impermeability of the E. coli cell wall to the co-factor. Article I deal with the design and optimization of dehydrogenase and monooxygenase co-expression in a same E. coli cell. In Article II, the cascade reaction was upscaled and a fed-batch process was realized. Following which, the important reaction metrices were analyzed and optimized. Article III extends the two-enzyme cascade with a lipase. The use of lipase helps to overcome the product inhibition of monooxygenase by ɛ-caprolactone.
Abstract
Desulfarculus baarsii and Desulfurivibrio alkaliphilus are strictly anaerobic bacteria existing in marine sediments. D. baarsii gains energy through reducing sulphate and D. alkaliphilus is able to reduce elemental sulphur, thiosulphate and polysulphide in seawater. Both organisms were previously identified as key organisms in sediment derived, bidirectional electroactive biofilms. Here, we investigated the electrochemical performance of these two bacteria in bio‐electrochemical systems and their possible involvement in anodic and cathodic reactions. The results show that D. baarsii was unable to donate or accept electrons to/from an electrode, while D. alkaliphilus was able to catalyse both anodic and cathodic reactions and interact with the electrode through direct or potentially indirect electron transfer. Raman spectra of D. alkaliphilus electrode biofilms showed a high similarity to Geobacter sulfurreducens biofilms, including the specific bands of cytochromes b and c, explaining the electroactivity of D. alkaliphilus in bioelectrochemical reactions.
Enzymatic degradation and recycling can reduce the environmental impact of plastics. Despite decades of research, no enzymes for the efficient hydrolysis of polyurethanes have been reported. Whereas the hydrolysis of the ester bonds in polyester‐polyurethanes by cutinases is known, the urethane bonds in polyether‐polyurethanes have remained inaccessible to biocatalytic hydrolysis. Here we report the discovery of urethanases from a metagenome library constructed from soil that had been exposed to polyurethane waste for many years. We then demonstrate the use of a urethanase in a chemoenzymatic process for polyurethane foam recycling. The urethanase hydrolyses low molecular weight dicarbamates resulting from chemical glycolysis of polyether‐polyurethane foam, making this strategy broadly applicable to diverse polyether‐polyurethane wastes.
Polykristallines Gold wurde bereits seit dem Ende des 19. Jahrhunderts elektrochemisch charakterisiert und seit Anfang des 20. Jahrhunderts regelmäßig als Arbeitselektrode in der elektrochemischen Analytik genutzt. Fälschlicherweise und trotz erster gegenteiliger Indizien, dominierte die Annahme, dass mechanisches Polieren die einzelnen Einkristallflächen des polykristallinen Materials freilegen würde, und dass deren statistisch gewichtetes elektrochemisches Verhalten reproduzierbar abgebildet werden könne. Mit dem Aufkommen neuer und verbesserter Verfahren zur Erzeugung hochwertiger Einkristallflächen parallel zur Entwicklung und Verbreitung leistungsstarker Techniken zur Oberflächenanalyse, konzentrierte sich die Goldforschung ab der Mitte des 20. Jahrhunderts auf die Charakterisierung der Einkristallflächen, ohne jedoch die neugewonnenen Erkenntnisse für die Interpretation des polykristallinen Materials zu nutzen. Gegenstand dieser Arbeit war daher die Kombination elektrochemischer Methoden (lineare und zyklische Voltammetrie) mit modernen Oberflächenanalysetechniken (Röntgendiffraktion, elektrochemische Unterpotentialabscheidung von Blei-Ionen) und bildgebenden Verfahren (AFM, STM, REM) zur Charakterisierung verschieden vorbehandelter polykristalliner Goldelektroden. Zudem sollte das elektrochemische Verhalten dieser Elektroden basierend auf dem bisherigen Wissen über das Verhalten der Einkristallflächen interpretiert werden. Der Großteil der erzielten Ergebnisse wurden in den drei Publikationen veröffentlicht, die den Hauptteil dieser Dissertation bilden. Zunächst konnte eine temporäre Aktivierung mittels mechanischer oder elektrochemischer Bearbeitung sowie eine Inaktivierung durch chemisches Ätzen in sauerstoffgesättigter Kaliumcyanidlösung, bezüglich der Sauerstoffreduktion als Referenzreaktion nachgewiesen werden, wobei Aktivierung und Inaktivierung relativ sind und im Zusammenhang mit der Anzahl sogenannter aktiver Zentren auf der Elektrodenoberfläche stehen (Publikation 1). Darüber hinaus erwiesen sich kontinuierliche Oxidations- und Reduktionszyklen an polierten polykristallinen Goldelektroden in schwefelsaurer Lösung als eine neue, Zusatzstoff freie Methode für die Goldnanopartikelsynthese, da diese wohldefinierte und immobilisierte Goldkristallite auf den Elektrodenoberflächen erzeugt (Publikation 2). Die sequenzielle Kombination aus Argon-Ionenstrahlätzen und thermischem Ausheizen hat sich hingegen als effiziente Methode zur Erzeugung sauberer und glatter Elektrodenoberflächen mit hoher atomarer Ordnung erwiesen (Publikation 3). Zugleich konnte gezeigt werden, dass polykristallines Gold ein eigenständiges Material ist, dessen Eigenschaften und Verhaltensweisen nicht ausschließlich auf das statistisch gewichtete elektrochemische Verhalten der einzelnen Einkristallflächen zurückzuführen sind, sondern auch von anderen energetischen Aspekten, wie beispielsweise der Koordination der Oberflächenatome im Kristallgitter, bedingt werden (Publikation 2 und 3).
Im Rahmen dieser Arbeit konnte die funktionelle Expression der 4-Hydroxyacetophenon-Monooxygenase (HAPMO) aus Ps. putida JD1 etabliert werden. Die im Kolbenmaßstab entwickelte Expressionsstrategie konnte auf einen Kultivierungsmaßstab von bis zu vier Litern übertragen werden. Außerdem konnten die Reaktionsbedingungen für die enantioselektive enzymatische Baeyer- Villiger-Oxidation von 3-Phenyl-2-butanon durch die HAPMO optimiert werden, auch hier war die Übertragung auf einen größeren Maßstab möglich. Durch die Verwendung von Lewatit® VP OC 1064 MD PH, einem hydrophoben Adsorbens, als zweiter Phase konnte in einem in situ SFPR-System (substrate feed and product removal) die Inhibierung der HAPMO auch bei höheren Substratmengen umgangen werden. Auf diese Weise war es möglich, in Biokatalysen das Substrat in einer Konzentration von 40 mM einzusetzen. Im Verlauf dieser Biokatalysen konnte im Schüttelkolben ein Umsatz von annähernd 50% erreicht werden. Auch in Ganzzellbiotransformationen im 500 mL-Maßstab konnte ein Umsatz von 30% erreicht werden. Mit p-Nitroacetophenon, α-Acetonaphthon und 3-Acetylindol konnten im Rahmen dieser Arbeit Substrate mit der HAPMO umgesetzt werden, die für den colorimetrischen Nachweis von Baeyer-Villiger-Monooxygenase-Aktivität verwendet werden können. In einem weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit wurde nach einer Möglichkeit gesucht, den Ausgangsstoff für die Biokatalysen, 3-Phenyl-2-butanon, in ausreichendem Umfang zu synthetisieren. Die bisher für die Synthese verwendete Umsetzung von 2-Phenylpropionsäure mit Methyllithium ist durch das Gefahrenpotential von Methyllithium nur bedingt in größerem Maßstab durchführbar. In einer alternativen Syntheseroute wurde 1-Phenyl-2-propanol oxidiert und das entstehende Keton mit Methyliodid methyliert. Beide Reaktionsschritte konnten mit nahezu vollständigem Umsatz durchgeführt werden. Durch die Verwendung der Vakuumdestillation zur Aufreinigung des Produktes konnten Ausbeuten von über 90% erreicht werden.
Die Pankreatitis ist eine relativ häufige gastrointestinale Erkrankung deren Pathomechanismus bisher nicht vollständig geklärt wurde. Besonders die Rolle des Immunsystems scheint einen wichtigen Einfluss auf den Verlauf dieser Erkrankung zu haben. Gut charakterisiert ist bereits die initiale lokale Immunantwort. Zerstörte Azinuszellen setzten DAMPs (engl. damage-associated molecular pattern) frei, die wiederum eine Infiltration von Zellen des angeborenen Immunsystems in das Pankreasgewebe induzieren und aktivieren. Zu diesen Zellen gehören Makrophagen und Neutrophile. T-Zellen, welche zum adaptiven Immunsystem gehören, wandern nicht in das Pankreas ein, sie werden jedoch systemisch aktiviert. Vor allem Th2-Zellen (T-Helferzellen Typ2) und Tregs (regulatorische T-Zellen) werden im Verlauf einer Pankreatitis induziert. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Tregs während einer Pankreatitis nicht nur aktiviert werden, sondern ebenfalls eine höhere suppressive Kapazität besitzen.
Die genaue Rolle dieser antiinflammatorischen Immunantwort und im speziellen der Einfluss von Tregs sollte in dieser Arbeit mit Hilfe von DEREG Mäusen (engl. depletion of regulatory T cells) genauer charakterisiert werden. Durch gezielte Depletion von Tregs mittels DT (Diphtheria Toxin) kann die Auswirkung der Abwesenheit von Tregs im Pankreatitis-Mausmodell untersucht werden. Im akuten Modell kommt es zu einem systemischen Anstieg der T-Effektor-Immunantwort. Die Depletion von Tregs hat zudem eine Auswirkung auf den Schweregrad der Erkrankung. Unter Abwesenheit von Tregs sinkt im akuten Pankreatitis-Modell der pankreatische Schaden. Als eine mögliche Ursache konnte die Dysbalance der Treg/Th17 regulierten intestinalen Immunantwort identifiziert werden, welche zu einer Zerstörung der Darmbarriere führt und eine Translokation kommensaler Mikroorganismen ins nekrotische Pankreasgewebe initiiert.
Im chronischen Pankreatitis-Modell konnte gezeigt werden, dass die T-Zelldifferenzierung einen wichtigen Einfluss auf die Makrophagenpolarisation hat und dadurch den Verlauf der Chronifizierung der Pankreatitis mitbestimmt. Eine Depletion von Tregs in der chronischen Pankreatitis führt zu einer ungebremsten Th2-Antwort. Über die freigesetzten Zytokine, wie z.B. IL4, wird die Makrophagenpolarisation in Richtung der antiinflammatorischen Makrophagen verschoben. Diese Makrophagen induzieren über IL10 und TGFβ die Aktivierung ruhender PSCs (pankreatische Sternzelle) und regulieren somit Regenerationsprozesse. Kommt es zu einer Dysregulation dieser Makrophagenpolarisation, kann dieser Regenerationsprozess unkontrolliert erfolgen. Als Folge dessen kommt es nicht nur zu einer gesteigerten Aktivierung von PSCs, sondern auch zu einer exzessiven Kollagenproduktion, welche zu einer pathologische Fibrose führt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen deutlich, dass Tregs einen entscheidenden Einfluss auf die Gewebeumstrukturierung des Pankreas haben. Eine Depletion von Tregs im chronischen Pankreatitis-Modell induziert über die Aktivierung antiinflammatorischer Makrophagen eine Expression von PSCs. Diese unkontrollierte Induktion führt zu einer gesteigerten Kollagenproduktion und Bildung von fibrotischem Pankreasgewebe unter gleichzeitigem Verlust von Azinuszellen. Diese exzessive Gewebeumstrukturierung resultiert in einem Funktionsverlust des exokrinen Gewebes. Mäuse deren Tregs depletiert wurden verloren im chronischen Pankreatitis-Modell bereits nach 14 Tagen signifikant an Gewicht.
Weitere wichtige Faktoren, die im Regenerationsprozess eine Rolle spielen, sind Wachstumsfaktoren. Genexpressionsanalysen und histologische Färbungen verdeutlichen, dass Tregs die Induktion von Wachstumsfaktoren mitbestimmen.
Zusammengefasst bedeutet dies, dass Tregs im akuten Pankreatitis-Modell die T-Effektor-Immunantwort supprimieren und dadurch den Verlauf der Pankreatitis verschlechtern. Im chronischen Pankreatitis-Modell sorgen Tregs dahingegen für eine Balance der Makrophagenpolarisation, und regulieren den Remodeling-Prozess, indem sie z.B. die Bildung fibrotischem Gewebes limitieren.
Carboxylester-Hydrolasen gehören zu den Enzymen, die durch hohe Lösungsmitteltolereanz, gute Lagerstabilität und ein breites Substratspektrum, am häufigsten in der Biokatalyse eingesetzt werden. Allerdings akzeptieren sie im Gegensatz zu Estern primärer und sekundärer Alkohole nur in Ausnahmefällen Ester tertiärer Alkohole als Substrate. In der Arbeit werden Wege untersucht mittels Gerichteter Evolution und rationalem Protein Design, Esterasevarianten zu generieren die in der Lage sind diese Substrate mit guten Enantioselektivitäten umzusetzen. Unter Verwendung von Methoden der Zufallsmutagenese werden große Enzymbibliotheken aufgebaut und mit einem mikrotiterplatten basierendem Assays-system auf neu generierte Aktivitäten untersucht. Mittels molecular modeling, werden Positionen vorhergesagt, an den gezielt Mutationen eingeführt werden können um eine erhöhte Enantioselektivität zu erreichen.
In dieser Arbeit wurde die Möglichkeit untersucht Kohlendioxid (CO2) durch die Rückreaktion einer Pyruvatdecarboxylase zu fixieren. Hierzu gehörte die Etablierung experimenteller Grundlagen zur Enzymexpression, Aktivitätsmessungen, Biokatalysen und die Konstruktion einer CO2-Druckanlage, die in der Lage ist auch überkritisches CO2 herzustellen. Verwendet wurden die Pyruvatdecarboxylasen aus Zymomonas mobilis und Saccharomyces cerevisiae und deren Gene rekombinant in Escherichia coli exprimiert. Am Ende sollte auf Basis der erhaltenen Daten und Erkenntnisse das Potential einer solchen Reaktion für eine industrielle Anwendung abgeschätzt werden.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Synthese von Fettsäureestern aus Pflanzenölen mit Methanol bzw. Ethanol in Gegenwart von Wasser durch die Lipase CAL-A zu optimieren, wobei insbesondere die Bildung von freien Fettsäuren minimiert werden sollte. Zunächst wurde ein Hochdurchsatztest zur Bestimmung der Acyltransferaseaktivität der CAL-A etabliert, welcher auf der Abnahme des Alkoholgehalts in Umesterungsreaktionen basiert. Dabei zeigte sich eine gute Übereinstimmung zwischen den Umsätzen, die mit GC und dem Oxidase-Assay ermittelt wurden, wobei die Umsätze nicht zu gering sein sollten da sonst größere Schwankungen im Oxidase-Assay möglich sind. Durch das rationale Design anhand der gelösten Struktur der CAL-A konnten vier Mutagenesepositionen identifiziert werden: Thr118, Asp122, Thr221 und Glu370. Durch den Austausch der Aminosäurereste an diesen Positionen gegen hydrophobere Aminosäuren wurden 28 CAL-A Varianten generiert. Diese wurden für eine initiales, qualitatives Screening eingesetzt, indem drei CAL-A Varianten eine ähnliche bzw. erhöhte Esterbildung im Vergleich zum Wildtyp zu haben schienen. Die drei Varianten Thr118Ile, Asp122Leu und Thr221Ala wurden daraufhin für weitere Untersuchungen in P. pastoris im Bioreaktor hergestellt und in Biokatalysen verwendet. Eine erhöhte Esterbildung für die Varianten Thr118Ile und Thr221Ala ließ sich jedoch nicht bestätigen, allerdings zeigte sich, dass die CAL-A Variante Asp122Leu deutlich weniger freie Säure bildete als der CAL-A WT. In der anschließenden Charakterisierung von CAL-A Asp122Leu zeigte sich, dass diese Variante wie CAL-A WT auch thermostabil ist und dass beide Enzyme das gleiche pH- und Temperaturoptimum haben. Des Weiteren wurden CAL-A WT und Asp122Leu adsorptiv auf Lewatit VP OC 1600 immobilisiert und in Biokatalysen eingesetzt, in denen CAL-A Asp122Leu erneut deutlich weniger freie Säure bildete. Darüber hinaus wurde auch der Einfluss der Reaktionsbedingungen auf die Acyltransferaseaktivität der CAL-A untersucht. Es wurden dazu Biokatalysen mit Ethanol oder Methanol durchgeführt, in denen der Wassergehalt (5% oder 10% bezogen auf die Einwaage an Öl) und die Reaktionstemperatur (30°C, 40°C oder 50°C) variiert wurden. Die Biokatalysen mit Methanol zeigten dabei generell einen hohen Umsatz zwischen 85-95%, während die Biokatalysen mit Ethanol nur zu geringeren Umsätzen führten (55-85%). Allerdings zeigte sich in einem Langzeitstabilitätstest mit einer Biokatalysedauer von 97 h auch, dass Methanol das verwendete CAL-A Immobilisat stärker inaktiviert als Ethanol. Ebenso musste bei einem Wassergehalt von nur 5% die Methanolzugabe schrittweise erfolgen, um eine Inaktivierung des CAL-A Immobilisats zu verhindern. Somit konnte eine Optimierung der CAL A katalysierten Umesterungsreaktionen sowohl durch das Protein-Engineering des Biokatalysators als auch durch die Anpassung der Prozessbedingngen erreicht werden. Dabei wurden Erkenntnisse gewonnen, die auch zur Beurteilung der industriellen Anwendbarkeit eines solchen Prozesses beitragen können.
Enzyme sind bekannt als Biokatalysatoren, die spezifisch für ein oder wenige Substrate und ihre zu katalysierende Reaktion sind. Die Fähigkeit einiger Enzyme, mehr als nur eine bestimmte chemische Umsetzung zu katalysieren, bezeichnet man als Promiskuität. Einige Enzyme verfügen über ein breites Substratspektrum und können selbst strukturell verschiedene Substrate umsetzen. Man spricht hierbei von der Substratpromiskuität (substrate promiscuity) der Enzyme. Eine weitere Klasse der Promiskuität wird als Konditionspromiskuität (condition promiscuity) bezeichnet. Hierzu zählen Enzyme, die auch bei nicht-natürlichen Reaktionsbedingungen wie hohen Temperaturen, extremen pH-Werten oder in wasserfreiem Medium katalytische Aktivität aufweisen. Die katalytische Promiskuität (catalytic promiscuity) bildet die dritte Gruppe der Enzympromiskuität. Enzyme, die über diese Art der Promiskuität verfügen, zeichnen sich durch eine breite Reaktionsspezifität bei der Katalyse alternativer Reaktionen aus. Zudem lehren uns die Strukturen von über 30.000 Proteinen, dass die Natur nur von einem limitierten Repertoire von Proteingerüsten Gebrauch gemacht hat, um dennoch eine Vielzahl an verschiedensten Reaktionen herbeizuführen. Die Vielfältigkeit der Proteingerüste ist auf einige wenige Vorfahren zurückzuführen, deren Gerüst als Basis zur Generierung von Familien und Superfamilien diente. Die Überreste dieses Prozesses spiegeln sich in den ähnlichen Strukturen und katalytischen Resten der Familienmitglieder wieder. Über die Millionen von Jahren der Evolution haben sich jedoch die Sequenzähnlichkeiten der Mitglieder einer Familie stark verändert. Durch die Untersuchung der Beziehungen von Enzymen mit α/β-Hydrolasefaltung am Beispiel der Generierung von Epoxidhydrolaseaktivität in das Proteingerüst der Pseudomonas fluorescens Esterase (PFE) sollte die verwandtschaftliche Beziehung beider Enzyme näher dargestellt werden. Mit Hilfe der Methoden der positionsgerichteten Mutagenese und der gerichteten Evolution war es möglich eine Vielzahl von Mutanten zu kreieren. Zur Durchmusterung der Mutantenbliotheken kam sowohl ein neu entwickelter Agarplatten-Assay, als auch ein optimiertes Hochdurchsatz-Testsystem zum Einsatz. Mittels dieser Testformate konnten Mutanten der PFE identifiziert werden, die aktiv gegenüber Epoxiden sind. Des Weiteren erfolgte die genaue Charakterisierung der generierten Varianten.
Untersuchungen zum Aufbau eines Assays zur in vitro Selektion eines Cytidindesaminase-Ribozyms
(2009)
In dieser Arbeit wurden Untersuchungen zur Funktionalisierung von RNAs im Hinblick auf die Selektion eines Ribozyms, das die Desaminierung von Cytidin zu Uridin katalysieren kann, durchgeführt. Die Desaminierung von Cytidin verläuft proteinkatalysiert. Cytidindesaminasen (CDAs) sind im Nukleotidmetabolismus aller Lebewesen zu finden. In höheren Eukaryoten spielen CDAs beim RNA editing eine Rolle. In Säugetieren sind sie bedeutsam für die Immunabwehr. Ein Cytidindesaminase-Ribozym wäre in der Lage die gezielte Veränderung einer RNA-Sequenz zu katalysieren. Diese Eigenschaft wäre ein weiteres Indiz für eine präbiotische RNA-Welt und könnte auch in der Gentherapie nützlich sein. Bei der in vitro Selektion ist die Funktionalisierung der RNA-Bibliothek ein zentraler Punkt. 5’-Transkriptionspriming ist dafür besonders gut geeignet, da es kotranskriptionell, während der Transkription der RNA, stattfindet. Während der Transkription kann die T7 RNA Polymerase ein 5’-modifiziertes Guanosinmonophosphat am 5’-Ende, also am Anfang einer RNA-Sequenz, einbauen. Cytidin, das zu prozessierende Substrat der Selektion, wurde mit einem Guanosinmonophosphat verbunden. Solche modifizierten Guanosinmonophosphat-Verbindungen werden Initiatormoleküle genannt, da sie nur zu Beginn einer RNA-Transkription am 5’-Ende einer RNA eingebaut werden können. Um eine Selektion zu ermöglichen, wurde das Cytidin mit einer Markierung versehen. Es wurden zwei verschiedene Initiatormoleküle synthetisiert. Der eine Initiator bestand aus einer Guanosinmonophosphateinheit und einer Cytidineinheit, die eine Biotinmarkierung trug. Die Biotinmarkierung ermöglicht eine Selektion an der festen Phase durch die starke Wechselwirkung von Biotin und Streptavidin. Bei erfolgreicher Reaktion der RNA wird diese von der Festphase getrennt und kann durch Waschen der Festphase isoliert werden. Der andere Initiator trug statt der Biotinmarkierung eine Fluoreszeinmarkierung. Die Selektion mit diesem Initiator würde in Lösung stattfinden. Fluoreszein-markierte RNAs besitzen eine andere gelektrophoretische Mobilität als unmarkierte RNAs. Bei der Selektion spalten aktive RNAs die Fluoreszeinmarkierung ab. Durch Gelaufreinigung der Selektionsansätze könnten sie so auf Grund ihrer veränderten gelelektrophoretischen Mobilität isoliert werden. Zur Synthese der Moleküle wurden zwei unterschiedliche Synthesestrategien entwickelt und angewandt. Die erste Synthesestrategie bediente sich der Phosphoramiditchemie an der festen Phase und lieferte den Biotin-markierten Initiator in nanomolaren Mengen. Die zweite Strategie führt zur Synthese des Fluoreszein-markierten Initiators und beinhaltete eine 18-stufige Synthese in Lösung, die eine Ausbeute des Initiators im µ-molaren Bereich ermöglichte. Die Funktionalisierung von RNA mit dem Biotin-markierten Initiator wurde qualitativ nachgewiesen mit Hilfe einer auf Northern Blotting und Chemilumineszenzdetektion aufbauenden Methode. Dabei wurden die Transkriptionsprodukte auf einer Nylonmembran immobilisiert und mit einem Fusionsprotein aus Alkalischer Phosphatase und Streptavidin zur spezifischen Bindungen an die Biotinmarkierung inkubiert. Durch Zugabe eines Substrats der Alkalischen Phosphatase wird ein Chemiluminszenzsignal induziert, welches mit einem empfindlichen Photosystem detektiert und dokumentiert werden kann. Der erfolgreiche Einbau der Fluoreszein-markierten Initiatormoleküle wurde qualitativ mit Hilfe denaturierender Gelelektrophorese und Fluoreszenzanregung bei einer Wellenlänge von 365 nm nachgewiesen. Zur quantitativen Bestimmung des Einbaus wurde eine auf fluoreszenzspektroskopischen Anwendungen basierende Methode etabliert und erfolgreich angewendet. Dazu wurde eine zu 100% 5’-Fluoreszein-markierte RNA mit Hilfe des Phosphoramiditverfahrens synthetisiert. Zur Erstellung einer Eichgerade mit dieser Referenz-RNA wurden Proben mit bekannten Konzentrationen mit Hilfe eines Fluoreszenzspektrophotometers vermessen. Die jeweiligen gemessenen Fluoreszenzintensitäten der Fluoreszenzemissionsmaxima der Proben wurden in einem Diagramm über der dazugehörigen Konzentration aufgetragen. Die so erstellte Eichgerade ermöglichte es anhand der gemessenen Fluoreszenzintensität einer Probe markierter RNAs die Konzentration der Probe zu ermitteln. Zur Bestimmung und Optimierung der Einbaueffizienz des Fluoreszein-markierten Initiators wurden Transkriptionspriming-reaktionen unter Variation der Transkriptionsbedingungen durchgeführt. Nach Optimierung der Reaktionsbedingungen wurde so eine Einbaurate von 18% erreicht. Die Ergebnisse dieser Arbeit dokumentieren, dass grundsätzlich beide Inititatormoleküle zur Funktionalisierung einer RNA-Bibliothek und den damit verbundenen Selektionsstrategien, Festphase oder Selektion in Lösung, angewendet werden können. Die Fluoreszein-basierende Selektionsstrategie hätte den Vorteil einer direkteren Identifizierung und spezifischeren Quantifizierung der funktionalisierten RNA-Bibliothek.
Im Rahmen dieser Dissertation wurden Gene von Baeyer-Villiger-Monooxygenasen (BVMOs) aus Cylindrocarpon radicicola ATCC 11011 identifiziert und die Enzyme im Vergleich mit prokaryotischen BVMOs charakterisiert. Ziel dabei war es, das enzymatische Potenzial dieses filamentösen Pilzes bezüglich der biokatalytischen Baeyer-Villiger-Oxidation zu evaluieren.
Da das Genom von C. radicicola nicht sequenziert war, wurden zur Auffindung neuer BVMO-Sequenzen Methoden der Proteinaufreinigung sowie eine Identifizierung über molekularbiologische Ansätze angestrebt. Die BVMO konnte jedoch nicht über eine Aufreinigung aus dem Zellextrakt von C. radicicola, unter Anwendung eines dreistufigen Reinigungsprotokolls, in der für nachgelagerte Untersuchungen erforderlichen Reinheit gewonnen werden. Aus diesem Grund erfolgte die Identifizierung von BVMO-Sequenzen mit Hilfe molekularbiologischer Methoden. Mit degenerierten Primern, welche konservierte Sequenzbereiche bekannter BVMOs enthielten und über die CODEHOP-Strategie abgeleitet wurden, konnten drei zu BVMOs homologe Sequenzfragmente amplifiziert und identifiziert werden. Zwei der Sequenzen waren homolog zu putativen pilzlichen Steroidmonooxygenasen (STMOs). Durch Sequenzvergleiche konnte gezeigt werden, dass diese Sequenzen vermutlich kryptische Gene darstellen. Aus diesem Grund erfolgten keine weiteren Untersuchungen zu diesen zwei Sequenzen. Es gelang jedoch, eine der aus C. radicicola neu identifizierten Sequenzen funktionell in E. coli überzuexprimieren, wobei diese in weiteren Untersuchungen als Cycloalkanonmonooxygenase (CAMO) identifiziert werden konnte. Die Primärstruktur dieser BVMO besteht aus 531 Aminosäureresten, welche ca. 45% Sequenzidentität zu bekannten Cyclohexanonmonooxygenasen (CHMOs) aufweisen. Die Expression des mit aminoterminalem Hexahistidintag fusionierten Proteins wurde erfolgreich auf einen 20-Liter-Maßstab vergrößert und die CAMO nachfolgend aufgereinigt. Die CAMO weist ein breites Substratspektrum auf, wobei ein Umsatz vieler cycloaliphatischer und bicycloaliphatischer Ketone ermittelt werden konnte. Dabei ist die hohe katalytische Effizienz gegenüber Cyclobutanon als eine besondere Eigenschaft dieser BVMO hervorzuheben. Für die CAMO konnte kein Umsatz von Steroiden ermittelt werden. Neben der Oxygenierung von Cycloalkanonen konnte für das Enzym eine Aktivität gegenüber offenkettigen Ketonen wie Cyclobutyl-, Cyclopentyl- und Cyclohexylmethylketon nachgewiesen werden. Die neu beschriebene eukaryotische BVMO katalysiert folglich Reaktionen, die bisher für viele prokaryotische BVMOs - so insbesondere CHMOs - nicht beschrieben wurden. Die nachgewiesene Fähigkeit von C. radicicola, mit Cyclohexanon als einziger Kohlenstoff- und Energiequelle zu wachsen, deutet auf eine katabole Funktion der Umsetzung von Cycloalkanonen hin. Diese Eigenschaft ist für Sanierungsverfahren mineralölbelasteter Umweltkompartimente von Bedeutung und war bisher nur für wenige Pilze bekannt. Da bisher keine BVMOs aus eukaryotischen Organismen rekombinant hergestellt wurden, stellt die im Rahmen dieser Arbeit erfolgreich durchgeführte rekombinante Expression der CAMO aus C. radicicola das erste Beispiel für ein derartiges Enzym dar.
Für einen Großteil der für C. radicicola beschriebenen biokatalytischen Fähigkeiten ist eine Steroidmonooxygenase (STMO) von besonderer Bedeutung. Daher wurde zu Vergleichszwecken das Substratspektrum einer STMO aus Rhodococcus rhodochrous DSM 43269 analysiert. Hierbei konnte erstmals gezeigt werden, dass dieses Enzym neben Steroiden auch weitere offenkettige Ketone wie Cyclopentyl- und Cyclohexylmethylketon umsetzt. Besonders interessant war dabei die nachgewiesene STMO-katalysierte Oxygenierung von Cyclobutanonderivaten, da das Enzym mit Ausnahme dieser Substratgruppe nur lineare Ketone umsetzt.
Da sowohl für die CAMO aus C. radicicola als auch für die STMO aus R. rhodochrous ein Umsatz von Cyclobutanonderivaten nachgewiesen werden konnte, wurde deren Enantioselektivität in Biokatalysen mit dem Substrat 3-Phenylcyclobutanon untersucht und mit der CHMO aus Acinetobacter calcoaceticus verglichen. Die CAMO zeigte dabei eine höhere Enantioselektivität als die CHMO. Dagegen ist die STMO enantiodivergent zur CHMO und weist eine höhere Enantioselektivität als bisher bekannte (S)-selektive BVMOs auf. Die untersuchten BVMOs bieten somit ein hohes Potenzial im Bereich der Herstellung chiraler Butyrolactonderivate, welche wertvolle Bausteine für die Naturstoffsynthese darstellen.
Ein weiterer Aspekt lag in der Erweiterung des Substratspektrums der STMO aus R. rhodochrous über rationales Protein-Design, um so ein tieferes Verständnis der Sequenz-Aktivitäts-Beziehungen zu gewinnen. Basierend auf Ergebnissen der Literatur bezüglich Mutanten der zu dieser STMO homologen Phenylacetonmonooxygenase aus Thermobifida fusca wurden Varianten der STMO aus R. rhodochrous erzeugt. Für diese konnte jedoch kein erweitertes Substratspektrum ermittelt werden.
Das Interesse an Amin-Transaminasen stieg in den letzten Jahren stark an. Hierbei wurde der Fokus vor allem auf die Aufklärung der Strukturen der Amin-Transaminasen, aber auch auf ihre Anwendung in der Synthese von immer komplexeren Aminen gelegt. In dieser Arbeit befasste ich mich mit der Strukturaufklärung der (R)-selektiven Amin-Transaminase aus Aspergillus fumigatus und mit der Synthese von diastereomerenreinen 1 Amino-3-Methylcyclohexan. Es gelang die (R)-selektive Amin-Transaminase aus Aspergillus fumigatus zu kristallisieren und ihre Struktur mit einer Auflösung von 1,27 Å zu lösen. Der bis dato postulierte Aufbau des aktiven Zentrums von (R)-selektiven ATAs wurde bestätigt. Weiterhin wurde die duale Substraterkennung dieser (R)-ATA untersucht. Dieses erfolgte durch das Soaken mit dem Inhibitor Gabaculin und durch Mutagenesestudien. Hierbei wurde das Arginin 126 identifiziert, welches zusammen mit einem Histidin und einem Tyrosin, für die Koordinierung der Carboxylgruppe von Alanin bzw. Pyruvat in der großen Bindungstasche des aktiven Zentrums verantwortlich ist. Durch diese Erkenntnisse konnte das Verständnis über (R)-selektive Amin-Transaminasen erweitert werden und bietet nun eine gute Grundlage für zukünftige Optimierungen und Anwendungen dieser Enzyme in der Herstellung von Aminen. Zur Synthese von diastereomerenreinem 1-Amino-3-Methylcyclohexan wurde die (S)-selektive Amin-Transaminase aus Vibrio fluvialis (VibFlu) verwendet. Während hohe Enantioselektivitäten für andere Substrate bekannt waren, musste die Amin-Transaminase zunächst mit Hilfe der 3DM-Datenbank für die selektive Transaminierung von 3-Methylcyclohexanon optimiert werden. Eine Kopplung der generierten Mutanten VibFlu Leu56Ile und VibFlu Leu56Val mit verschiedenen Enoatreduktasen führte zur erfolgreichen Synthese von drei der möglichen vier Diastereomeren mit hohen Reinheiten von bis zu 97 %de und guten Umsätzen bis zu 99 %. Somit konnte die erfolgreiche selektive Synthese eines zyklischen Amins mit mehr als einem Stereozentrum durch eine Enzymkaskade gezeigt werden. Dies demonstriert die Möglichkeiten von Kaskadenreaktionen mit Amin-Transaminasen und Enoatreduktasen zur Synthese von komplexen diastereomerenreinen Aminen.
Marine algae produce complex polysaccharides, which can be degraded by marine heterotrophic bacteria utilizing carbohydrate-active enzymes. The red algal polysaccharide porphyran contains the methoxy sugar 6-O-methyl-D-galactose (G6Me). In the degradation of porphyran, oxidative demethylation of this monosaccharide towards D-galactose and formaldehyde occurs, which is catalyzed by a cytochrome P450 monooxygenase and its redox partners. In direct proximity to the genes encoding for the key enzymes of this oxidative demethylation, genes encoding for zinc-dependent alcohol dehydrogenases (ADHs) were identified, which seem to be conserved in porphyran utilizing marine Flavobacteriia. Considering the fact that dehydrogenases could play an auxiliary role in carbohydrate degradation, we aimed to elucidate the physiological role of these marine ADHs. Although our results reveal that the ADHs are not involved in formaldehyde detoxification, a knockout of the ADH gene causes a dramatic growth defect of Zobellia galactanivorans with G6Me as a substrate. This indicates that the ADH is required for G6Me utilization. Complete biochemical characterizations of the ADHs from Formosa agariphila KMM 3901T (FoADH) and Z. galactanivorans DsijT (ZoADH) were performed, and the substrate screening revealed that these enzymes preferentially convert aromatic aldehydes. Additionally, we elucidated the crystal structures of FoADH and ZoADH in complex with NAD+ and showed that the strict substrate specificity of these new auxiliary enzymes is based on a narrow active site.
Verschiedene Strategien sind heute in der Entwicklung, um mit Hilfe von RNA Molekülen die genetische Information auf Transkriptebene zu korrigieren. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob Twinribozyme durch den Austausch kleiner RNA Fragmente das Potential zur RNA Reparatur und ortsspezifischen RNA Funktionalisierung besitzen. Das Hairpinribozym katalysiert je nach Stabilität des Ribozym-Substrat-Komplexes die Spaltung bzw. die Ligation seines Substrats. Twinribozyme wurden durch Verknüpfung von zwei Hairpinribozymeinheiten entwickelt. Die Spaltung eines RNA Substrates an den zwei katalytischen Stellen produziert drei Fragmente: beide äußeren binden fest an das Twinribozym, während die Bindung des mittleren Fragments durch einen Vier-Nukleotid-Loop im Ribozymstrang destabilisiert wird. Dies fördert dessen Dissoziation gegenüber dessen Rückligation. Die Zugabe eines so genannten Reparaturoligonukleotids, das stabil an das Twinribozym anstelle des mittleren Fragments bindet, begünstigt dessen Assoziation zum Ribozym und dessen Ligation zu den übrigen Substratfragmenten. Das Ergebnis ist ein um vier Nukleotide verlängertes Reparaturprodukt. Dies stellt ein Modell für die Reparatur einer Vier-Nukleotid-Deletion auf mRNA Ebene dar. Erstes Ziel dieser Arbeit war es, die bestehende Reaktion kinetisch und thermodynamisch zu charakterisieren. Weiter wurde das Potential von Twinribozymen für die Reparatur anderer RNA Defekte und die ortsspezifische RNA Funktionalisierung untersucht. Schließlich wurde die Twinribozym vermittelte Reparaturreaktion in Zellkulturen getestet. Beim ursprünglichen Vier-Nukleotid-Deletionsmodell wurden unter äquimolaren Konzentrationen aller Fragmente und bei 10 mM Magnesiumchlorid und 37 °C 35 % Reparaturprodukt erhalten. Kinetische Untersuchungen jeder Einzelreaktion konnten zeigen, dass die Tamdemkonfiguration des Twinribozyms die Spalt- und Ligationseigenschaften nicht beeinträchtigt. In thermodynamischen und kinetischen Bindungsuntersuchungen von Modellduplexen, die der Austauschregion ähneln, wurde gezeigt, dass die Struktur des Ribozym-Substrat-Komplexes den Austausch der mittleren Fragmente stark fördert. Eine Voraussetzung zur biophysikalischen und biochemischen Untersuchungen von RNA Molekülen ist ihre ortsspezifische Markierung. Dies wird für bis zu 80 Nukleotide lange RNA Stränge durch chemische Synthese erreicht. Längere modifizierte RNA Moleküle werden mühsam durch Ligation mehrerer Stränge synthetisiert. Eine andere Möglichkeit besteht darin, native RNAs durch in situ Hybridisierung zu markieren. Keine Methode steht somit zur Verfügung, um in vitro Transkripte oder native RNAs intern und kovalent zu modifizieren. Ein synthetisches Substrat konnte ohne Ausbeuteverluste mit verschiedenen Fluoreszenzmolekülen, die chemisch in das Reparaturoligonukleotid eingebaut wurden, mit dem Twinribozym markiert werden. Verschiedene Transkripte wurden ebenfalls erfolgreich mit dem Twinribozym funktionalisiert. Drei verschiedene Modelle wurden untersucht: die Markierung der Transkripte resultierte entweder in einer Verlängerung um vier Nukleotide, in der Einführung von drei Einzelbasenmutationen oder in gar keinem Sequenzunterschied. Um die Ribozymzugänglichkeit der Zielsequenzen zu verbessern wurden erhöhte Temperaturen sowie DNA Oligonukleotide verwendet, die an das Transkript im Bereich der Flanken zur Ribozymbindungssequenz binden. Markierungsausbeuten von jeweils 53, 47 und 11 % wurden erzielt. Die potentielle Anwendung von Twinribozymen für die therapeutische RNA Reparatur erfordert eine effektive Zellaktivität. In vitro Versuche konnten zeigen, dass Twinribozyme unter zellähnlichen Bedingungen aktiv sind. Ein Versuch, die bestehende in vitro Reaktion in menschlichen Zellkulturen durchzuführen und das Reparaturprodukt nach Zelllyse nachzuweisen, scheiterte, da das Ribozym während der Analyse nicht deaktiviert werden konnte. Weiter wurde ein Luciferasereportergen durch die Einführung verschiedener Mutationen so deaktiviert, dass ein neues entwickeltes Twinribozym die Fehler auf mRNA Ebene reparieren sollte. In vitro Versuche mit kurzen synthetischen Substraten zeigten, dass das Ribozym die Fehler effizient prozessiert. Reparaturansätze mit den mutierten Transkripten lieferten aber Reparaturausbeuten unter 1 %, möglicherweise wegen der schlechten Ribozymzugänglichkeit der langen Transkripten. Durch Lumineszenzzellversuche konnte leider keine RNA Reparatur nachgewiesen werden. Twinribozyme erlauben den Austausch kurzer RNA Fragmente innerhalb synthetischer RNAs und Transkripte und akzeptieren dabei modifizierte Sequenzen. Dies öffnet Twinribozymen den Weg als molekulares Werkzeug für die RNA Reparatur und die ortsspezifische RNA Funktionalisierung. Die Erarbeitung von Möglichkeiten, die schlechte Zugänglichkeit der Zielsequenzen zu umgehen, sowie der Erhalt positiver Zellversuche werden über die Verwendung dieses potentialreichen RNA Werkzeugs entscheiden.
Abstract
This work presents the reactivity and dissolution of an as‐polished and electrochemically pre‐treated polycrystalline Au electrode, which is used as a model system. The effect of the electrochemical pre‐treatment in corrosive 0.37 M HCl solutions on the Au surface roughness and dissolution is investigated by varying the number of pre‐treatment steps at 1.16 V against the reversible hydrogen electrode. It is shown that the first 10 s pre‐treatment of the as‐polished Au results in a higher surface roughness and thus higher electrochemically active surface area (ECSA) than that of the as‐polished Au. With the subsequent pre‐treatments, however, the ECSA is gradually decreasing reaching a steady value. The dissolution rate of the pre‐treated Au electrodes upon potential cycling in 0.1 M H2SO4 is determined by in situ inductively coupled plasma mass spectrometry. A non‐linear dependence of Au dissolution amount is found with respect to the number of pre‐treatments. The overall total Au dissolution rate follows a similar trend as ECSA/roughness. However, an important difference in the dissolution behavior is identified with respect to dissolution processes during Au oxidation (anodic dissolution) and Au reduction (cathodic dissolution): the former is more sensitive to the surface roughness. Thus, the ratio between Au anodic and cathodic dissolution amounts decreases substantially with decrease in surface roughness. This finding is explained by the slow and fast dissolution kinetics for anodic and cathodic processes, respectively. Current work further advances our understanding of the complex Au dissolution mechanism.
β-chirale Amine, wie zum Beispiel Pregabalin und Baclofen, sind Verbindungen von großem Interesse insbesondere für die pharmazeutische Industrie. Biokatalytische Herstellungsverfahren, vor allem Aminierungsreaktionen, sind bisher nur geringfügig untersucht worden und werden nach aktuellem Wissenstand bis auf die Synthese von Niraparib noch nicht in großtechnischem Maßstab eingesetzt. Wünschenswert ist die Etablierung einer Synthese, welche (S)-Pregabalin bzw. (R)-Baclofen in hohen Ausbeuten liefert, da diese beiden Enantiomere jeweils die höhere biologische Wirksamkeit aufweisen.
Ziel dieser Arbeit war die Synthese von Pregabalin und Baclofen als Modellverbindungen für β-chirale Amine mit Hilfe einer selektiven Amintransaminase oder Amindehydrogenase.
Zunächst wurde erfolgreich mit Hilfe der Gaschromatographie bzw. HPLC jeweils eine chirale Analytik für die beiden Reaktionsprodukte sowie die Baclofen-Derivate etabliert, die stabil reproduzierbar und auch zur Quantifizierung geeignet war. Auch für 3-(4-Chlorphenyl)-4-oxo-buttersäure-t-butylester konnte eine GC-Methode entwickelt werden, die Aufschluss über die Konzentration und den Enantiomerenüberschuss gab.
Die vier zur Verfügung gestellten Amindehydrogenasen konnten erfolgreich exprimiert und mittels IMAC-Methode gereinigt werden. Trotz geringer Aktivitäten in einem photometrischen NADH-Assay konnte jedoch keine Produktbildung nachgewiesen werden. Eine Kollektion von ca. 150 Amintransaminasen wurde bezüglich der Desaminierung von Pregabalin und Baclofen mittels Dünnschichtchromatographie untersucht. In Richtung der Aminierung wurde ein photometrischer Acetophenon-Assay verwendet. Dabei wurden für Pregabalin sechs und für Baclofen 17 potenzielle Kandidaten ermittelt. Besonders vielversprechend war die Variante 3FCR 59W 87L 231A 382M 429A (3FCR_5M), welche 3-(4-Chlorphenyl)-4-oxo-buttersäure-t-butylester als Substrat akzeptierte. Nach der Ermittlung eines geeigneten Aminodonors und Optimierung der Reaktionsbedingungen konnten Umsätze bis zu 90% bei 99%ee (R) mit IMAC-gereinigter 3FCR_5M erzielt werden.
Um Kosten für ein späteres großtechnisches Verfahren einzusparen, sollte die Reaktion ebenfalls für den Einsatz von Zellextrakt optimiert werden. Dabei wurde beobachtet, dass geringere Enantiomerenüberschüsse erzielt wurden als mit dem gereinigten Enzym und der Substratverbrauch höher als die Produktbildung war. Als mögliche Ursachen wurden der Umsatz des Substrats durch ein E. coli eigenes Enzym, beispielsweise eine Aldehydreduktase oder Aldehyddehydrogenase, sowie eine Beeinflussung der Enantioselektivität durch die veränderte chemische Umgebung oder den selektiven Entzug des gewünschten Substrat-Enantiomers durch eine selektive Nebenreaktion hypothetisiert. Dieses Phänomen konnte durch eine vorgeschaltete Reinigung mittels fraktionierender Ammoniumsulfat-Fällung jedoch erfolgreich umgangen werden. Mit dieser Methode konnten vergleichbar hohe Umsätze und Enantiomerenüberschüsse wie mit dem IMAC-gereinigten Enzym erreicht werden.
Bei ersten Vorversuchen zum Up-Scaling der Reaktion wurde festgestellt, dass eine höhere Substratkonzentration nicht einen proportional höheren Umsatz zur Folge hatte, jedoch konnte der Umsatz durch eine versetzte Zugabe der Enzymlösung gesteigert werden, sodass ein Prozess mit diesem Biokatalysator in seiner aktuellen Form eine kontinuierliche Zugabe erfordern würde. Praktikabel wäre einer Verminderung der Substrat-Inhibierung und Erhöhung der Enzymstabilität durch weiteres Protein-Engineering. Auch zur Produktion von 3FCR_5M im größeren Maßstab wurden Experimente vorgenommen. Dabei konnte gezeigt werden, dass eine vielversprechende Expression im Bioreaktor bei einer kontinuierlichen Temperatur von 30°C und einer Expressionsdauer von sieben Stunden. Nach einigen Optimierungsschritten konnte im Bioreaktor die zwanzigfache volumetrische Aktivität im Vergleich zur Expression im Schüttelkolben erzeugt werden.
Zusammenfassend ist zu sagen, dass in der vorliegenden Arbeit, trotz weiterem Optimierungsbedarf, eine sehr gute Grundlage für die Transaminase-vermittelte Synthese von (R)-Baclofen geschaffen wurde. In zukünftigen Arbeiten sollte die Optimierung der Reaktion in großem Maßstab im Fokus stehen.
Abstract
In the RNA world, the exchange of sequence patches between two RNAs is an intriguing evolutionary concept, allowing generation of new RNA molecules with novel functionality. Based on the hairpin ribozyme (HPR) with its unique cleavage‐ligation properties, we here demonstrate RNA supported RNA recombination as a possible scenario for the emergence of larger RNA molecules with more complex functionality. A HPR variant designed for the purpose of recombination is capable of cleaving two different RNA molecules, one being a hammerhead ribozyme (HHR) and the other an aptamer (A), and to subsequently recombine and ligate the resulting fragments to a hammerhead ribozyme that is allosterically controlled (HHA) by a cognate ligand. Two such recombination processes involving aptamers for either theophylline or flavine mononucleotide (FMN) are demonstrated with yields of functional recombination product of up to 34 %.
Abstract
A device for the transaminase‐catalysed synthesis combined with continuous recovery of chiral amines was designed. The system enabled the separation of the reaction components in three liquid phases: a reaction phase, an organic solvent phase (where the poorly water soluble ketone substrate was supplied), and an aqueous extraction phase for continuous product recovery. The transaminase‐mediated asymmetric synthesis of (S)‐1‐methyl‐3‐phenylpropylamine was employed as model reaction. Factors influencing the performance of the system, such as reactor geometry, working volumes and operating parameters, were investigated. Specifically, reaction yield and product recovery were enhanced by i) reducing the thickness of the reaction phase, while continuously stirring and ii) reducing the volume of the extraction phase. Under the optimal condition tested, 85 % of the product formed was extracted and a product concentration value of 9 g/L was reached. However, co‐extraction of the unreacted amine donor (17 %) was observed. Advantages and drawbacks of this process compared to existing technologies, as well as possible optimization strategies are discussed.
The present work is a cumulative dissertation that covers the research work of the author at the Department of Analytical and Physical Chemistry of Chelyabinsk State University. It contains a short description of the study and a set of attached publications in peer-reviewed journals and conference proceedings.
The phase and chemical equilibria in binary systems Me – Si
(where Me is the 4th-period transition metal) as well as Mo – Si, Mn – Ge and Fe – Ge at low temperatures were considered. The solid solubility of silicon in vanadium, chromium, manganese, iron, nickel, cobalt and copper and that of germanium in manganese and iron was estimated.
The phase equilibria in Me – Si – O, Mo – Si – O, Mn – Ge – O and Fe – Ge – O ternary systems at standard conditions were considered from a thermodynamic viewpoint. The atmospheric corrosion of transition metals silicides and manganese and iron germanides was discussed.
The chemical and electrochemical equilibria in Me – Si – H2O, Mo – Si – H2O, Mn – Ge – H2O and Fe – Ge – H2O systems were considered from a thermodynamic viewpoint. Pourbaix diagrams for some 4th-period transition metals and molybdenum, as well as for silicon, were revised. The potential – pH diagrams for Me – Si – H2O, Mo – Si – H2O, Mn – Ge – H2O and Fe – Ge – H2O systems were plotted in the first time. The corrosion-electrochemical behaviour of transition metals silicides and manganese and iron germanides in aqueous media was discussed.
The potential – pH diagrams for some siliceous brasses and bronzes (which are multicomponent alloys containing both transition metals and silicon) were plotted, and the corrosion of these alloys in aqueous media was discussed.
Method of estimation of corrosion-electrochemical behaviour of multicomponent alloys, which takes into account both thermodynamic and kinetic data and is based on mutual construction of equilibrium and polarisation potential – pH diagrams, was described. Its usage was illustrated in the example of the structural steel 20KT.
Pyrrolobenzodiazepines (PBDs) are a group of antitumor antibiotics that exert their biological activity by alkylation of guanine bases within the minor groove of double-stranded DNA through nucleophilic attack of the guanine amino group on the PBD imine functionality. In trying to increase both the binding strength and sequence selectivity for further enhancing their biological activity, PBDs were linked to additional DNA binding moieties. Preliminary DNA melting experiments partly also performed in our lab with a series of closely related PBD-naphthalimide and benzimidazole conjugates revealed extraordinary DNA-binding capability of hybrids PBD-NIM and PBD-BIMZ. These studies also indicated the favorable contribution of the piperazine structure on drug binding to the DNA duplex. Previously, in vitro cytotoxicity studies also showed promising antitumor activity of both compounds with PBD-BIMZ having the largest cytotoxic potential among various examined conjugates. In the present work, the kinetics, thermodynamics and structural details of the drug-DNA interactions have been determined employing a variety of spectroscopic, calorimetric and computational methods. Thus, a high thermal duplex stabilization upon DNA binding could be ascertained for both drugs and attributed to their covalent attachment to the DNA guanine bases. The 1:1 binding stoichiometry as well as the exclusive minor groove binding for the benzimidazole and the mixed minor grove - intercalative type of binding for the naphthalimide hybrid could be verified by several spectroscopic methods including NMR spectroscopy. Furthermore, by using a combination of solution NMR and some of the most recent molecular modeling techniques, the first high-resolution structures of DNA-drug complexes with PBD hybrid drugs could be obtained giving detailed insight into the specific drug-DNA interactions. Thus, details on van der Waals and hydrogen bond contacts within the complex and the tight fit of the benzimidazole hybrid into the DNA minor groove could be revealed. By using recent data analysis techniques like clustering algorithms, the high flexibility of the piperazine moiety within the PBD-BIMZ-DNA complex could be nicely captured and visualized. Additionally, a thermodynamic analysis for the non-covalent drug binding by UV and fluorescence spectroscopy as well as by direct calorimetric methods revealed a 1:1 binding mode driven by enthalpy changes and counteracted by unfavorable entropic contributions to result in moderately strong association constants. Analysis of the solvent-accessible surface area confirmed the importance of hydrophobic effects on drug binding and the combination of these data with ITC measurements allowed for an extensive thermodynamic characterization of the drug binding process. With respect to the influence of the individual drug moieties on DNA binding, the importance of the piperazine ring for drug-DNA interactions and the basis for its capability to enhance drug binding were addressed. Furthermore, it could be shown that the naphthalimide and benzimidazole moieties also impart additional sequence selectivity to the alkylating PBD structural unit and these distinct differences in the sequence selectivity could be linked to the three-dimensional structures of the DNA-drug complexes. Clearly, the combination of detailed structural and thermodynamic data of complex formation allows for a better understanding of the binding mechanism and structure-activity relationship when it comes to drug-DNA interactions. Therefore, the information gathered can assist in the design of more efficient derivatives of this type of alkylating DNA binding drugs in particular and of DNA recognition by ligands composed of several motifs in general.
Es wurden theoretische Untersuchungem zu sieben verschiedenen Isoenzymen der Schweineleberesterase vorgenommen. Vorhersagen zur Struktur wurden moleküldynamisch mit Hilfe eines Kraftfeldprogramms (AMBER-Paket) durchgeführt. Der Reaktionsmechanismus wurde quantenchemisch (CPMD), sowie mit einer Hybridmethode (QM/MM) nachvollzogen. Da keine Kristallstruktur vorhanden ist, wurde auf ein Homologiemodell aus eigenen Vorarbeiten zurückgegriffen. Mit Kraftfeldberechnungen wurden die einzelnen Monomere für etwa 10 bis 14 ns simuliert. Dabei zeigte sich eine Relaxation der Enzyme nach 8 bis 10 ns. In jedem Fall wurden stabile Endstrukturen der Monomere (um die 8000 Atome plus etwa 40000 Wassermoleküle) gefunden. Am Beispiel der PLE3 wurde sogar eine partielle Entfaltung der Eingangshelix beobachtet, die in einer Rückmutation nicht wiederherstellbar war. Andererseits wurde bei der PLE1 die spontane Ausbildung einer 3-10-Helix in der Nähe der Eingangshelix gefunden. Es wurden auch stabile Endstrukturen der Trimere (um die 24000 Atome plus etwa 50000 Wassermoleküle) gefunden. Interaktionen zwischen den Monomeren wurden beobachtet, die nach 14 bis 18 ns stabil zusammenlagen. Es konnten über RMSD-Auswertungen starre und flexible Bereiche innerhalb der Isoenzyme als auch zwischen den einzelnen identifiziert werden. Die starren Bereiche stimmen sehr gut mit dem Faltungsmotiv der a/b-Hydrolasen überein. Spezifische Abstände des aktiven Zentrums wurden während der klassisch simulierten Moleküldynamiken überprüft. Dabei war es nicht möglich, mit dem in der Literatur propagierten katalytischem Glutamat Abstände in der Größenordnung einer Wasserstoff-brücke zu erhalten. Vielmehr wurde eine günstige und stabile Lage eines anderen Glutamats gefunden, wodurch sich aber nichts am allgemeinen Reaktionsmechanismus ändert. Die Zugangswege wurden durch gezwungenes Ziehen der Moleküle aus der Lösung ins aktive Zentrum beobachtet und über Kraft-Weg-Kurven ausgewertet. In Simulationen im Nanosekundenbereich konnte auch freiwilliges Eindringen der Substratmoleküle ins Enzym beobachtet werden, wobei dieser Vorgang von der Größe des Moleküls abhängt. Die bei den unterschiedlichen Simulationen gefundenen Taschen sind für jedes Substrat verschieden, obwohl die beteiligten Aminosäuren die jeweiligen Substratmoleküle fest umschließen. Dieses Anpassen der Taschen an das jeweilige Substrat passt zu dem induced-fit-Modell. Während das spontane Eindringen der Substratmoleküle innerhalb weniger Nanosekunden erfolgte, konnte erst nach einer Simulationszeit von 25 ns ein Verlassen von Methanol aus dem Enzym beobachtet werden. Mit quantenchemischen Berechnungen im Picosekundenbereich, unter Berücksichtigung der neuen Zuordnung des katalytischen Glutamats, konnte der gesamte Reaktionsmechanismus dargestellt werden. Am Beispiel des Methylbutyrats wurden die Bildung des ersten tetraedrischen Intermediats, sowie die anschließenden Abspaltungen des Alkohols und der Säure, mit Hilfe von Constraints dargestellt. Die durch die Mutationen hervorgerufenen strukturellen Veränderungen der Isoenzyme insbesondere der Eingangshelix können für die unterschiedlichen Enantioselektivitätswerte verantwortlich sein. Eine Verantwortlichkeit von Taschen für die verschiedenen Enantioselektivitäten ist aufgrund der gefundenen weichen Struktur um die Substrate mit jeweils unterschiedlich beteiligten Aminosäuren nicht erkennbar.
The target specificity of thioredoxin family proteins is determined by electrostatic compatibility
(2021)
The thioredoxin (Trx) family of proteins comprises many key enzymes in redox signaling, that catalyzes specific reversible redox reactions, e.g. dithiol-disulfide exchange reactions, (de-)glutathionylation, trans-nitrosylation, or peroxide reduction. With the analysis of a large number of proteins, as well as a certain redox couple in [article 1] and [article 4], we demonstrated that electrostatic complementarity is the major distinguishing feature that controls the specific interactions of Trxs with their target proteins. The primary aim of this work was to determine the importance of this specific interaction and the prediction, modulation, and engineering of functional redox interactions of Trx family proteins. To understand the role of electrostatic complementarity for the mammalian Trx1-TrxR complex, we generated more than 20 hTrx1 mutants and systematically engineered the electrostatic potential within and outside the contact area with TrxR [article 1]. The effects of these specific alterations distributed all over the protein surface were analyzed by enzyme kinetics, differential scanning fluorimetry (DSF), circular dichroism (CD) spectroscopy, and MD simulations. Trx family proteins have a broad and very distinct substrate specificity, which is a prerequisite for redox switching. In [article 4], we comprehensively compared the classification of various redoxins from all kingdoms of life based on their similarity in amino acid sequence, tertiary structure, and electrostatic properties. These similarities were then correlated to the existence of common interaction partners. Our analyses confirmed that the primary and tertiary structure similarities do not correlate to the target specificity of the proteins as thiol-disulfide oxidoreductases. However, we demonstrated that the electrostatic properties of the protein from both Trx or Grx subfamilies is the major determinant for their target specificity.
Although structurally very similar, CxxC/S-type or class I Grxs act as oxidoreductases and CGFS-type or class II Grxs act as FeS cluster transferases. In [article 3], we re-investigated the structural differences between the two main classes of Grxs to solve the mystery of the missing FeS transferase activity of the CxxC/S-type and the lack of oxidoreductase activity of the CGFS-type Grxs. The presence of a distinct loop structure adjacent to the active site is the major determinant of the Grx function. We confirmed that the function of Grxs can be switched from oxidoreductase to FeS cluster transferase by construction of a CxxC/S-type Grx with a CGFS-type Grx loop and vice versa. Results of several in vitro and in vivo assays together with the detailed structural analyses indicate that not a radically different substrate specificity accounts for the lack of activity, but rather slightly different modes of GSH binding, which is an essential nucleophile required in redox and iron homeostasis.
Various processes within the cell depend on GSH, including redox reactions, reversible posttranslational modifications, and iron metabolim. GSH is not only important in the export of FeS precursors from mitochondria, but it is also an essential cofactor for cluster binding in iron sulfur Grxs. In [article 2], we discussed the role of GSH and iron sulfur Grxs in iron metabolism, the physiological role of CGFS-type Grx interactions with BolA- like proteins, and the cluster transfer between Grxs and recipient proteins. The first well characterized physiological function of a Grx-BolA hetero complex is presented with the Grx3/4-Fra2-mediated regulation of iron homeostasis in yeast.
In synopsis, the results presented and discussed in these articles and the manuscript support the concept of electrostatic properties as the main determinant in substrate specificity towards functional predictions in Trx family proteins. The mathematical model presented here showed significantly accuracy and precision in function prediction. We are aware that our findings are focused on Trx family proteins as a particular family of proteins, but by using a machine learning strategy this mathematical model is being trained with numerous different protein models for better efficacy and accuracy, that may lead to new insights also in the specific interactions of other protein families. The new concept for the substrate specificity determinant doesn’t eliminate previously described aspects for molecular recognition, instead it reveals a deeper understanding of the protein-protein interaction. The 3D structural elements of a protein play a significant role in the specificity and function. We have been able to activate an inactive protein by replacing defined structural elements. Elimination of the loop structure from CGFS-type Grx5 transformed it from an FeS transferase into an oxidoreductase and the activity was further increased by modification of the active site. We believe that the present findings may be useful to investigate proteins in great detail regarding their function based on structure and electrostatic properties. Understanding the nature of the specific interactions may enable us to specifically modify the signal transduction pathways.
N6-methyladenosine (m6A) RNA methylation is an emerging epigenetic modification in recent years and epigenetic regulation of the immune response has been demonstrated, but the potential role of m6A modification in GBM tumor microenvironment (TME) cell infiltration and stemness remain unknown. The m6A modification patterns of 310 GBM samples were comprehensively evaluated based on 21 m6A regulators, and we systematically correlated these modification patterns with TME cell infiltration characteristics and stemness characteristics. Construction of m6Ascore to quantify the m6A modification patterns of individual GBM samples using a principal component analysis algorithm. We identified two distinct patterns of m6A modification. The infiltration characteristics of TME cells in these two patterns were highly consistent with the immunophenotype of the GBM, including the immune activation differentiation pattern and the immune desert dedifferentiation pattern. We also identified two modes of regulation of immunity and stemness by m6A methylation. Stromal activation and lack of effective immune infiltration were observed in the high m6Ascore subtype. Pan-cancer analysis results illustrate a significant correlation between m6AScore and tumor clinical outcome, immune infiltration, and stemness. Our work reveals that m6A modifications play an important role in the development of TME and stemness diversity and complexity. Patients with a low m6AScore showed significant therapeutic advantages and clinical benefits. Assessing the m6A modification pattern of individual tumors will help enhance our knowledge of TME infiltration and stemness characteristics, contribute to the development of immunotherapeutic strategies.
Bradyrhizobium diazoefficiens, a bacterial symbiont of soybean and other leguminous plants, enters a nodulation‐promoting genetic programme in the presence of host‐produced flavonoids and related signalling compounds. Here, we describe the crystal structure of an isoflavonoid‐responsive regulator (FrrA) from Bradyrhizobium, as well as cocrystal structures with inducing and noninducing ligands (genistein and naringenin, respectively). The structures reveal a TetR‐like fold whose DNA‐binding domain is capable of adopting a range of orientations. A single molecule of either genistein or naringenin is asymmetrically bound in a central cavity of the FrrA homodimer, mainly via C–H contacts to the π‐system of the ligands. Strikingly, however, the interaction does not provoke any conformational changes in the repressor. Both the flexible positioning of the DNA‐binding domain and the absence of structural change upon ligand binding are corroborated by small‐angle X‐ray scattering (SAXS) experiments in solution. Together with a model of the promoter‐bound state of FrrA our results suggest that inducers act as a wedge, preventing the DNA‐binding domains from moving close enough together to interact with successive positions of the major groove of the palindromic operator.
Understanding the nanoparticle-cell interactions in physiological media is vital in determining the biological fate of the nanoparticles (NPs). These interactions depend on the physicochemical properties of the NPs and their colloidal behavior in cell culture media (CCM). Furthermore, the impact of the bioconjugates made by nanoparticle with proteins from CCM on the mechanical properties of cells upon interaction is unknown. Here, we analyzed the time dependent stability of gold nanoparticles (AuNPs) functionalized with citrate, dextran-10, dextrin and chitosan polymers in protein poor- and protein rich CCM. Further, we implemented the high-throughput technology real-time deformability cytometry (RT-DC) to investigate the impact of AuNP-bioconjugates on the cell mechanics of HL60 suspension cells. We found that dextrin-AuNPs form stable bioconjugates in both CCM and have a little impact on cell mechanics, ROS production and cell viability. In contrast, positively charged chitosan-AuNPs were observed to form spherical and non-spherical aggregated conjugates in both CCM and to induce increased cytotoxicity. Citrate- and dextran-10-AuNPs formed spherical and non-spherical aggregated conjugates in protein rich- and protein poor CCM and induced at short incubation times cell stiffening. We anticipate based on our results that dextrin-AuNPs can be used for therapeutic purposes as they show lower cytotoxicity and insignificant changes in cell physiology.
Enzymes are well-known for being remarkably selective catalysts. They are often able to catalyse reactions for certain molecules while leaving other similar molecules completely unchanged. Nevertheless, many enzymes are capable of catalysing other reactions and/or transforming other substrates than their physiologically relevant activities. This phenomenon is referred to as enzyme promiscuity and it is thought to play an important role in the emergence of novel functions by providing a starting point for divergent evolution towards different enzymatic activities. It is important for enzymes to be selective to avoid harmful side-products and increase reaction efficiency, but often catalysts are not optimised beyond what is required for their function. Life profits from the cross-reactivity and enzyme promiscuity through accidental discovery of new helpful molecules and pathways, while using regulation to quickly adapt to changing circumstances.
Enzymes are grouped together with other similar proteins into structural families and superfamilies. Members of a structural family share significant structural elements and often have similar catalytic mechanisms. However, they often catalyse very different chemical reactions and accept a variety of different substrates. Promiscuous activities are common within superfamilies, where the primary function of one family member is often found as promiscuous activity in other family members. Together with the structural similarities, this prevalent cross-reactivity suggests a common evolutionary origin. One of the largest structural superfamilies is the α/β-hydrolase-fold family. Despite sharing a highly conserved core structure, this superfamily is catalytically diverse and spans several distinct enzyme classes including hydrolases, acyltransferases, oxidoreductases, lyases, and isomerases. Epoxide hydrolases and dehalogenases of the α/β-hydrolase-fold family even share the same Asp/Glu-His-Asp catalytic triad and form similar covalent alkyl-enzyme reaction intermediates, yet they are known for attacking either epoxides or C-X bonds with perfect chemoselectivity. Although promiscuity is often observed within the α/β-hydrolase fold family and despite their mechanistic similarities, no α/β-hydrolases were known that exhibit both epoxide hydrolase and dehalogenase activity simultaneously.
The versatility of the catalytic triads used by α/β-hydrolases makes these enzymes attractive targets for the conversion of catalytic activity through protein engineering. Several attempts were made to introduce dehalogenase activity in an epoxide hydrolase, and after several rounds of designing and screening different variants of the epoxide hydrolase PaeCIF from Pseudomonas aeruginosa, minor dehalogenase activity was detected for some of the variants. However, despite promising first results it proved extremely difficult to reliably reproduce the results, primarily due to expression problems and low sensitivity of the halide detection assays that were available at the time. Since the conversion proved to be more difficult than expected (unpublished data), it was decided to investigate other potential protein scaffolds.
Considering the prevalence of catalytic promiscuity among members of the α/β-hydrolase-fold superfamily, and the close relationship and catalytic similarities between epoxide hydrolases and dehalogenases, it seemed odd that no enzyme is known to have both epoxide hydrolase and dehalogenase activity. We argued that it is highly probable that a promiscuous epoxide hydrolase-dehalogenase enzyme exists, but it simply has not been found yet due to the absence of sensitive high-throughput halide assays and not screening the right set of enzymes. Although several established assays were available for the determination of dehalogenase activity, these assays suffer major drawbacks. For example, one of the most popular assays, the Iwasaki assay, is not very sensitive and uses extremely toxic chemicals, while pH assays like the phenol red assay are inherently unreliable and insensitive due to the low buffer concentrations employed107,114. Thus, a new assay for the screening of dehalogenase activity through the selective detection of halides was developed115. The halide oxidation assay provides a safer, more reliable, and most importantly, much more sensitive method to detect dehalogenase activity.
Using molecular phylogenetics, we studied the evolutionary relationship between epoxide hydrolases and dehalogenases to identify interesting extant epoxide hydrolases. Molecular phylogenetics uses a multiple sequence alignment of the amino acid or nucleotide sequences of extant enzymes to construct a phylogenetic tree. At first, we tried using a large dataset with almost 3,500 putative epoxide hydrolase and dehalogenase sequences, but we quickly realised the resulting phylogenetic tree was impractical. Most of the sequences in this large dataset were not characterised experimentally but annotated automatically based on their sequence similarity to a rather limited number of characterised sequences. Although automated annotations can be used as predictions for catalytic activity, they are often wrong. As we were particularly interested in the interface of both epoxide hydrolase and dehalogenase activities, we needed more certainty and a change in direction was necessary.
Instead of trying to filter the α/β-hydrolase fold database, experimentally characterised sequences were collected through literature research. This smaller dataset consisting of characterised sequences resulted in a phylogenetic tree containing 45 epoxide hydrolases, 30 haloalkane dehalogenases and 7 haloacetate dehalogenases from a variety of different organisms. Ancestral sequence reconstruction was attempted for several interesting nodes in this phylogenetic tree. By combining the multiple sequence alignment, the evolutionary relationships from the phylogenetic tree, and evolutionary models, a hypothetical sequence of the theoretical ancestor can be determined. Unfortunately, it was difficult to get good soluble protein expression with the ancestral sequences and despite our best efforts it was not possible to obtain reliable and reproducible screening results. Instead of trying to improve protein expression and purification protocols for the ancestral sequences, we decided to focus on screening extant sequences with the newly developed halide oxidation assay to find a promiscuous epoxide hydrolase-dehalogenase.
In addition to reconstructing ancestral sequences, eight extant epoxide hydrolases could be selected for screening towards dehalogenase activity and as promising potential engineering scaffolds from this phylogenetic tree. The eight selected epoxide hydrolases were screened for dehalogenase activity with several haloalkane substrates and the epoxide hydrolase CorEH from Corynebacterium sp. C12 was found to exhibit promiscuous dehalogenase activity. Interestingly, the measured concentrations of bromide for the initial hit with CorEH were only 150-250 nM, well below the lowest detection limit of 20 µM achievable in microtiter plate format with the Iwasaki assay. This means that the dehalogenase activity of CorEH would probably not have been detected were it not for the development of the sensitive halide oxidation assay.
CorEH is an epoxide hydrolase that can also catalyse the dehalogenation of haloalkanes, particularly bromoalkanes such as 1-bromobutane and 1-bromohexane. The dehalogenase activity of wild-type CorEH with 1-bromobutane (0.25 nmol·min-1·mg-1) is about 4,000-fold lower than the average activity of several natural dehalogenases with two halide-stabilising residues (1 μmol·min-1·mg-1) and approximately 400-fold lower compared to the dehalogenases with a single halide-stabilising residue. The crystal structure of CorEH was determined to 2.2 Å. Our structure-function studies suggest that the dehalogenase activity of CorEH probably stems from the presence of at least one halide-stabilising residue. Unfortunately, this could not be confirmed experimentally via mutagenesis as the W100A variant lost both the dehalogenase and epoxide hydrolase activity in equal measure, making it difficult to demonstrate that W100 is involved in halide stabilisation. The loss of both activities for variant W100A can possibly be explained by the secondary function of the tryptophan; removal of W100 might lead to the incorrect positioning of the catalytic nucleophile for the nucleophilic attack involved in both epoxide hydrolysis and dehalogenation. Nevertheless, computational modelling of Michaelis-Menten complexes, utilising the crystal structure of CorEH, supports the hypothesis that the tryptophan W100 is involved in halide stabilisation in CorEH. Based on docking studies, the epoxide ring-opening tyrosine is also close enough to form hydrogen bonds to stabilise the substrate. However, it is also possible that like several characterised haloalkane dehalogenases, CorEH only uses a single residue to stabilise the halide. Removal of the tryptophan at the primary halide-stabilising position resulted in the loss of both activities, likely due to the loss of its secondary function to properly position the catalytic nucleophile. Substitution of the uncommon tryptophan in the HGxP-motif with phenylalanine does not completely remove the dehalogenase activity. Nevertheless, it causes a significant drop in both haloalkane dehalogenase and epoxide hydrolase activities, indicating that this residue is important for catalysis or the structural integrity of CorEH.
Enzyme promiscuity plays an important role in enzyme evolution and the diversification of enzymes. Several researchers have attempted to interconvert epoxide hydrolase and dehalogenase activity, or to find an enzyme with both activities, without success. It would be hard to maintain the view that promiscuity is a fundamental property crucial to enzyme evolution if we could not observe promiscuity between two enzyme classes with such similar reaction mechanisms. Our findings show that dual epoxide hydrolase and dehalogenase activity can occur in one natural protein scaffold. We believe that we succeeded because we used a phylogenetic analysis of characterised sequences to select the right subset of epoxide hydrolases to investigate and due to the much more sensitive halide assays not available to those before us. The versatility of the catalytic triad in α/β-hydrolases combined with the variety of possible supporting residues found in both epoxide hydrolases and dehalogenases shows that catalytic mechanisms can be flexible. This flexibility allows space for diversification of catalytic residues without loss of function, giving rise to novel (promiscuous) functions and new cross-reactivities.
The discovery of antibiotics around one century ago was a milestone for medicine. However, despite the warning of Alexander Fleming in 1945, antibiotics were used poorly, resulting in many antibiotic-resistant pathogens. Patients infected with resistant pathogens need to get treated with additional antibiotics or, as a last resort, trust completely on their immune system. This causes 700,000 deaths per year. Most clinically used antibiotics have been derived from soil microorganisms, while other niches stayed unexplored. Exploring new niches inhabiting antibiotic-producing microorganisms may result in novel antibiotics. Furthermore, expanding the search from frequently investigated soluble metabolites to volatiles may open up numerous compounds as potential future antibiotics. This thesis is about the search for antimicrobial volatiles produced (among others) by microorganisms from social spider ecosystems, a niche that was little explored until now.
Volatiles are characterized by their high vapor pressure at ambient temperatures, allowing them to distribute fast in both the gas and water phase. They can spread quickly even in complex ecosystems using the air and potentially fulfill functions like communication and antimicrobial defense. Especially, volatiles with antimicrobial activities caught the attention of many scientists because of their potential role in pathogen defense, as we have reviewed (Article I). Volatiles are usually produced in the primary metabolism and belong to diverse chemical classes, like hydrocarbons, aromates, alcohols, aldehydes, acids, esters, amides, and thiols. Their antimicrobial spectrum ranges from antifungal, to antibacterial, anti-oomycete, and even broad-spectrum activity. Volatiles are ubiquitously produced. Especially Bacillus and Streptomyces species are often reported to produce antimicrobial volatiles. Knowledge about antimicrobial volatiles – for example, details about their modes of action – is lacking yet, but these compounds may help to overcome the antimicrobial resistance crisis in the future. Volatiles could be used in medicine and agriculture, either alone or in combination with traditional antibiotics, opening new strategies against antimicrobial resistance.
A promising source of (volatile) antimicrobials is the ecosystem of social arthropods. Due to their lifestyle in dense colonies, they likely spread pathogens between individuals, making antimicrobial defense crucial. Since the presence of antimicrobial volatiles was reported in social insect ecosystems, we investigated the unexplored volatilome of the Namibian social spider Stegodyphus dumicola (Articles II and III). In the first study, we analyzed the in situ volatilomes of the spiders’ nest, web, and bodies using GC/Q-TOF and revealed that more than 40 % of the tentatively identified volatiles were already known for their antimicrobial activities (Article II). We proved the antimicrobial activity of five pure compounds found in the samples, among others against the suggested spider pathogen Bacillus thuringiensis. These results indicate the potential role of antimicrobial volatiles for pathogen defense and could ultimately help explain the spiders’ ecological success.
Volatiles from the spider volatilome can originate from various sources, including microorganisms, surrounding plants, the spiders themselves, the spiders’ prey, so we analyzed the volatilomes of microbial nest members in a second study. The microbial nest members we selected for this were the bacteria Massilia sp. IC2-278, Massilia sp. IC2-477, Sphingomonas sp. IC-11, and Streptomyces sp. IC-207, and the fungus Aureobasidium sp. CE_32 (Article III). Several volatilomes showed antibacterial and/or antifungal activities against two suggested spider pathogens. The subsequent volatilome analyses using GC/Q-TOF revealed the presence of many volatiles that have already been described as antimicrobials. Five pure volatiles were tested against two suggested spider pathogens, revealing all volatiles as antibacterial, antifungal, or both. These results support the potential role of antimicrobial volatiles in social spider pathogen defense and indicate microbial nest members as the origin of (novel) antimicrobial volatiles.
Together, the articles that constitute this thesis highlight the antimicrobial power of volatiles (Article I), indicates the volatilome of the ecosystem of S. dumicola as a potential pathogen defense (Article II), and finally reveal the spider nest microbiome as a source for antimicrobial volatiles (Article III). This knowledge not only adds to the understanding of social spider ecosystems (and likely other social arthropod ecosystems) but also has the potential to open a novel source for antimicrobial compounds that may help to counter the antimicrobial resistance crisis.
The overarching goal of this work was to develop a biosensor based on functional nucleic acids. The biosensor should be modular, such that by exchange of the recognition unit, tailored biosensors could be created, allowing detecting a variety of analytes on demand. In the context of the cooperation with a company, initially, TNFalpha was chosen as an analyte. In a previous work, it was tried to build a modular aptazyme for TNFalpha that was based on four aptamers that were developed by SELEX. Here, these aptamers were investigated more closely by different methods (SPR, QCM). In the present work, it was proven beyond doubt that this attempt was not feasible. The aptamers were not able to bind the biologically active form of TNFalpha. An even more interesting finding was that a common tool to immobilize molecules to investigate their interactions with a binding partner, namely the streptavidin-biotin interaction, can strongly influence the result of the assay and causing false-positive results. Afterwards, it was decided to continue the work with a DNAzyme and modular approach was strictly refrained. It was tried to build aptazymes for TNFa or creatinine by in vitro selection, which failed. Most likely, the crucial factors were the ligands itself and the high demand on in vitro selection to select two functionalities (aptamer and catalytic activity) in parallel. This was the reason, to develop a new and a different method with streptavidin as a model analyte. The new strategy was to combine in vitro selection and rational design. The 17E-DNAzyme was chosen as catalytically active module. In preparation of the in vitro selection work, its properties were analyzed. An oligo-based inhibitor of the 17E-DNAzyme was rationally designed and its functionality was experimentally evaluated. Then, a library was designed which contained the 17E-DNAzyme, a randomized domain, and the inhibitor and its functionality was experimentally proven. The in vitro selection for the aptamer and the catalytic function were separated in two steps where the substrate strand was introduced in the second step. The knowledge about in vitro selection procedures, which was gained in the first trials with TNFalpha and creatinine was applied and could be substantially broadened. The crucial factors for the success of this process were identified. Most important steps are the amplification steps between the rounds and the in vitro selection pressure. The template concentration in the PCR has to be very low; the selection pressure has to be high. However, in fact, the exact quantity of "low" and "high" is difficult to determine exactly, it has to be individually evaluated for every amplification step, and this makes in vitro selection a method that requires a lot of experimental skills, optimization procedures, and experience. An EMSA was established and performed to qualitatively prove the affinity of the library for streptavidin in the first step of the in vitro selection method. For the second step, the in vitro selection of the catalytic function, considerable effort was done, but the in vitro selection did not succeed. Using the Biacore, the dissociation constant of the pool, which was applied in the second step of in vitro selection, was determined to be KD = 38 nM. This is very low, and by sequencing the pool it was found that the sequence variability was too low. The sequences share a cramp-like stem-loop structure, which hold the DNAzyme in an inactive conformation. This work presents valuable results for the development of biosensors based on nucleic acids, applying in vitro selection and rational design. Aptamers for streptavidin were selected. The library, which was used for this in vitro selection was structurally constrained. This obviously, represented an exceptionally good starting point for the in vitro selection. In this work, a lot of information about the development of in vitro selection systems was gained. Important work was done on establishing a click chemistry-based immobilization strategy. This work is going to fundamentally facilitate a new in vitro selection approach based on this immobilization strategy.
Surface and electrode modifications allow the alteration of surface and electrode properties required for certain applications. In the first part of this thesis, a pH sensitive graphite/quinhydrone composite electrode for Flow-Injection-Analysis (FIA) systems was optimized by using polysiloxane as binder material. This allows an easier handling of the electrode. Furthermore, new applications of the FIA system in conjunction with the pH sensitive detection system were developed. The electrode used here in conjunction with a common reference electrode proved to be a very useful potentiometric detector for FIA acid-base titrations of aqueous solutions. Even acid-base titrations in buffered solutions were performed successfully with the FIA system allowing the determination of activities of enzymes, which catalyse reactions with increasing or decreasing proton concentrations. A FIA system was applied to measure calcium and magnesium ions in different water samples by measuring the hydronium ion release during the complexometric reaction between EDTA and calcium or magnesium ions. A method was established to determine sequentially the titratable acidity and the pH of different wine samples. The new FIA method fulfils the official requirements of the "Organisation Internationale de la Vigne et du Vin" with respect to reproducibility and repeatability and can be easily adjusted to the legal requirements in USA and Europe. In summary, the first part of this thesis shows that the FIA system in conjunction with the graphite/quinhydrone/polysiloxane composite electrode is very well suited for simple, rapid and automatic determinations of small sample volumes in the areas of water analysis, food analysis or even biochemical analysis, provided that hydronium ions are involved. For all applications, one and the same measuring device without changing the detection system is used. Only different carrier solutions are necessary, which can be provided by a proper stream selector. The second part of this thesis is focused on the modification of gold surfaces of medical devices by treatment with OH radicals. These investigations are based on previous studies of the impact of OH radicals on mechanically polished gold surfaces resulting in a smoothing of the surface by dissolution of highly reactive gold atoms. In this thesis, the effect of OH radicals, generated either ex vivo by Fenton solutions or in vivo by immune reactions, on gold implants was analysed using atomic force microscopy. It was found that there is an analogy between the exposure of gold to Fenton solutions and the exposure of gold to immune reactions. The pre-treatment of gold implants with OH radicals of Fenton solution prevents surface alterations of the gold implants in vivo. This indicates that the in vivo release of gold from implants can be reduced by exposing the gold implants to Fenton solution before implantation. Finally, the modification of gold surfaces by OH radicals was applied to a medical nanodetector, which is coated with a gold layer and functionalized with antibodies, for isolating circulating tumour cells (CTCs) from the blood stream of cancer patients. By treating the gold layer of the nanodetector with OH radicals generated by Fenton solution or by UV-photolysis of hydrogen peroxide, the cytotoxicity of the gold layer after gamma irradiation was reduced to almost zero. This modification of the gold surface with OH radicals allows applying the nanodetector for in vivo applications.
An interesting subclass of the SLs are Cers, the simplest SLs. Cers are assigned a special role within SLs because of their involvement in many cellular and biophysical processes.In literature Cers are describe to modulate many events in signaling including apoptosis. Besides its role as second messenger and therefore the involvement in many signal cascades, Cers are also known to be essential in physical modifications and structural alternations of membranes. Such regulatory functions on membrane formation are e.g. domain formation with other lipids (i.g. SM and Chol), phase separation with sterols (Chol), vesicular trafficking, fusion, membrane curvature fluidity and thickness and the induction of membrane leakiness. In contrast to phospholipids, Cers can move from one side of the membrane leaflet to the other, due to their strong hydrophobicity. This movement is called flip-flop or as transbilayer movement and is controversially discussed. Consequently, no exact value has been reported about the flip-flop property of Cers, which probably plays an important role during the transmission of an extra cellular signal through the membrane.In order to probe the biophysical properties of ceramides, a synthetic access to 1-thioceramides (1-SHCer) analogues with different N-acyl chain length has been developed in this study. With 1SHCer the flip-flop was investigated on pre-formed liposomes and the data indicated a very rapid flip-flop of Cers with a half time t1/2 <10s in raft- and non-raft like membrane models. Furthermore, the acyl chain length exhibited no measurable impact on the speed of the flip-flop. Utilizing the same probes the importance of hydrogen bond donor and acceptor properties of Cers upon interaction with sphingomyelin in the presence or absence of cholesterol (Chol) has been probed. Performed fluorescent quenching experiments (P.Slotte) proposed the following relative preference in interaction with pSM:pSM:DAGs > pSM:Cer > pSM:Chol > pSM: 1-pCerSH.Most strikingly, the importance of the 1-OH H-bond acceptor functionality to replace Chol around and above the melting temperature of pSM has been demonstrated. Recently, an unusual subclass of SLs, named 1-deoxysphingoids have come to the foreground, as biomarker for metabolic disorders. 1-doxSA is physiologically generated (10-40nM) due to substrate promiscuity of SPT and shown to be elevated in patients with metabolic disorders. In this study an organic synthetic access to fluorescent DSB derivatives was established, featuring a fluorescent moiety at the lipid tail, such as FITC 26. Comprehensive fluorescent studies of 26 revealed an unusual subcellular distribution. Exogenous 1-doxSA analogues, such as FB1 and 1-doxSA-FITC, enter via specific entry points. During the next few hours these lipids accumulate within the cytosol prior to N-acylation by CerS. Upon N-acylation, the newly formed 1-doxdhCer and its analogues insert into the ER membrane.The fluorescent probe and most likely FB1 analogues accumulate within the late endosomal and lysosomal system, probably via a direct connection with the ER. Analysis of the lipid metabolism of unlabeled 1-doxSA and FB1 revealed a strikingly similar behavior, pointing towards a common pharmacological effect. Complete consumption of TG within 24h in epithelia cells combined with GO analysis of 1-doxSA interacting lipids indicates significant modulation of fatty acid degradation, pointing towards regulation of the energy metabolism. This is in good agreement with the observed induction of autophagy. Together, this rapid and similar metabolic change of both 1-doxSA and FB1, points toward direct 1-doxSA head-group related lipid-protein interaction and less toward the influence of FB1 on CerS activity. This work suggests the biological significance of 1-doxSA as a primary nutrient sensor to maintain nutrient homeostasis and its role in the pathophysiology of metabolic diseases.
Phosphines are highly versatile ligands for transition metal catalysts because of wide tuning abilites of their stereoelectronic properties. Bulky and basic phosphines, to a smaller extend also π-acidic phosphites were intensively studied whereas dicoordinated trivalent phosphorus compounds were comparatively little investigated in this respect. In part this may go back to the limited stability of many P=C compounds, in the case of the stable benzazaphosphole to low stabilityof complexes with non-zero-valent transition metals. With the availability of suitable chelate complexes this problems may be overcome. Because biaryl phosphines proved particularly useful as chelate ligands this work is focused on the development of convenient syntheses of new biaryl-type N-heterocyclic or functionally aryl substituted 1,3-benzazaphosphole P,N- P,P- and P,O-chelate ligands and the characterization of their structures. The pivotal point was to find an applicable synthetic route to the title ligands. Because currently transition metal catalyzed cross-coupling reactions are a hot field in catalytic research, the initial target of my work was the investigation of the applicability of suitable biaryl coupling reactions on 1,3-benzazaphospholes. There are several types of transition metal catalyzed biaryl couplings. One reaction, which is currently in the main focus by use of non-toxic and air stable coupling partners, often allowing water as environmental friendly solvent, is the Pd-catalyzed Suzuki-Miyaura coupling of an aryl halide with an arylboronic acid. To apply the Suzuki coupling to the synthesis of biaryl-type benzazaphospholes, the synthesis of either benzazaphosphol-2-boronic acids or reactive 2-halogen-benzazaphospholes have to be performed. Because of the successful introduction of functional groups in position 2 of benzazaphospholes via lithiation and reaction with electrophiles, the 2-lithiation of suitably available N-substituted benzazaphospholes and introduction of boryl groups or halogen by reaction with boronic acid esters or with a halogenating reagent like dibromoethane appeared as a realistic route and was chosen for closer study. N-Neopentyl-benzazaphosphole was selected by its relatively easy access and N-mesityl-benzazaphosphole as a N-aryl representative. From the two principal methods developed to synthesize 1,3-benzazaphospholes, only the synthesis and reduction of o-aniline phosphonic acid esters to o-phosphinoanilines and subsequent [4+1] cyclocondensation is promising to access N-substituted 2-CH benzazaphospholes. My first investigations targeted to improve the synthesis of the benzazaphosphole precursors. The invention of a Cu- instead of the earlier used Pd-catalyzed P-C coupling allows a more economical access to anilinophosphonates which were then transformed to 2H-1,3-benzazaphospholes by the established orthoformamide cyclocondensation. Several attempts of the coupling with careful control of dryness of all reagents and solvents were made in order to obtain pure 1,3-benzazaphosphole-2-boronic acid ester and, after mild hydrolysis, to isolate 1,3-benzazaphosphole-2-boronic acid. The coupling worked with N-mesityl-1,3-benzazaphosphole 13e, but the benzazaphosphol-2-boronic acid could not be obtained in pure form because of easy B-C bond cleavage during crystallization, certainly by the two ‘OH groups. For attempts with a reverted methodology, the synthesis of a 2-bromo-substituted benzazaphosphole was studied, which should be coupled with (hetero)arylboronic acids via Suzuki-Mijaura reaction. However, the 2-bromo-benzazaphosphole also could not be obtained in pure form, and a coupling experiment with phenyl boronic acid and catalysis with ligand free Pd/C failed. Therefore, other routes to biaryl-type benzazaphospholes were envisaged. Direct C-H functionalization has emerged over the past few years as an attractive strategy to enhance molecular complexity. This holds also for π-excess-type heterocycles like indoles, benzoxazoles or purines which allow direct CH-arylation in 2-position. These reactions generally involve palladium based catalysts and in some cases rhodium catalysts. In a series of experiments the catalytic arylation, heteroarylation and later also alkylation were studied with 1,3-benzazaphospholes 13a-e as precursors. The initial studies were carried out with iodobenzene, keeping similar reaction conditions as for 2-CH arylation of indoles. Then transition metal catalysts, bases and conditions were varied. The necessity and influence of a catalyst was established by blind experiments without transition metal catalyst which led to strong decrease of the reactivity. However, the transitional metal catalyzed reactions of N-substituted-1,3-benzazaphosphole with aryl- and heteroaryl halides did not give the desired 2-aryl-substituted 1,3-benzazaphosphole biaryl ligands but revealed a novel oxidative addition at the P=C double bond. In the presence of moisture benzazaphospholine-P-oxides are formed. Further exploration of the scope of this reaction showed that it is applicable to several functionally substituted aryl halides and heteroaryl halides. As besides PdX2 (X = Cl, OAc) also Pd(0)(PPh3)4 was found active as catalyst, it can be assumed, that the reaction occurs via a Pd(0) species and oxidative addition of the aryl halide at Pd(0). Because Pd(0) will coordinate stronger to the π-acidic benzazaphosphole than Pd(II) it is assumed that in the first step small equilibrium amounts of a Pd(0)benzazaphosphole complex will be formed which undergo the oxidative addition and then react to benzazaphospholium salt and furnish back a Pd(0) complex with 1,3-benzazaphosphole ligand. The benzazaphospholium salts are highly sensitive to moisture and react with traces of water to form benzazaphospholine-P-oxides 20 and acid, neutralized by the base. A cyclic species RR’P(OH)=CHR”, where the halogen is replaced by OH, may be assumed as intermediate which undergoes a rearrangement to the more stable RR’P(=O)-CH2R” tautomer, driven by the high P=O bond energy. After various investigations of the optimum conditions for the reaction, a number of new functionally substituted P-aryl or P-heteroaryl benzazaphospholine P-oxides and 1,3-dineopentyl-benzazaphospholine-3-oxide were isolated and characterized by 1H, 31P, 13C and HRMS data and two by crystallography. The biaryl-type 2-phenyl-1,3-benzazaphosphole is known since the earliest reports of these heterocycles, synthesized by cyclocondensation of 2-phosphinoaniline with benziminoester hydrochloride or in low yield with benzaldehyde. The latter method was further developed because of the compatibility of the aldehyde group with various donor functions. 2-Phosphinoaniline (12a) and 2-phosphino-4-methylaniline (12b) were heated with pyridine-2-carboxaldehyde under varied conditions, and a crucial role of acid catalyst was observed in the investigation. The results showed that the dehydrogenating cyclocondensation, if catalyzed by a suitable type and amount of acid catalyst, works well for primary phosphinoanilines 12a,b and a variety of reactive aldehydes, including N-heterocyclic and o- or m-functionally substituted arylaldehydes. In an equimolar ratio, on heating usually hydrogen is eliminated, at least formally, to furnish the aromatically stabilized 1H-1,3-benzazaphosphole ring systems of 35 whereas in other cases reductive side reactions occur, e.g. the N-CH2R substitution to 36 in reactions with two equivalents of aldehyde. Thus the synthesis of 1,5-dimethyl-1,3-benzazaphosphole (36a) was achieved by double cyclocondensation of 12b and formaldehyde in a 1:2 molar ratio. This provides the so far shortest way to synthesize N-substituted 1,3-benzazaphospholes and suggests, that the reaction is generally applicable in reactions with two equivalents of monoaldehyde. This puts the question if N-secondary o-phosphinoanilines such as N-neopentyl-2-phosphinoaniline (12d) can be cyclocondensed with aldehydes to benzazaphospholes or if a primary amino group is required. The successful experiment shows that cyclocondensation of N-secondary o-phosphinoanilines with suitable aldehydes is possible. N-Neopentyl-2-pyrido-1,3-benzazaphosphole was obtained in high yield. An interesting extension of the above reaction are cyclocondensations with compounds bearing two aldehyde groups. Double condensation of 12b with o-phthaldialdehyde was performed. It proceeded fast and gave tetracyclic-1,3-benzazaphosphole in high yield. Based on the NMR monitored primary formation of organoammonium phosphino glycolates from amines, phosphines and glyoxylic acid, followed by conversion to phosphinoglycines, it is assumed that the reaction proceeds by initial attack of the primary phosphino group of 12b at the carbonyl carbon atom of R-CHO, polarized with the help of the acid catalyst. The resulting P-C bonded secondary phosphine, containing an α-hydroxy group, may release water after transfer of a proton to oxygen in equilibrium, followed by attack of amine. This leads to formation of the dihydro-intermediate 34, observed by NMR reaction monitoring in several cases. Possible ways are releasing of H2 during reflux, directly giving 2-substituted NH-1,3-benzazaphospholes 35, or hydrogen transfer, connected e.g. with N-substitution leading to 1,2-disubstituted 1,3-benzazaphospholes 36. The second path is observed mainly when excess or double molar quantities of aldehydes are used at the start of the reaction. The two hydrogen atoms at P and C2 are consumed during the second condensation and formation of the NCH2R group and generate the P=C double bond. Finally, cyclocondensation of o-phosphinoanilines with aldehydes has proven as a useful method for the synthesis of biaryl type benzazaphosphole ligands. After thorough investigations, N-primary and secondary phosphino anilines were found cyclisable with various heteroaryl aldehydes upon refluxing in toluene in the presence of a suitable acid catalyst, and 11 new compounds were synthesized following this procedure and characterized by 1H, 31P, 13C NMR and HRMS data. For two compounds crystal structures were also obtained. First attempts to synthesize chelate complexes with the 2-(hetero)aryl-1,3-benzazaphospholes were started. A soluble 2-(o-diphenylphosphinophenyl)-1,3-benzazaphoasphole-Cr(CO)4 chelate complex was detected by NMR spectroscopy, whereas most products of the new ligands with Rh(COD) or NiCp complexes were insoluble in usual NMR solvents and require further efforts for synthesis and full analytical and structural characterization.
Poly(vinyl alcohol) (PVA) is a water‐soluble synthetic vinyl polymer with remarkable physical properties including thermostability and viscosity. Its biodegradability, however, is low even though a large amount of PVA is released into the environment. Established physical‐chemical degradation methods for PVA have several disadvantages such as high price, low efficiency, and secondary pollution. Biodegradation of PVA by microorganisms is slow and frequently involves pyrroloquinoline quinone (PQQ)‐dependent enzymes, making it expensive due to the costly cofactor and hence unattractive for industrial applications. In this study, we present a modified PVA film with improved properties as well as a PQQ‐independent novel enzymatic cascade for the degradation of modified and unmodified PVA. The cascade consists of four steps catalyzed by three enzymes with in situ cofactor recycling technology making this cascade suitable for industrial applications.
1,1-Bis(trimethylsilyloxy)ketene acetals represent useful synthetic building blocks which can be regarded as masked carboxylic acid dianions. In recent years, a number of cyclization reactions of 1,1-bis(trimethylsilyloxy)ketene acetals have been reported. Functionalized maleic anhydrides represent important synthetic building blocks, which have been employed, for example, in the synthesis of γ-alkylidenebutenolides, maleimides, 5-alkylidene-5H-pyrrol-2-ones. Substituted maleic anhydrides are available by Michael reaction of nucleophiles with parent maleic anhydride and subsequent halogenation and elimination. Oxalyl chloride is an important synthetic tool for the synthesis of O-heterocycles. 3-hydroxymaleic (1-3) anhydrides were synthesised by one-pot cyclization of 1,1-bis(trimethylsilyloxy)ketene acetals with oxalyl chloride using TMSOTf as a catalyst. The Me3SiOTf mediated reaction of 1,1-bis(trimethylsilyloxy)ketene acetals with 3-silyloxyalk-2-en-1-ones, such as (4), afforded 5-ketoacids, such as (5). Treatment of the latter with TFA in CH2Cl2 afforded pyran-2-ones, such as (6-8). It has been found that 1,1-bis(trimethylsilyloxy)ketene acetals can behave as dinucleophile. Functionalized benzo-azoxabicyclo[3.3.1]nonanones (9-12), were prepared by regio- and diastereoselective condensation of 1,1-bis(silyloxy)ketene acetals with isoquinolinium and quinolinium salts and subsequent regioselective and stereospecific iodolactonization. Our next target was the reaction of silyl ketene acetals with pyrazine and quinoxaline. These reactions provide a facile access to a variety of 2,3-benzo-1,4-diaza-7-oxabicyclo[4.3.0]non-2-en-6-ones and 1,4-diaza-7-oxabicyclo[4.3.0]non-2-en-6-ones (13-14). The second part of my research work was concentrated on bis(silyl enol ethers). The TiCl4-mediated [3+3] cyclization of 2,4-bis(trimethylsilyloxy)penta-1,3-diene with 3-silyloxyalk-2-en-1-ones afforded 2-acetylphenols (15), which were transformed into functionalized chromones (16). The Me3SiOTf-mediated condensation of the latter with 1,3-bis(silyl enol ethers) and subsequent domino ′retro-Michael–aldol–lactonization′ reaction afforded 7-hydroxy-6H-benzo[c]chromen-6-ones (17-18). With regard to our on going investigation with bis(silyl enol ethers), we significantly extended the preparative scope of the methodology. We have successfully developed regioselective cyclizations of unsymmetrical 1,1-diacylcyclopentanes, such as 1-acetyl-1-formylcyclopentane, and also studied cyclizations of 2,2-diacetylindane, 1,1-diacetylcyclopent-3-ene and 3,3-dimethylpentane-2,4-dione. In addition, the mechanism of the domino process was studied. We have synthesised spiro[5.4]decenones (19) and that were transfored into bicyclo[4.4.0]deca-1,4-dien-3-ones (20-21), by domino ′Elimination–Double-Wagner-Meerwein-Rearrangement′ reactions. The Lewis acid mediated domino ′[3+3]-cyclization-homo-Michael′ reaction of 1,3-bis-silyl enol ethers with unsymmetrical 1,1-diacylcyclopentanes, such as 1-acetyl-1-formylcyclopentane, allows an efficient one-pot synthesis of functionalized salicylates containing a halogenated side-chain (22-23). A great variety of substitution patterns have been realized by variation of the starting materials and of the Lewis acid. The mechanism of the domino process was studied.
Synthesen modifizierter Nukleoside zur Aufklärung der Struktur und Funktion von RNA-Molekülen
(2019)
Im Fokus dieser Arbeit lagen die Synthesen verschiedener Nukleosidderivate zur Aufklärung der Struktur und Funktion von RNA-Molekülen. Es wurden erfolgreich zwei Adenosinderivate synthetisiert und die für die post-synthetische Markierung benötigte Aminofunktion entweder mit Hilfe der Sonogashira-Kupplung an der Position C2 oder der Heck-Reaktion an der Position C8 eingebaut. Um auch Zugang zu modifizierten Cytidinen zu erhalten, wurde eine Synthesestrategie für ein aktiviertes Uridinderivat entworfen, um dieses nach der chemischen Synthese mittels Phosphoramiditverfahren, während der Reinigung, in das dazugehörige Cytidinderivat umzuwandeln. Hierzu wurden die funktionellen Gruppen erfolgreich für die chemische Oligonukleotidsynthese geschützt, die Modifikation an der Position C5 mit Hilfe der Sonogashira-Kupplung eingebaut und die Position C4 mit Hilfe von TIPS-Cl (2,4,6-Triisopropylbenzolsulfonylchlorid) aktiviert. In Vorversuchen konnte die erfolgreiche Umwandlung in das Cytidinderivat experimentell bestätigt werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Einfluss ausgewählter basenmodifizierter Nukleoside auf den Charakter einer doppelsträngigen RNA untersucht. Dazu wurden die Schmelzkurven und Schmelzpunkte modifizierter und unmodifizierter Oligonukleotide gemessen und ausgewertet. Die erhaltenen Daten lassen darauf schließen, dass der Einbau von basenmodifizierten Nukleosiden zur Senkung des Schmelzpunktes führt, jedoch nicht zur Veränderung des doppelsträngigen Charakters. Eine anschließende Markierung eines modifizierten Oligonukleotids mit dem Farbstoff ATTO 680 scheint nur einen marginalen Einfluss auf den Schmelzpunkt, im Vergleich zu den Schmelzpunkten der modifizierten Oligonukleotide, zu haben. Für die Untersuchung der Funktion und Struktur von größeren RNA-Molekülen, wie zum Beispiel ROSE-Elementen, wurde eine Strategie zu deren Herstellung mit Hilfe der T4 RNA Ligase I entwickelt und ex-perimentell bestätigt. Dazu wurde das ROSE-Element in drei Segmente geteilt, diese chemisch synthetisiert, gereinigt und mit Hilfe der T4 RNA Ligase I zum vollständigen Element ligiert. Dabei konnte das ROSE-Element erfolgreich vom 5´-Terminus aufgebaut werden. Es steht nun eine Methode zur Verfügung, um auch modifizierte Oligonukleotide zu einem ROSE-Element zu ligieren und dieses auf seine Funktion und Struktur hin zu untersuchen. Eine RNA 4-way-junction wurde durch Hybridisierung generiert und für strukturelle Untersuchungen verfügbar gemacht.
Es wurden vier Nukleosid-Analoga hergestellt, deren Anwendungsbereiche gänzlich unterschiedlicher Natur sind. Sie stellen wichtige Hilfsmittel zur Erweiterung der Eigenschaften und zur Charakterisierung von Nukleinsäuren dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Voraussetzungen für die Selektion eines Cytidindesaminase-Ribozyms geschaffen. Es wurde ein Assay für die in-vitro-Selektion vorgestellt und das zu diesem Zweck notwendige Schlüsselmolekül, ein Cytidin-Derivat, designt und mit einer Gesamtausbeute von 8 % synthetisiert. Das Nukleosid wurde in einer 16-stufigen Synthese mit zwei unterschiedlichen Linkereinheiten funktionalisiert und stellt ein effektives Werkzeug zur Selektion von Cytidindesaminase-Ribozymen dar. Das bifunktionalisierte Cytidin-Substrat wurde über seine 5’-OH Gruppe mit einem Hexaethylenglykol-Linker versehen, der eine primäre Aminogruppe aufwies. Über eine kurze Linkereinheit an der C4-Position der Nukleobase wurde ein Biotinrest angefügt. Die angestrebte Selektionsstrategie sieht die Oxidation des 3’-Endes einer RNA-Bibliothek mittels Natriumperiodat vor. Das resultierende Dialdehyd soll anschließend mit der primären Aminogruppe des Cytidin-Derivats umgesetzt werden. Ein Protokoll zur Anbindung des synthetisierten Cytidins an eine an ihrem 3’-Terminus oxidierte RNA wurde entwickelt und steht für die zukünftige Selektion zur Verfügung. Der Nachweis des Konjugats aus RNA und dem Cytidin-Derivat erfolgte mittels HPLC, sowie massenspektrometrisch. Die RNA-Bibliothek zur Selektion eines Cytidindesaminase-Ribozyms wurde ausgehend von zwei Klenow-Primern hergestellt und steht ebenfalls bereit. Parallel zu den Arbeiten der Synthese des Cytidins, wurden im Rahmen zweier Kooperationen drei weitere Nukleosid-Analoga dargestellt. Das erste Kooperationsprojekt sah die Herstellung einer kurzen RNA vor. Es handelte sich dabei um die hochmodifizierte Anticodonschleife der tRNA(Lys) aus E. coli. Zur chemischen Festphasensynthese dieser 17mer RNA waren die Phosphoramiditbausteine von N6-Threonylcarbamoyladenosin (t6A) und 2-Thiouridin (s2U) erforderlich. Die Synthesen der Nukleosid-Analoga t6A und s2U, sowie deren Umwandlungen in die jeweiligen Phosphoramidite wurden vorgestellt. Die Darstellung von s2U erfolgte nach Protokollen von Vorbrüggen und Strehlke mit einer Gesamtausbeute von 78 %.Während des Schutzes der 2’-OH Gruppe mit TBDMS, bildete sich hauptsächlich das 3’-O-TBDMS-Isomer, das sich nur sehr schwer vom 2’-O-TBDMS-Isomer separieren ließ. Durch Verwendung der Schutzgruppe Di-tert-butylsilandiylditriflat zur Synthese des s2U-Phosphoramidits konnte das Problem der Bildung des 3’-O-TBDMS-Isomers behoben werden. Die erste Synthese eines t6A-Derivats orientierte sich an Vorschriften von Davis et al. und lieferte das Produkt mit einer Gesamtausbeute von 25 % über 7 Schritte. Darüber hinaus wurde eine zweite Synthesestrategie entworfen, die auf der Verwendung eines Isocyanats von L-Threonin basierte. Die Aminosäure Threonin wurde mit zwei verschiedenen Silylschutzgruppen versehen, die beide kompatibel mit der Phosphoramiditchemie während der chemischen RNA-Synthese waren. Das Isocyanat wurde mit guten Ausbeuten dargestellt und anschließend sowohl mit ungeschütztem, als auch mit geschütztem Adenosin zur Reaktion gebracht. In beiden Fällen wurde ein t6A-Derivat erhalten. Die Umsetzung mit einem geschützten Adenosin lieferte das t6A-Derivat mit einer Gesamtausbeute von 20% über 8 Stufen. Es wurde somit eine – in Bezug auf Ausbeute und Arbeitsaufwand – gleichwertige Alternativsynthese zur Darstellung von t6A-Derivaten entwickelt. Aus den beiden modifizierten Nukleosiden s2U und t6A wurden die Phosphoramidit-Bausteine generiert. Durch den erfolgreichen Einbau beider Nukleoside in eine 17mer RNA konnte die Anticodon-Schleife der tRNALys hergestellt werden. Die Bearbeitung des zweiten Kooperationsthemas erforderte die Herstellung eines isotopenmarkierten Pseudouridins. Es wurde eine vergleichende Synthese von 15N- markiertem Pseudouridin durch Adaption zweier unterschiedlicher Protokolle durchgeführt. Die erste Strategie, eine 7-stufige Synthese, lieferte die Zielverbindung mit einer Ausbeute von 2% über alle Schritte ausgehend von D-Ribose. Bezogen auf den 15N-Harnstoff betrug die Gesamtausbeute 14 %. Grund für die geringe Gesamtausbeute war eine unvermeidliche Isomerisierung der beta-Form der D-Ribose zum nicht reagierenden alpha-Anomer während der Lacton-Bildung, sowie der geringe Umsatz während der Reaktion mit dem 15N-angereicherten Harnstoff. Die zweite Strategie gab das 15N-markierte Pseudouridin mit einer Gesamtausbeute von 9 % über 9 Schritte. Für die Synthese von Uracil wurde eine alternative Vorschrift verwendet, bei der Propinsäure mit Harnstoff umgesetzt wurde. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass auf karzinogene Lösungsmittel, sowie anderer Reagenzien ohne Ausbeuteverluste verzichtet werden konnte.
Ziel der Arbeit war es, Mono-Dithiolen-Vanadiumkomplexe zu synthetisieren, die als Katalysatoren in Oxidationsreaktion von prochiralen Sulfiden zu chiralen Sulfoxiden getestet werden sollten.
Es konnten verschiedene Ansätze entwickelt werden, die vielversprechend waren, um durch weitere Forschung Mono-Dithiolen-Vanadiumkomplexen erhalten zu können.
Insbesondere konnte eine universell anwendbare Syntheseroute für die Verwendung von aliphatischen Dithiolenen in der Komplexsynthese erfolgreich gezeigt werden. Außerdem wurden neue Kristallstrukturen verschiedener Dithiolen-Vanadiumkomplexe erhalten.
Über 40% der derzeit verwendeten Arzneimittel beinhalten Amine als Wirkstoff. Vor allem die Chiralität dieser Moleküle stellt eine immer größere Bedeutung dar. Chirale Moleküle unterscheiden sich in der räumlichen Anordnung der Atome um das chirale Zentrum. Nicht selten besitzen Naturstoffe ein solches chirales Zentrum und sind asymmetrisch aufgebaut. In diesem Zusammenhang ist es nicht verwunderlich, dass die in der Medizin eingesetzten Wirkstoffe einen unterschiedlichen Wirkungsgrad je nach chiraler Konfiguration aufweisen.
Ziel dieser Arbeit war es neue Methoden zur stereoselektiven Synthese chiraler Amine zu untersuchen. Im Gegensatz zu herkömmlichen chemischen Synthesen, die beispielsweise auf Übergangsmetalle als Katalysatoren setzen, stellen Enzyme als Katalysatoren eine interessente Alternative dar. Stereo-, Regio- und Chemoselektivität ist Enzymen oft von Natur aus gegeben. Im Mittelpunkt der enzymatischen asymmetrischen Synthese optisch aktiver Amine standen bisher Amintransaminasen (ATA), die eine Aminogruppe von einem Amin (Aminodonor) auf ein Keton (Aminoakzeptor) transferieren. Diese Enzyme sind jedoch auf die Synthese primärer Amine beschränkt, sekundäre und tertiäre Amine sind nicht zugänglich. Eine Alternative hierzu stellen Iminreduktasen (IREDs) dar. Dabei handelt es sich um NADPH-abhängige Enzyme, die eine Reduktion von Iminsubstraten zu optisch aktiven Aminen katalysieren. Vor allem die IRED-katalysierte reduktive Aminierung steigerte das Interesse dieser Enzymklasse. In einer reduktiven Aminierung wird nicht das Imin selbst als Substrat eingesetzt, sondern eine prochirales Keton. Dieses formt mit einem Aminsubstrat (Nukleophil) ein Imin und wird anschließend reduziert. Durch diesen Reaktionsweg sind IREDs nicht nur auf zyklische Substrate beschränkt, auch instabile azyklische Imine werden zugänglich.
Die reduktive Aminierung mittels Iminreduktase wurde erstmalig im Jahr 2014 beschrieben und war zu Beginn dieser Arbeit nur als "Proof of Concept" gezeigt worden. Im Rahmen dieser Promotionsarbeit konnte gezeigt werden, dass diese Enzyme die Möglichkeit bieten, optisch aktive Amine mit hohen Umsätzen und Enantiomeren- bzw. Diastereomerenüberschüssen zu synthetisieren.
Die Dissertation beschreibt die Synthese verschiedener Nukleosidanaloga mit den notwendigen Modifizierungen und Funktionalitäten für einen Einsatz in der Phosphoramidit-basierten chemischen Oligonukleotidsynthese an fester Phase. Im Rahmen der Arbeit wurde ein nicht-kanonisches Desoxyadenosinderivat ausgehend von Allopurinol hergestellt. Außerdem wurden verschiedene Azid-modifizierte Nukleoside synthetisiert und Untersuchungen zur Herstellung eines Borono-modifizierten Adenosinderivats durchgeführt. Des Weiteren wurde ein Verfahren zur Bestimmung der Stabilität der Azidogruppe unter Standardbedingungen der Phosphoramidit-basierten chemischen Oligonukleotidsynthese demonstriert.
G-quadruplexes (G4s) have been in the focus of research in the last decades for their regulatory roles in vivo and for their use in nano- and biotechnology. However, an understanding of the various factors that drive a particular quadruplex fold remains limited, challenging rational therapeutic targeting and design of these tetrahelical structures. In this regard, insights from modified G-quadruplexes may help to deepen our knowledge of G-quadruplex structure. In this dissertation, sugar-modified guanosine analogs are exploited for their altered conformational preferences regarding both glycosidic bond angle and sugar pucker by their incorporation into different syn positions of the G-core of a model G-quadruplex. Induced structural perturbations as characterized by NMR spectroscopy range from a local change in tetrad polarity to a complete refolding into an unusual structure with a V-shaped loop, a unique G4 structural element in the focus of this work. Detailed conformational analysis of the introduced G analogs and high-resolution structures of the modified quadruplexes reveal a complex interplay of glycosidic torsion angle, sugar pucker preferences and local interactions, which may all play a leading role in driving G4 folding.
Abstract
A DNA G‐quadruplex adopting a (3+1) hybrid structure was modified in two adjacent syn positions of the antiparallel strand with anti‐favoring 2′‐deoxy‐2′‐fluoro‐riboguanosine (FrG) analogues. The two substitutions promoted a structural rearrangement to a topology with the 5′‐terminal G residue located in the central tetrad and the two modified residues linked by a V‐shaped zero‐nucleotide loop. Strikingly, whereas a sugar pucker in the preferred north domain is found for both modified nucleotides, the FrG analogue preceding the V‐loop is forced to adopt the unfavored syn conformation in the new quadruplex fold. Apparently, a preferred C3′‐endo sugar pucker within the V‐loop architecture outweighs the propensity of the FrG analogue to adopt an anti glycosidic conformation. Refolding into a V‐loop topology is likewise observed for a sequence modified at corresponding positions with two riboguanosine substitutions. In contrast, 2′‐F‐arabinoguanosine analogues with their favored south‐east sugar conformation do not support formation of the V‐loop topology. Examination of known G‐quadruplexes with a V‐shaped loop highlights the critical role of the sugar conformation for this distinct structural motif.