Refine
Year of publication
- 2019 (26) (remove)
Document Type
- Doctoral Thesis (18)
- Article (8)
Has Fulltext
- yes (26)
Is part of the Bibliography
- no (26)
Keywords
- - (7)
- Biochemie (2)
- Biokatalyse (2)
- Elektrochemie (2)
- Enzym (2)
- 1,4-naphthoquinones (1)
- <i>Bacillus subtilis</i> (1)
- Adhesion (1)
- Amine (1)
- Baclofen (1)
Institute
- Institut für Chemie und Biochemie (26) (remove)
Publisher
- MDPI (3)
- Frontiers Media S.A. (2)
- John Wiley & Sons, Inc. (1)
- Wiley (1)
Das klarzellige Nierenzellkarzinom (ccRCC) ist eine von vielen Krebserkrankungen. Viele Patienten weisen eine Mutation im Von-Hippel-Lindau-Gen (VHL) auf und/ oder zeigen eine Überexpression des Enzyms Nicotinamid-N-Metyltransferase (NNMT).
Es wurden insgesamt fünf etablierte Zelllinien verwendet, die embryonale Nierenzelllinie HEK-293 und vier ccRCC-Zelllinien (Caki-1, Caki-2, 769-P, 786-O), welche sich in ihrer Expression der Proteine NNMT und VHL unterscheiden.
Zudem wurde eine stabile Zelllinie aus den Caki-2 Zellen generiert, die durch ein Doxycyclin induzierbares Tet-On-System NNMT vermehrt exprimiert (C2NNMTs).
Es wurden sowohl molekularbiologische als auch biochemische Methoden zur Analyse angewendet.
Die Zelllinien wurden für Transfektionsstudien zur Überexpression oder zum Knockdown von NNMT genutzt, um die Einflussnahme auf die Enzyme Nikotinamid-phosphoribosyltransferase (NAMPT), Sirtuin 1 (SIRT1), Methioninadenosyltransferase-2 β-Untereinheit (MAT2B) und Aldehydoxidase (AOX1) zu analysieren.
Da SAM (S-Adenosylmethionin) der Methyldonor von NNMT ist, wurde auch der Einfluss der Methioninkonzentration betrachtet. Viele der bisherigen publizierten Versuche wurden bei 100 µM Methionin durchgeführt, was jedoch nicht der humanen Serumkonzentration entspricht, welche bei 20 µM Methionin liegt.
Umfangreiche massenspektrometrische Analysen führten zur Identifizierung weiterer Proteine, welche durch die NNMT-Modulation beeinflusst wurden. Die Identifikation einer Vielzahl veränderter Targets verdeutlichte den Einfluss auf den Energiemetabolismus bis hin zur Apoptose. Es zeigten sich unterschiedliche Regulationen von Glykolyse-, Respirations-, Citratzyklus-, Pentosephosphatweg- und Lipidsyntheseproteinen. Insgesamt ergaben sich individuelle, zellspezifische Regulierungen, welche auf die Sirtuine zurückzuführen sind.
Weiterhin wurden Untersuchungen zur erhöhten Expression von NNMT unter Einfluss von Nikotinamid (NAM) sowie Interleukin-6 (IL-6) durchgeführt. Die Analysen zeigten, dass zwischen der Pseudohypoxie und der Erhöhung der NNMT-Expression ein Zusammenhang besteht, denn IL-6 phosphoryliert ERK (engl. Extracellular-signal Regulated Kinases) und STAT3 (engl. Signal transducer and activator of transcription 3), welche beide benötigt werden, um die Transkription des NNMT-Gens zu beeinflussen und die NNMT-Proteinexpression zu fördern.
Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sollen dazu dienen, die biochemischen Zusammenhänge einer veränderten Expression von NNMT besser zu verstehen und damit neue diagnostische Ansätze zu ermöglichen.
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).
Molybdenum dependent enzymes are involved in essential metabolic transformations in bacteria, plants, and human beings. The extreme instability of the molybdenum cofactor (Moco) prevents its use as an effective treatment for patients with a Moco deficiency. Therefore, the design, develop and execute the artificial molybdenum cofactor models are essential.
In the present thesis, the asymmetric molybdopterin (mpt) model precursors with oxygen functionality and various electronic structures and their Moco model complexes mimicking the natural cofactor have been synthesized and comprehensively investigated through multi-nuclear NMR, MS, IR, resonance Raman, X-ray crystallography, UV-Vis, and electrochemical methods. Notably, the asymmetrically substituted dithiolenes in this thesis are confirmed through a significant push-pull effect, which is tuning its electronic structure. The redox behavior of Moco model complexes was investigated by temperature-dependent cyclic voltammetry. Electronic and vibrational spectral studies were investigated in detail to understand substituents effect on the electronic structure of model complexes and to elucidate roles of mpt in catalysis. Since the model complexes can be considered as structural models for the Moco dependent oxidoreductases, catalytic oxygen atom transfer (OAT) reactions in DMSO/PPh3 were investigated.
The main focus of the present thesis was achieved through the development of various synthetic routes that address phosphonate bearing dithiolene ligands, inspiring the natural mpt. Simultaneously the Minisci protocol was applied for the synthesis of new pterin ketophosphonates, taking into consideration the essential aspects of the natural molybdopterin, including the phosphate anchor group. Even though some aspects of this protocol require further optimizations, but the mentioned synthetic route has exceptional potential and flexibility.
The term diabetes mellitus comprises a group of metabolic diseases all distinguished by their main characteristic hyperglycaemia. With a steadily increasing prevalence diabetes displays an enormous burden for patients and health systems and is therefore of special interest for research. The development of the two main types of diabetes, type 1 and type 2, is closely linked to the formation of reactive species, especially hydrogen peroxide, inside different compartments of pancreatic beta cells. However, these cells are especially vulnerable towards oxidative stress mediated by hydrogen peroxide due to a low expression of antioxidative enzymes.
The main aims of the present thesis were to analyse the intracellular generation and to enable the site-specific detection of hydrogen peroxide to evaluate its role in the delicate equilibrium between redox signalling and oxidative stress under certain pathophysiological conditions, and moreover to monitor its movement through compartments and subcellular membranes of insulin-producing cells. Additionally, a new methodology for an artificial site-specific generation of hydrogen peroxide inside living cells was developed.
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.
Vor dem Hintergrund des noch wenig erforschten RNA-Ladungstransfers, lag der Fokus der Arbeit auf die Etablierung eines Ladungstranfers innerhalb einer funktionellen RNA. Als Modellsystem diente dazu das HPAR2, ein FMN-abhängiges Aptazym, dessen strukturdynamische Funktionsweise noch nicht komplett verstanden ist. Dabei galt es zum einen innerhalb der funktionellen Aptamerdomäne einen Ladungstransport zu etablieren. Zum anderen musste eine geeignete Position innerhalb der Aptamerstruktur für die Einführung eines nukleophilen Linkers identifiziert und verifiziert werden, um postsynthetisch die Verknüpfung mit dem FMN zu ermöglichen. Zusätzlich wurde durch die Synthese verschiedener nukleosidischer Sonden die Anwendung spektroskopischer Methoden zur Untersuchung dynamische RNA-Funktionen ermöglicht. Dabei gelang es eine neue Strategie zur Einführung einer Spin-Sonde in eine RNA zu entwickeln. Des Weiteren gelang die Darstellung einer nukleosidischen PHIP-Sonde, die eine außergewöhnlich hohe Signalverstärkung zeigte. Um die Funktionskontrolle des Modellsystems über einen intramolekularen Elektronentransport zu ermöglichen, musste zunächst die Synthese eines dementsprechend Linker-modifizierten Adenosins erfolgen. Der Einbau dieses Linker-modifizierten Adenosins durch chemische Festphasensynthese lieferte zwei RNAs, die durch Hybridisierung mit entsprechenden Gegensträngen das FMN-Aptamer und das FMN-abhängige Modellsystem HPAR2 bilden. Der zweite Teil dieser Arbeit, der Vorbereitung eines Elektronentransfer-sensitiven Aptazyms, setzte die Bereitstellung eines nukleosidischen Elektronendonors voraus. Dafür erfolgte die Synthese und Charakterisierung zweier Pyren-modifizierte Uridinderivate. Die Charakterisierung beider Elektronendonoren durch optische Spektroskopie (Fluoreszenz und UV/Vis) resultierte in vielversprechenden Hinweisen, dass die Erzeugung eines Überschusselektrons nach Anregung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge gelang. Der erfolgreiche Einbau des substituierten Pyren-Nukleosidderivates in fünf verschiedene Duplex- und sechs verschiedene Aptamerstrukturen und deren spektroskopische Charakterisierung erlaubte die Untersuchung des RNA-Ladungstransports. Der Nachweis eines Ladungstransfers gelang für beide Systeme über zwei unterschiedliche Methoden. Einerseits konnte der Ladungstransfer über Fluoreszenzspektroskopie nachgewiesen werden und andererseits gelang der Nachweis über die Degradierung des eingebauten Akzeptors. Diese Ergebnisse stellen den ersten Ladungstransfers durch eine nicht Watson-Crick gepaarte Nukleinsäurestruktur dar. Zudem ist dies die erste Demonstration eines Sequenz-abhängigen Ladungstransportes innerhalb einer RNA.
Oils and fats from natural origin are sustainable sources for a broad range of economically relevant products in food, feed, fuel, oleochemical, and cosmetic industries. Thereby, a huge variety of lipids or lipid-derived products exist which distinguish themselves by their unique physical properties making them suitable for their individual applications. To obtain such functional lipids in an environmentally friendly manner, enzymes can be employed. In that context, lipases have been proven to be valuable biocatalysts in lipid modification, which are broadly applied in industry. Even though they have been implemented successfully in the dairy, baking, and detergent industries, there is an increasing demand for the expansion of their utilization. New technologies like protein engineering and the implementation of process development are employed in solving this task. Within the enzymes in lipid modification, lipases are the most applied catalysts and in this thesis their utilization was expanded successfully to the implementation of novel separation processes and the production of improved drug delivery matrices.
Using validated analytical tools and optimized sampling procedures, it was possible to detect a vast number of metabolites from the extracellular space but also from the cytosol of B. subtilis. The results indicate that the complement of the analytical methods was suitable in the monitoring of the metabolome since it allowed a great coverage of physicochemical diverse metabolites. However, a wide number of unknown metabolites/features were also detected. Although broad databases exist that can help in the annotation of metabolites, further investigation is needed in their identification. In unpredictable changing conditions, bacterial cells possess appropriate adaptation strategies for a successful bacterial growth. These rely on sensing mechanisms that globally adjust gene expression via transcription and feedback regulations. The metabolic sensing mechanisms have emerged as key roles in the nutritional information and regulation of cell cycle processes. In this work, a new quality of information regarding the metabolism and adaptation to the absence of key signal mechanisms in B. subtilis was provided. Investigations of cells lacking Pyk uncovered alterations in the import of glucose and pyruvate from the nutritional media. These results gives insights to the pyruvate homeostasis mechanism but also brought new questions concerning the regulation of the CCR. Pyruvate wasn't susceptible to the glucose dependent CCR in Δpyk. The earlier in ux of pyruvate in these cells is in accordance to the newly discovered pyruvate transport mechanism. Also, it was speculated that the lower consumption of external glucose could be a consequence of the impairment of the PTS system in the mutant cells due to the accumulation of glycolytic metabolite FBP. In future studies, insights of the PTS system mechanism should be done in these conditions, that could comprise the determination of HPr phosphorylation and the HPrK activity. This study also arose new questions that should be address, that include the higher secretion of acetoin and 2,3-butanediol, and the lower accumulation of shikimate 3-phosphate by the mutant cells. In an untargeted metabolomic analysis, a vast number of altered features were suggested to be fatty acids metabolites, precursors of phospholipids and LTA. Complementary approaches should be done for the confirmation of these metabolites and the inspection of possible alterations in the membrane structure. In the study of LTA mutants, the accumulation of PG precursors provided a hint of altered cell wall assembly. Although by uorescence microscopy no clear changes were detected, the metabolic results emphasized the previous assumption of the affected hydrolytic activity occurring in the PG. For comprehensive knowledge of the cell wall it would be important to detect and identify more metabolites of the LTA anchor using optimized cromatographic method. These results could be complemented with other omics data sets studies which would help in the elucidation of these key regulatory systems mechanisms.
In acinar cells, cellular organelles like zymogene granule, mitochondria, endoplasmic reticulum and lysosome functions in coordinate way in order to synthesize and secrets large amounts of digestive enzyme. Dysfunction of this organelle, results into enzyme activation within acinar cell; ultimately, acute pancreatitis. While previous studies reported that mitochondrial function is disrupt but mechanism of clearance of these mitochondria remains unknown during pancreatitis. Here we reported that PINK1 and Parkin mediated pathway is activated during pancreatitis and clears dysfunctional mitochondria in-vivo. PINK1 or Parkin deficient acinar cell had energy crisis, decreased ATP production and altered acinar cell fate in-vitro. Inhibiting clearance of dysfunctional mitochondria aggravates experimental pancreatitis severity and delays regeneration/recovery of exocrine tissue after disease via PARIS-PGC-1α pathway. While an attempt to explore therapeutic target of PARIS-PGC-1α pathway by treatment of SRT1720 rescued experimental pancreatitis. Together, PINK1 and Parkin, restricts exocrine pancreatic damage in pancreatitis and accelerates tissue recovery after disease.
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.
Die Hälfte der globalen Primarproduktion wird in den Ozeanen realisiert und dabei wird ein großer Anteil des fixierten CO2 genutzt, um Algenpolysaccharide zu synthetisieren. Diese Kohlenhydrate dienen als wichtige Kohlenstoff- und Energiequelle für marine Nahrungsnetze, wobei sie von kohlenhydrataktiven Enzymen zu monomeren Zuckern umgesetzt werden. Da bisher wenig über den enzymatischen Abbau von Algenpolysacchariden in den Ozeanen bekannt ist, war es das Ziel dieser Arbeit, zu einem tieferen Verständnis dieser Prozesse beizutragen.
O-Methylierungen stellen stabile Modifikationen an Zuckern in marinen und terrestrischen Polysacchariden dar. Es wurde in Artikel I gezeigt, dass Cytochrom P450 Monooxygenasen eine wichtige Funktion in enzymatischen Abbausystemen aus marinen Bakterien für Agar haben, wobei diese Enzyme die oxidative Demethylierung von 6-O-Methyl-D-galaktose, einem Monomer aus Rotalgenpolysacchariden, katalysieren. Diese Ergebnisse zeigen, dass es sich bei der P450-Subfamilie CYP236A um die zweite beschriebene Gruppe von kohlenhydrataktiven Monooxygenasen handelt. Die charakterisierten P450s sind hochspezifisch für 6-O-Methyl-D-galaktose und akzeptieren keine typischen P450-Substrate. Um die molekularen Faktoren für den spezifischen Umsatz dieses polaren Substrates aufzuklären, wurde Proteinkristallografie genutzt (Artikel II). Die Kristallstruktur der P450 Monooxygenase aus Z. galactanivorans mit gebundenem Substratmolekül zeigt, dass sowohl Wasserstoffbrückenbindungen als auch hydrophobe Interaktionen an der Substraterkennung beteiligt sind, was zusätzlich durch ITC sowie Mutationsstudien bestätigt wurde.
Schnellwachsende Grünalgen der Gattung Ulva führen weltweit zu gefährlichen Algenblüten. Ein Hauptbestandteil der gebildeten Biomasse stellt das anionische Polysaccharid Ulvan dar. Bisher war der enzymatische Ulvanabbau kaum verstanden, was die sinnvolle Nutzung von Ulva-Biomasse erschwerte. Die detaillierte biochemische Charakterisierung einer Ulvanlyase auf F. agariphila wird in Artikel III gezeigt. Dieses Enzym katalysiert den ersten Schritt im Ulvanabbau und die biochemischen Parameter stimmen mit den Umweltbedingungen in Küstenbereichen des gemäßigten Ozeans überein, dem Habitat, aus dem dieses Bakterium isoliert wurde. Alle nachfolgenden Schritte im kompletten enzymatischen Ulvanabbau wurden aufgeklärt und sind in Artikel IV zum ersten Mal beschrieben. Insgesamt 13 Enzyme aus den Klassen der Polysaccharidlyasen, Glykosidhydrolasen sowie Sulfatasen agieren in einer komplexen Kaskade zusammen, um schlussendlich monomere Zucker aus Ulvan bereitzustellen.
Die gezeigten Identifizierungen und Charakterisierungen von neuen kohlenhydrataktiven Enzymen tragen nicht nur zu einem besseren Verständnis der Vorgänge im marinen Kohlenstoffkreislauf bei, sondern bilden zudem die Grundlage für zukünftige biotechnologische Prozesse. Eine effiziente enzymatische Depolymerisation der Algenpolysaccharide ist nötig, um Bioraffineriekonzepte basierend auf Algenkohlenhydraten zu realisieren. Dabei können über mikrobielle Fermentation Biokraftstoffe der zweiten Generation oder andere nützliche Produkte hergestellt werden.
Die akute Pankreatitis ist durch eine vorzeitige intraazinäre Proteasen-Aktivierung gekennzeichnet, wobei diese im Verlauf der Erkrankung durch eine zunehmende Immunantwort mit in das Pankreas infiltrierenden Immunzellen ergänzt wird. Eine besondere Bedeutung hat die intrazelluläre Aktivierung der Serinprotease Trypsinogen, die in Abhängigkeit der lysosomalen Hydrolase Cathepsin B (CTSB) verläuft.
Wir konnten zeigen, dass verschiedene lysosomale Proteine (Cathepsin D (CTSD), Cathepsin C (CTSC)) nach pathologischem Stimulus in das sekretorische Kompartiment (Zymogengranula) umverteilt werden. Cathepsin D ist in der Lage, das Schlüsselenzym Cathepsin B zu aktivieren, indem es das Pro-Enzym zu aktivem Enzym spaltet. Der Ort dieser proteolytischen Aktivierung sind die sekretorischen Vesikel. Eine pharmakologisch induzierte Permeabilisierung der Lysosomen mit nachfolgendem Ausbleiben der Umverteilung der Enzyme in das sekretorische Kompartiment zeigte, dass die vorzeitige Zymogen-Aktivierung in der Frühphase der Pankreatitis erhalten geblieben ist und unabhängig vom Lysosom verläuft. Eine CTSB-Abhängigkeit bleibt jedoch bestehen. Ein Fehlen von CTSD in den Azinuszellen führt zu einem nur transient milderen Verlauf der akuten Pankreatitis, wie anhand von CTSDf/f/p48Cre/+ Mäusen demonstiert werden konnte, die einen Pankreas-spezifischen CTSD Knockout besitzen. Ein anhaltend milderer Verlauf der Pankreatitis fand sich in CTSD-/- Mäusen, der auf eine verminderte Sekretion pro-inflammatorischer Zytokine in Immunzellen zurückzuführen ist. Auch bei Defizienz von CTSC war der Schweregrad der akuten Pankreatitis milder, wie in CTSC-/- Mäusen experimentell demonstiert werden konnte. Ursächlich hierfür ist vor allem ein reduziertes Einwandern neutrophiler Granulozyten in das Pankreas und in die extrapankreatischen Organe (Lunge), die auf eine geringere Aktivität der Serinprotease Neutrophilen Elastase und verminderte Spaltung des Zell-Kontakt Moleküls E-Cadherin beruhen. Umgekehrt beeinflusste das Fehlen von CTSC in den Azinuszellen nicht die vorzeitige Proteasen-Aktivierung.
Unsere Arbeit unterstreicht die Bedeutung lysosomaler Enzyme in der akuten Pankreatitis und zeigt, dass diese Enzyme maßgeblichen Einfluss auf die Funktion von Immunzellen haben, die den Verlauf der Erkrankung wesentlich mitbestimmen. Unsere Arbeit zeigt außerdem, dass der primäre Ort der intrazellulären und vorzeitigen Proteasen-Aktivierung alleinig im sekretorischen Kompartiment stattfindet und nicht von einer Fusion mit dem lysosomalen Kompartiment abhängig ist.
Analyse der metabolischen Anpassung von Streptococcus pneumoniae an antimikrobielle Umwelteinflüsse
(2019)
Das Gram-positive Bakterium Streptococcus pneumoniae ist ein humanspezifisches Pathogen des oberen Respirationstraktes. Der opportunistische Krankheitserreger kann jedoch mehrere Organe befallen und tiefer in den Körper vordringen, was zu lokalen Entzündungen wie Sinusitis und Otitis media oder zu lebensbedrohlichen Infektionen wie Pneumonie, Meningitis oder Sepsis führen kann. Für das Bakterium S. pneumoniae wurden bisher kaum Metabolom-Daten erhoben. Daher war das Ziel dieser Dissertation eine umfassende Charakterisierung des Metaboloms von S. pneumoniae. In dieser Dissertation wurden als analytische Methoden die Gaschromatografie (GC) und Flüssigkeitschromatografie (LC) jeweils gekoppelt mit Massenspektrometrie (MS) sowie die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) verwendet, um die Metaboliten zu analysieren. Es sind mehrere Analysetechniken erforderlich, um den Großteil des Metaboloms mit seinen chemisch verschiedenen Metaboliten zu erfassen. Artikel I fasst die Literatur zu Untersuchungen des Metabolismus von S. pneumoniae in den letzten Jahren zusammen. Um eine Momentaufnahme des biologischen Systems zum jeweiligen Zeitpunkt zu erhalten, ist neben dem reproduzierbaren Wachstum während der Kultivierung auch die exakte Probenahme zu beachten. Aus diesem Grund wurde in dieser Dissertation ein Probenahmeprotokoll für das Endometabolom von S. pneumoniae etabliert (Artikel II). Mithilfe des optimierten Protokolls wurde eine umfassende Metabolomanalyse in einem chemisch definierten Medium durchgeführt (Artikel II). Um S. pneumoniae in einer Umgebung ähnlich der im Wirt zu untersuchen, wurde in einem modifizierten Zellkulturmedium kultiviert. Intermediate zentraler Stoffwechselwege von S. pneumoniae wurden analysiert. Das intrazelluläre Stoffwechselprofil wies auf einen hohen glykolytischen Flux hin und bot Einblicke in den Peptidoglykan-Stoffwechsel. Darüber hinaus widerspiegelten die Ergebnisse die biochemische Abhängigkeit von S. pneumoniae von aus dem Wirt stammenden Nährstoffen. Ein umfassendes Verständnis der Stoffwechselwege von Pathogenen ist wichtig, um Erkenntnisse über die Anpassungsstrategien während einer Infektion zu gewinnen und so neue Angriffspunkte für Wirkstoffe zu identifizieren.
Die zunehmende Verbreitung von resistenten S. pneumoniae-Stämmen zwingt zur Suche nach neuen antibiotisch wirksamen Substanzen. Im Zuge dessen wurde in Artikel III die metabolische Reaktion von S. pneumoniae während des Wachstums unter dem Einfluss antibakterieller Substanzen mit dem Ziel der Identifizierung metabolischer Anpassungsprozesse untersucht. Dabei wurden Antibiotika mit unterschiedlichen Wirkmechanismen verwendet, wie die Beeinflussung der Zellwandbiosynthese (Cefotaxim, Teixobactin-Arg10), der Proteinbiosynthese (Azithromycin) sowie Nukleotidsynthese (Moxifloxacin). Es konnten keine Wirkmechanismus-spezifischen Marker-Metaboliten identifiziert werden. Jedes Antibiotikum verursachte weitreichende Veränderungen im gesamten Metabolom von S. pneumoniae. Die Nukleotid- und Zellwandsynthese waren am stärksten betroffen. Besonders vielversprechend sind Antibiotika mit zwei Wirkorten wie Teixobactin-Arg10 und Kombinationen aus zwei Antibiotika. In dieser Dissertation wurde das erste Mal das synthetisch hergestellte Teixobactin-Arg10 mittels einer der modernen OMICS-Techniken untersucht. Die vorliegende umfassende Metabolom-Studie bietet wertvolle Erkenntnisse für Forscher, die an der Identifizierung neuer antibakterieller Substanzen arbeiten.
Insgesamt tragen die Ergebnisse der Dissertation zu einem besseren Verständnis der bakteriellen Physiologie bei.
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.
Charakterisierung der Expression und Funktion metabolischer Enzyme im humanen intestinalen Gewebe
(2019)
Bei der Arzneimittelentwicklung liegt der Fokus nicht nur auf der Wirksamkeit und Sicherheit einer pharmakologisch aktiven Substanz, sondern auch auf einer möglichst einfachen, idealerweise oralen Applikation. Um die benötigten Wirkstoffkonzentrationen im Zielorgan zu erreichen, wird die einzunehmende Dosis eines Medikaments in Abhängigkeit der präsystemischen Elimination ermittelt. Inzwischen ist bekannt, dass nicht ausschließlich der hepatische, sondern auch der intestinale Stoffwechsel die orale Bioverfügbarkeit eines Medikaments wesentlich beeinflussen kann. Arzneistoffe, die während der Darmpassage einer starken Metabolisierung unterliegen, sind zudem prädestiniert für unerwünschte Interaktionen mit anderen Substanzen, welche die entsprechenden Stoffwechselenzyme hemmen oder induzieren. Für die Abschätzung pharmakokinetischer Parameter eines neuen Wirkstoffs sind daher Kenntnisse zur Expression sowie Funktion klinisch relevanter intestinaler Stoffwechselenzyme von Bedeutung.
Bisher publizierte Daten basieren größtenteils auf der Genexpression, obwohl aufgrund posttranskriptionaler Prozesse nicht zwingend Aussagen zur resultierenden Proteinmenge getroffen werden können. Die verfügbaren Daten zum intestinalen Proteingehalt wurden mittels immunologischer Methoden erhoben, die erhebliche Limitationen in Bezug auf Spezifität, Reproduzierbarkeit und Robustheit aufweisen. Diese Aspekte finden bei den inzwischen etablierten LC-MS/MS-basierten Targeted-Proteomics-Methoden Berücksichtigung. Dazu werden die Proteine einer Messprobe enzymatisch gespalten, um entstehende proteospezifische Peptide zur Quantifizierung der Proteine von Interesse zu nutzen.
Ein Ziel der vorliegenden Arbeit bestand in der Entwicklung und Validierung einer entsprechenden Methode zur gleichzeitigen Bestimmung von CYP1A2, CYP2B6, CYP2C8, CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6, CYP2E1, CYP3A4, CYP3A5, UGT1A1, UGT1A3, UGT2B7 sowie UGT2B15 in biologischen Matrices, welche die aktuell gültigen Leitlinien in Bezug auf Selektivität, Linearität, Richtigkeit, Präzision und Stabilität erfüllt. Bereits bei der ersten Anwendung der Methode zur Quantifizierung der Enzyme in kommerziell erhältlichen und selbst isolierten Mikrosomen zeigte sich, welchen erheblichen Einfluss die Probenvorbereitung auf die ermittelten Proteingehalte hat.
Diese Erkenntnis wurde im Rahmen eines internationalen Projektes bestätigt, bei dem humane Leberproben desselben Ursprungs in diversen Laboren mit den dort etablierten Methoden prozessiert worden sind. Bezogen auf die eingesetzte Gewebemenge ergaben sich bei der Messung der Mikrosomen 6 - 30-fach geringere Enzymgehalte als bei der Analyse des nicht-fraktionierten Gewebes, da die subzelluläre Aufspaltung einer Probe mit erheblichen Proteinverlusten einhergeht. Folglich wurden alle weiteren Untersuchungen zur absoluten Enzymquantifizierung unter Verwendung von filterbasierten Zentrifugaleinheiten (filter aided sample preparation; FASP) mit Gesamtgewebelysatproben durchgeführt. Sowohl die optimierte Probenaufarbeitung als auch die validierte Targeted-Proteomics-Methode fanden bei der Untersuchung der Darmsegmente von 9 Spendern Anwendung, wobei jeweils Gewebe aus dem Duodenum, oberen und unteren Jejunum, Ileum sowie Colon zur Verfügung stand. Von den 13 untersuchten Enzymen wurden in allen Dünndarmabschnitten nur CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6, CYP3A4, CYP3A5, UGT1A1, UGT1A3 und UGT2B7 nachgewiesen, deren Gehalt im Jejunum am höchsten war. Im Colon wurde auf Proteinebene keines der Metabolisierungsenzyme detektiert. Die entsprechenden Genexpressionsdaten dieser 8 Enzyme korrelieren signifikant mit den ermittelten Proteinwerten. Korrespondierend zur fehlenden Nachweisbarkeit der übrigen 5 Enzyme auf Proteinebene waren die Gene CYP2B6, CYP2C8, CYP2E1 sowie UGT2B15 nur sehr geringfügig und CYP1A2 gar nicht exprimiert.
Zur Charakterisierung der metabolischen Aktivität der intestinalen Enzyme wurde eine weitere LC-MS/MS-basierte Methode entwickelt und validiert. Als Modellsubstrate fungierten Diclofenac (CYP2C9), Omeprazol (CYP2C19), Dextromethorphan (CYP2D6), Midazolam (CYP3A), Ezetimib (UGT1A) und Naloxon (UGT2B7). Die begrenzte Verfügbarkeit des intestinalen Gewebes sowie dessen sehr geringer mikrosomaler Proteingehalt stellten besondere Anforderungen an die Sensitivität der Methode. Ihre Eignung zur Charakterisierung der intestinalen Metabolisierungsaktivität wurde bei der Anwendung auf ein jejunales Mikrosomen-Gemisch gezeigt.
Die im Rahmen dieser Arbeit generierten Daten zur Expression klinisch bedeutsamer Metabolisierungsenzyme entlang des humanen Darms tragen zu einem besseren Verständnis des intestinalen First-Pass-Metabolismus bei. Diese Kenntnisse können sowohl bei der Entwicklung neuer Arzneistoffe als auch für die Erstellung von Physiologie-basierten pharmakokinetischen Modellen (PBPK-Modellen) nützlich sein, um die orale Bioverfügbarkeit sowie das Interaktionspotential pharmakologisch aktiver Substanzen abzuschätzen.
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.
Understanding the fundamental mechanisms in the extracellular matrix of cells (ECM) is crucial for the development of drugs and biomaterials. Therefore, an atomistic model of the extracellular matrix is a cost-efficient way to observe influences of drugs, test the effect of mutations or misfolds in proteins or study the properties of fibril or network-forming peptides.
With this thesis, a refined molecular model of an adhesion complex is proposed that contains collagen, fibronectin and the cell receptor integrin. During the building of the model, major new insights are given for each of these proteins and a powerful protein-folding algorithm is
developed.
Central to this thesis are so-called G-quadruplex (G4) nucleic acids. These unusual structures have recently moved into the scientific limelight - mostly due to their prevalence in the human genome. Incidentally, the vast majority of G4-prone sequences is found in telomeric regions and in the promoter sequences of a large number of cancer-related genes.
Furthermore, recent studies suggest a wide applicability of these structures as therapeutic and functional agents, though the technology is still in its infancy with only a few oligonucleotides in clinical trials. Notably, G-quadruplexes are highly polymorphous, exhibiting different topologies and conformations based on sequence, solution condition and molecularity. Therefore, rational design of such structures with specific, topology-encoded functions demands a comprehensive understanding of the underlying folding parameters.
As the folding process is the result of a whole orchestra of parameters with synergistic effects, the herein proposed approach to understand the G4 structural arrangement concentrates on native G4-forming sequences with well-defined topologies. Perturbations of these structures by rational nucleotide substitutions allow for the observation of discrete effects on the folding pathway and on the resulting overall topology.
The method chosen for primary investigation in the following studies on G4 architectures was Nuclear Magnetic Resonance (NMR) as it is the most powerful tool for structure elucidation in liquids. Unique to this technique, it permits the observation of discrete species in mixtures by distinct perturbations at the atomic level as well as valuable insights into the molecular dynamics.
The included publications study the effects of site-specific bromine substitutions on native quadruplex scaffolds, thereby successfully inducing new structures. These expand the G4 structural landscape but also enhance our understanding of the driving forces in G4 folding.
Proteostasis is critical for cells to maintain the balance between protein synthesis, quality control, and degradation. This is particularly important for myeloid cells of the central nervous system as their immunological function relies on proper intracellular protein turnover by the ubiquitin-proteasome system. Accordingly, disruption of proteasome activity due to, e.g., loss-of-function mutations within genes encoding proteasome subunits, results in systemic autoinflammation. On the molecular level, pharmacological inhibition of proteasome results in endoplasmic reticulum (ER) stress-activated unfolded protein response (UPR) as well as an induction of type I interferons (IFN). Nevertheless, our understanding as to whether and to which extent UPR signaling regulates type I IFN response is limited. To address this issue, we have tested the effects of proteasome dysfunction upon treatment with proteasome inhibitors in primary murine microglia and microglia-like cell line BV-2. Our data show that proteasome impairment by bortezomib is a stimulus that activates all three intracellular ER-stress transducers activation transcription factor 6, protein kinase R-like endoplasmic reticulum kinase and inositol-requiring protein 1 alpha (IRE1α), causing a full activation of the UPR. We further demonstrate that impaired proteasome activity in microglia cells triggers an induction of IFNβ1 in an IRE1-dependent manner. An inhibition of the IRE1 endoribonuclease activity significantly attenuates TANK-binding kinase 1-mediated activation of type I IFN. Moreover, interfering with TANK-binding kinase 1 activity also compromised the expression of C/EBP homologous protein 10, thereby emphasizing a multilayered interplay between UPR and type IFN response pathway. Interestingly, the induced protein kinase R-like endoplasmic reticulum kinase-activation transcription factor 4-C/EBP homologous protein 10 and IRE1-X-box-binding protein 1 axes caused a significant upregulation of proinflammatory cytokine interleukin 6 expression that exacerbates STAT1/STAT3 signaling in cells with dysfunctional proteasomes. Altogether, these findings indicate that proteasome impairment disrupts ER homeostasis and triggers a complex interchange between ER-stress sensors and type I IFN signaling, thus inducing in myeloid cells a state of chronic inflammation.
Abstract
The efficient multifunctionalization by one‐pot or cascade catalytic systems has developed as an important research field, but is often challenging due to incompatibilities or cross‐reactivities of the catalysts leading to side product formation. Herein we report the stereoselective preparation of cis‐ and trans‐4‐aminocyclohexanol from the potentially bio‐based precursor 1,4‐cyclohexanedione. We identified regio‐ and stereoselective enzymes catalyzing reduction and transamination of the diketone, which can be performed in a one‐pot sequential or cascade mode. For this, we identified regioselective keto reductases for the selective mono reduction of the diketone to give 4‐hydroxycyclohexanone. The system is modular and by choosing stereocomplementary amine transaminases, both cis‐ and trans‐4‐aminocyclohexanol were synthesized with good to excellent diastereomeric ratios. Furthermore, we identified an amine transaminase that produces cis‐1,4‐cyclohexanediamine with diastereomeric ratios >98 : 2. These examples highlight that the high selectivity of enzymes enable short and stereoselective cascade multifunctionalizations to generate high‐value building blocks from renewable starting materials.
Introduction
Abstract
Erucic (22:1, cisΔ13) and gondoic acids (20:1, cisΔ11) are building blocks obtained from renewable sources for the oleochemical industry. Different biocatalytic strategies for the enrichment of these compounds with high recovery yields were developed in our group. Geotrichum candidum lipases (GCL) strongly discriminate against fatty acids longer than 18 carbon atoms. Thus, GCL‐I and ‐II were investigated using hydrolysis or ethanolysis reactions with Crambe and Camelina oils. Hydrolysis was also studied using fatty acid ethyl esters (FAEE) derived from the corresponding oil. Both isoforms were highly selective; however, interesting differences were observed. Although it has been reported that GCL‐I displays a higher preference toward 18 cisΔ9, which is present in the studied oils at high levels, GCL‐II showed higher enrichment values during hydrolysis independent of the substrate used. Hence, enrichments of 87% (Crambe oil) and 82% (Crambe FAEE) for erucic acid and 50% (Camelina oil) and 45% (Camelina FAEE) for gondoic acid, with recovery values between 89% and 99%, were achieved. On the contrary, the best enzyme for ethanolysis was GCL‐I (82% and 41% for erucic and gondoic acid, respectively). In this case, although GCL‐II also displayed good enrichment and recovery levels (77% and 28%, respectively), they were lower compared to the former reactions. In both ethanolysis reactions, the FAEE fraction contained between 92% and 97% of 18 unsaturated fatty acids.
Biocatalytic Production of Amino Carbohydrates through Oxidoreductase and Transaminase Cascades
(2019)
Plant-derived carbohydrates are an abundant renewable re- source. Transformation of carbohydrates into new products, in- cluding amine-functionalized building blocks for biomaterials applications, can lower reliance on fossil resources. Herein, bio- catalytic production routes to amino carbohydrates, including oligosaccharides, are demonstrated. In each case, two-step bio- catalysis was performed to functionalize d-galactose-contain- ing carbohydrates by employing the galactose oxidase from Fusarium graminearum or a pyranose dehydrogenase from
Agaricus bisporus followed by the w-transaminase from Chro- mobacterium violaceum (Cvi-w-TA). Formation of 6-amino-6- deoxy-d-galactose, 2-amino-2-deoxy-d-galactose, and 2-amino- 2-deoxy-6-aldo-d-galactose was confirmed by mass spectrome- try. The activity of Cvi-w-TA was highest towards 6-aldo-d-gal- actose, for which the highest yield of 6-amino-6-deoxy-d-galac- tose (67%) was achieved in reactions permitting simultaneous oxidation of d-galactose and transamination of the resulting 6- aldo-d-galactose.
Genetic Regulation of Liver Metabolites and Transcripts Linking to Biochemical-Clinical Parameters
(2019)
Given the central metabolic role of the liver, hepatic metabolites and transcripts reflect the organismal physiological state. Biochemical-clinical plasma biomarkers, hepatic metabolites, transcripts, and single nucleotide polymorphism (SNP) genotypes of some 300 pigs were integrated by weighted correlation networks and genome-wide association analyses. Network-based approaches of transcriptomic and metabolomics data revealed linked of transcripts and metabolites of the pentose phosphate pathway (PPP). This finding was evidenced by using a NADP/NADPH assay and HDAC4 and G6PD transcript quantification with the latter coding for first limiting enzyme of this pathway and by RNAi knockdown experiments of HDAC4. Other transcripts including ARG2 and SLC22A7 showed link to amino acids and biomarkers. The amino acid metabolites were linked with transcripts of immune or acute phase response signaling, whereas the carbohydrate metabolites were highly enrich in cholesterol biosynthesis transcripts. Genome-wide association analyses revealed 180 metabolic quantitative trait loci (mQTL) (p < 10-4). Trans-4-hydroxy-L-proline (p = 6 × 10-9), being strongly correlated with plasma creatinine (CREA), showed strongest association with SNPs on chromosome 6 that had pleiotropic effects on PRODH2 expression as revealed by multivariate analysis. Consideration of shared marker association with biomarkers, metabolites, and transcripts revealed 144 SNPs associated with 44 metabolites and 69 transcripts that are correlated with each other, representing 176 mQTL and expression quantitative trait loci (eQTL). This is the first work to report genetic variants associated with liver metabolite and transcript levels as well as blood biochemical-clinical parameters in a healthy porcine model. The identified associations provide links between variation at the genome, transcriptome, and metabolome level molecules with clinically relevant phenotypes. This approach has the potential to detect novel biomarkers displaying individual variation and promoting predictive biology in medicine and animal breeding.