Studies on membrane properties of cholesterol and 3-beta modified sterol analogs

Cholesterol (Chol) is an important lipid in cellular membranes functioning both as a membrane fluidity regulator, permeability regulator and co-factor for some membrane proteins, e.g. G-protein coupled receptors. It also participates in the formation of signaling platforms and gives the membrane more mechanical strenght to prevent osmotic lysis of the cell. The sterol structure is very conserved and already minor structural modifications can completely abolish its membrane functions. The right interaction with adjacent lipids and the preference of certain lipid structures over others are also key factors in determining the membrane properties of cholesterol. Because of the many important properties of cholesterol it is of value to understand the forces and structural properties that govern the membrane behavior of this sterol. In this thesis we have used established fluorescence spectroscopy methods to study the membrane behavior of both cholesterol and some of its 3β-modified analogs. Using several fluorescent probes we have established how the acyl chain order of the two main lipid species, sphingomyelin (SM) and phosphatidylcholine (PC) affect sterol partitioning as well as characterized the membrane properties of 3β-aminocholesterol and cholesteryl phosphocholine. We concluded that cholesterol prefers SM over PC at equal acyl chain order, indicating that other structural properties besides the acyl chain order are important for sphingomyelin-sterol interactions. A positive charge at the 3β position only caused minor changes in the sterol membrane behavior compared to cholesterol. A large phosphocholine head group caused a disruption in membrane packing together with other membrane lipids with large head groups, but was also able to form stable fluid bilayers together with ceramide and cholesterol. The Ability of the large head group sterol to form bilayers together with ceramide was further explored in the last paper where cholesteryl phosphocholine/ceramide (Chol-PC/Cer) complexes were successfully used to transfer ceramide into cultured cells.

Fluorescence in situ hybridization of potato somatohaploids and their somatic hybrid donors using two Solanum brevidens specific sequences

Selostus: Perunan somaattisten hybridien ja niiden somatohaploidien fluoresenssi in situ -hybridisaatio Solanum brevidens -lajin spesifisten sekvenssien avulla

Measurement of the tree root growth using electrical impedance spectroscopy

Abstract

Characterization of board impurities with a Raman device

Erilaisia epäpuhtauksia kulkeutuu paperinvalmistusprosessiin ja monenlaisia saostumia muodostuu paperinvalmistuksen prosesseissa. Epäpuhtaudet voivat aiheuttaa prosessiongelmia sekä alentaa tuotteen laatua. Epäpuhtauksien alkuperän ja koostumuksen selvittäminen edellyttää usein erilaisten analyysimenetelmien käyttöä. Epäpuhtauksien luokittelu on useasti välttämätöntä ennen tarkempaa kemiallista analyysia. Paperinvalmistuksen epäpuhtauksien kvalitatiiviseen luokitteluun on yleisimmin käytetty mikroskopian, IR-spektroskopian ja analyyttisen pyrolyysin menetelmiä. Raman spektroskopia on harvinaisempi menetelmä paperiteollisuuden tutkimuksessa. Raman instrumenttien kehittyminen on ollut voimakasta viimeisen vuosikymmenen aikana. Raman spektroskopia onkin osoittanut mandollisuutensa polymeerien, lääketeollisuuden ja polttoaineteollisuuden tutkimuksissa. Tässä työssä tutkittiin erään elintarvikepakkauskartongin epäpuhtauksia Raman spektroskoopilla. Työn tavoitteena oli selvittää Raman analyysin käyttökelpoisuutta kartongin epäpuhtauksien online-luokittelussa. Tutkimukset suoritettiin Spectracoden RP-1 Raman instrumentilla. Tutkimukset osoittivat, että näytteen fluoresenssi ja näytteen hajoaminen asettavat rajoituksia epäpuhtauksien Raman analyysille. Epäpuhtauksien online-tunnistaminen toimii käytettäessä suuria lasertehoja ja säteilytysaikoja. Näytteiden laserherkkyys ja fluoresenssi rajoittavat kuitenkin suurien laiteparametrien käyttöä. Laiteparametrien pienentäminen johti mittauksien signaali-kohina suhteen alenemiseen, mikä puolestaan aiheutti online-tunnistuksen toimimattomuuden.

In-line Monitoring of Precipitation Process using Raman Spectroscopy and ATR-FTIR

Polymorfian jatkuva seuranta saostuksessa on hyödyllistä suunnittelun ja kidetuotteen ominaisuuksien sekä kiteytystä seuraavan jatkoprosessoinnin kannalta. Tässä diplomityössä on tutkittu L-glutamiinihapon kahden (- ja ß) polymorfimuodon liukoisuuden riippuvuutta pH:sta ja lämpötilasta.Tulokseksi saatiin, että kummankin polymorfin liukoisuus kasvoi sekä pH:ta ettälämpötilaa kasvatettaessa. ¿¿muodon liukoisuus oli korkeampi kuin ß-muodon liukoisuus valituilla pH-arvoilla eri lämpötiloissa. Lisäksi seurattiin puolipanostoimisen saostuksen aikana 1-litraisella laboratoriokiteyttimellä muodostuvan kiteisen polymorfiseoksen koostumusta hyödyntäen in-line Raman-spektroskopiaa. Myös liuoksen pH-muutosta seurattiin sekä liuoksen koostumusta ATR FTIR-spektroskopian (Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared Spectrometer) avulla. Tutkittavina muuttujina olivat mm. sekoitusintensiteetti, sekoitintyyppi, reaktanttien (natriumglutamaatti ja rikkihappo) konsentraatiot sekä syötetyn rikkihapon syöttökohta kiteyttimessä. Työhön sisältyi 36 koetta ja osa kokeista toistettiin tulosten oikeellisuuden tarkistamiseksi. Inline-mittaustulosten verifioimiseksi kidenäytteet analysoitiin myös käyttämällä konfokaali Raman-mikroskooppia. Kidemorfologiaa tutkittiin SEM-kuvien (Scanning Eletronic Microscope) avulla. Työ osoitti, että Raman-spektroskopia on joustava ja luotettava menetelmä saostusprosessin jatkuvaan seurantaan L-glutamiinihapolla. Alhaiset lähtöainepitoisuudet tuottivat pääasiassa ¿¿muotoa, kun taas alhainen sekoitusteho edisti ß-muodon muodostumista. Syöttökohta vaikutti merkittävästi polymorfiaan. Kun rikkihapon syöttökohta oli epäideaalisesti sekoitetulla vyöhykkeellä, nousi ylikylläisyystaso korkeaksi ja päätuote oli tällöin ß-muotoa. 6-lapainen vinolapaturbiini (nousukulma 45o) ja 6-lapainen levyturbiini eivät merkittävästi poikenneet toisistaan muodostuvien polymorfien osalta.

Monitoring of crystallization processes by using infrared spectroscopy and multivariate methods

Väitöstutkimuksessa on tarkasteltuinfrapunaspektroskopian ja monimuuttujaisten aineistonkäsittelymenetelmien soveltamista kiteytysprosessin monitoroinnissa ja kidemäisen tuotteen analysoinnissa. Parhaillaan kiteytysprosessitutkimuksessa maailmanlaajuisesti tutkitaan intensiivisesti erilaisten mittausmenetelmien soveltamista kiteytysprosessin ilmiöidenjatkuvaan mittaamiseen niin nestefaasista kuin syntyvistä kiteistäkin. Lisäksi tuotteen karakterisointi on välttämätöntä tuotteen laadun varmistamiseksi. Erityisesti lääkeaineiden valmistuksessa kiinnostusta tämäntyyppiseen tutkimukseen edistää Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkeaineviraston (FDA) prosessianalyyttisiintekniikoihin (PAT) liittyvä ohjeistus, jossa määritellään laajasti vaatimukset lääkeaineiden valmistuksessa ja tuotteen karakterisoinnissa tarvittaville mittauksille turvallisten valmistusprosessien takaamiseksi. Jäähdytyskiteytyson erityisesti lääketeollisuudessa paljon käytetty erotusmenetelmä kiinteän raakatuotteen puhdistuksessa. Menetelmässä puhdistettava kiinteä raaka-aine liuotetaan sopivaan liuottimeen suhteellisen korkeassa lämpötilassa. Puhdistettavan aineen liukoisuus käytettävään liuottimeen laskee lämpötilan laskiessa, joten systeemiä jäähdytettäessä liuenneen aineen konsentraatio prosessissa ylittää liukoisuuskonsentraation. Tällaiseen ylikylläiseen systeemiin pyrkii muodostumaan uusia kiteitä tai olemassa olevat kiteet kasvavat. Ylikylläisyys on yksi tärkeimmistä kidetuotteen laatuun vaikuttavista tekijöistä. Jäähdytyskiteytyksessä syntyvän tuotteen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa mm. liuottimen valinnalla, jäähdytyprofiililla ja sekoituksella. Lisäksi kiteytysprosessin käynnistymisvaihe eli ensimmäisten kiteiden muodostumishetki vaikuttaa tuotteen ominaisuuksiin. Kidemäisen tuotteen laatu määritellään kiteiden keskimääräisen koon, koko- ja muotojakaumansekä puhtauden perusteella. Lääketeollisuudessa on usein vaatimuksena, että tuote edustaa tiettyä polymorfimuotoa, mikä tarkoittaa molekyylien kykyä järjestäytyä kidehilassa usealla eri tavalla. Edellä mainitut ominaisuudet vaikuttavat tuotteen jatkokäsiteltävyyteen, kuten mm. suodattuvuuteen, jauhautuvuuteen ja tabletoitavuuteen. Lisäksi polymorfiamuodolla on vaikutusta moniin tuotteen käytettävyysominaisuuksiin, kuten esim. lääkeaineen liukenemisnopeuteen elimistössä. Väitöstyössä on tutkittu sulfatiatsolin jäähdytyskiteytystä käyttäen useita eri liuotinseoksia ja jäähdytysprofiileja sekä tarkasteltu näiden tekijöiden vaikutustatuotteen laatuominaisuuksiin. Infrapunaspektroskopia on laajalti kemian alan tutkimuksissa sovellettava menetelmä. Siinä mitataan tutkittavan näytteenmolekyylien värähtelyjen aiheuttamia spektrimuutoksia IR alueella. Tutkimuksessa prosessinaikaiset mittaukset toteutettiin in-situ reaktoriin sijoitettavalla uppoanturilla käyttäen vaimennettuun kokonaisheijastukseen (ATR) perustuvaa Fourier muunnettua infrapuna (FTIR) spektroskopiaa. Jauhemaiset näytteet mitattiin off-line diffuusioheijastukseen (DRIFT) perustuvalla FTIR spektroskopialla. Monimuuttujamenetelmillä (kemometria) voidaan useita satoja, jopa tuhansia muuttujia käsittävä spektridata jalostaa kvalitatiiviseksi (laadulliseksi) tai kvantitatiiviseksi (määrälliseksi) prosessia kuvaavaksi informaatioksi. Väitöstyössä tarkasteltiin laajasti erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltamista mahdollisimman monipuolisen prosessia kuvaavan informaation saamiseksi mitatusta spektriaineistosta. Väitöstyön tuloksena on ehdotettu kalibrointirutiini liuenneen aineen konsentraation ja edelleen ylikylläisyystason mittaamiseksi kiteytysprosessin aikana. Kalibrointirutiinin kehittämiseen kuuluivat aineiston hyvyyden tarkastelumenetelmät, aineiston esikäsittelymenetelmät, varsinainen kalibrointimallinnus sekä mallin validointi. Näin saadaan reaaliaikaista informaatiota kiteytysprosessin ajavasta voimasta, mikä edelleen parantaa kyseisen prosessin tuntemusta ja hallittavuutta. Ylikylläisyystason vaikutuksia syntyvän kidetuotteen laatuun seurattiin usein kiteytyskokein. Työssä on esitetty myös monimuuttujaiseen tilastolliseen prosessinseurantaan perustuva menetelmä, jolla voidaan ennustaa spontaania primääristä ytimenmuodostumishetkeä mitatusta spektriaineistosta sekä mahdollisesti päätellä ydintymisessä syntyvä polymorfimuoto. Ehdotettua menetelmää hyödyntäen voidaan paitsi ennakoida kideytimien muodostumista myös havaita mahdolliset häiriötilanteet kiteytysprosessin alkuhetkillä. Syntyvää polymorfimuotoa ennustamalla voidaan havaita ei-toivotun polymorfin ydintyminen,ja mahdollisesti muuttaa kiteytyksen ohjausta halutun polymorfimuodon saavuttamiseksi. Monimuuttujamenetelmiä sovellettiin myös kiteytyspanosten välisen vaihtelun määrittämiseen mitatusta spektriaineistosta. Tämäntyyppisestä analyysistä saatua informaatiota voidaan hyödyntää kiteytysprosessien suunnittelussa ja optimoinnissa. Väitöstyössä testattiin IR spektroskopian ja erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltuvuutta kidetuotteen polymorfikoostumuksen nopeaan määritykseen. Jauhemaisten näytteiden luokittelu eri polymorfeja sisältäviin näytteisiin voitiin tehdä käyttäen tarkoitukseen soveltuvia monimuuttujaisia luokittelumenetelmiä. Tämä tarjoaa nopean menetelmän jauhemaisen näytteen polymorfikoostumuksen karkeaan arviointiin, eli siihen mitä yksittäistä polymorfia kyseinen näyte pääasiassa sisältää. Varsinainen kvantitatiivinen analyysi, eli sen selvittäminen paljonko esim. painoprosentteina näyte sisältää eri polymorfeja, vaatii kaikki polymorfit kattavan fysikaalisen kalibrointisarjan, mikä voi olla puhtaiden polymorfien huonon saatavuuden takia hankalaa.

Use of the Optical Cantilever Microphone in Photoacoustic Spectroscopy

A novel cantilever pressure sensor was developed in the Department of Physics at the University of Turku in order to solve the sensitivity problems which are encountered when condenser microphones are used in photoacoustic spectroscopy. The cantilever pressure sensor, combined with a laser interferometer for the measurement of the cantilever movements, proved to be highly sensitive. The original aim of this work was to integrate the sensor in a photoacoustic gas detector working in a differential measurement scheme. The integration was made successfully into three prototypes. In addition, the cantilever was also integrated in the photoacoustic FTIR measurement schemes of gas-, liquid-, and solid-phase samples. A theoretical model for the signal generation in each measurement scheme was created and the optimal celldesign discussed. The sensitivity and selectivity of the differential method were evaluated when a blackbody radiator and a mechanical chopper were used with CO₂, CH4, CO, and C2H4 gases. The detection limits were in the sub-ppm level for all four gases with only a 1.3 second integration time and the cross interference was well below one percent for all gas combinations other than those between hydrocarbons. Sensitivity with other infrared sources was compared using ethylene as an example gas. In the comparison of sensitivity with different infrared sources the electrically modulated blackbody radiator gave a 35 times higher and the CO2-laser a 100 times lower detection limit than the blackbody radiator with a mechanical chopper. As a conclusion, the differential system is well suited to rapid single gas measurements. Gas-phase photoacoustic FTIR spectroscopy gives the best performance, when several components have to be analyzed simultaneously from multicomponent samples. Multicomponent measurements were demonstrated with a sample that contained different concentrations of CO₂, H₂O, CO, and four different hydrocarbons. It required an approximately 10 times longer measurement time to achieve the same detection limit for a single gas as with the differential system. The properties of the photoacoustic FTIR spectroscopy were also compared to conventional transmission FTIR spectroscopy by simulations. Solid- and liquid-phase photoacoustic FTIR spectroscopy has several advantages compared to other techniques and therefore it also has a great variety of applications. A comparison of the signal-to-noise ratio between photoacoustic cells with a cantilever microphone and a condenser microphone was done with standard carbon black, polyethene, and sunflower oil samples. The cell with the cantilever microphone proved to have a 5-10 times higher signal-to-noise ratio than the reference detector, depending on the sample. Cantilever enhanced photoacoustics will be an effective tool for gas detection and analysis of solid- and liquid-phase samples. The preliminary prototypes gave good results in all three measurement schemes that were studied. According to simulations, there are possibilities for further enhancement of the sensitivity, as well as other properties, of each system.

Lanthanide Chelates as Donors in Fluorescence Resonance Energy Transfer: Exciting Prospects for Bioaffinity Assay Detection

Fluorescence resonance energy transfer (FRET) is a non-radiative energy transfer from a fluorescent donor molecule to an appropriate acceptor molecule and a commonly used technique to develop homogeneous assays. If the emission spectrum of the donor overlaps with the excitation spectrum of the acceptor, FRET might occur. As a consequence, the emission of the donor is decreased and the emission of the acceptor (if fluorescent) increased. Furthermore, the distance between the donor and the acceptor needs to be short enough, commonly 10-100 Å. Typically, the close proximity between the donor and the acceptor is achieved via bioaffinity interactions e.g. antibody binding antigen. Large variety of donors and acceptors exist. The selection of the donor/acceptor pair should be done not only based on the requirements of FRET but also the performance expectancies and the objectives of the application should be considered. In this study, the exceptional fluorescence properties of the lanthanide chelates were employed to develop two novel homogeneous immunoassays: a non-competitive hapten (estradiol) assay based on a single binder and a dual-parametric total and free PSA assay. In addition, the quenching efficiencies and energy transfer properties of various donor/acceptor pairs were studied. The applied donors were either europium(III) or terbium(III) chelates; whereas several organic dyes (both fluorescent and quenchers) acted as acceptors. First, it was shown that if the interaction between the donor/acceptor complexes is of high quality (e.g. biotin-streptavidin) the fluorescence of the europium(III) chelate could be quenched rather efficiently. Furthermore, the quenching based homogeneous non-competitive assay for estradiol had significantly better sensitivity (~67 times) than a corresponding homogeneous competitive assay using the same assay components. Second, if the acceptors were chosen to emit at the emission minima of the terbium(III) chelate, several acceptor emissions could be measured simultaneously without significant cross-talk from other acceptors. Based on these results, the appropriate acceptors were chosen for the dual-parameter assay. The developed homogeneous dual-parameter assay was able to measure both total and free PSA simultaneously using a simple mix and measure protocol. Correlation of this assay to a heterogeneous single parameter assay was excellent (above 0.99 for both) when spiked human plasma samples were used. However, due to the interference of the sample material, the obtained concentrations were slightly lower with the homogeneous than the heterogeneous assay, especially for the free PSA. To conclude, in this work two novel immunoassay principles were developed, which both are adaptable to other analytes. However, the hapten assay requires a rather good antibody with low dissociation rate and high affinity; whereas the dual-parameter assay principle is applicable whenever two immunometric complexes can form simultaneously, provided that the requirements of FRET are fulfilled.

Photoinhibition of Photosystem II. Kinetics, Photoprotection and Mechanism

Photosystem II (PSII) is susceptible to light-induced damage defined as photoinhibition. In natural conditions, plants are capable of repairing the photoinhibited PSII by on-going degradation and re-synthesis of the D1 reaction centre protein of PSII. Photoinhibition is induced by both visible and ultraviolet light and photoinhibition occurs under all light intensities with the same efficiency per photon. In my thesis work, I studied the reaction kinetics and mechanism of photoinhibition of PSII, as well as photoprotection in leaves of higher plants. Action spectroscopy was used to identify photoreceptors of photoinhibition. I found that the action spectrum of photoinhibition in vivo shows resemblance to the absorption spectra of manganese model compounds of the oxygen evolving complex (OEC) suggesting a role for manganese as a photoreceptor of photoinhibition under UV and visible light. In order to study the protective effect of non-photochemical quenching, the action spectrum was measured from leaves of wild type Arabidopsis thaliana and two mutants impaired in nonphotochemical quenching of chlorophyll a excitations. The findings of action spectroscopy and simulations of chlorophyll-based photoinhibition mechanisms suggested that quenching of antenna excitations protects less efficiently than would be expected if antenna chlorophylls were the only photoreceptors of photoinhibition. The reaction kinetics of prolonged photoinhibition was studied in leaves of Cucurbita maxima and Capsicum annuum. The results indicated that photoinhibitory decrease in both the oxygen evolution activity and ratio of variable to maximum fluorescence follows firstorder kinetics in vivo. The persistence of first-order kinetics suggests that already photoinhibited reaction centres do not protect against photoinhibition and that the mechanism of photoinhibition does not have a reversible intermediate. When Cucurbita maxima leaves were photoinhibited with saturating single-turnover flashes and continuous light, the light response curve of photoinhibition was found to be essentially a straight line with both types of illumination, suggesting that similar photoinhibition mechanisms might function during illumination with continuous light and during illumination with short flashes.

Reaaliaikaisen esikäsittelyn kehittäminen hemiselluloosa-analytiikalle

Tämän työn tavoitteena oli kehittää esikäsittelymenetelmä, jolla voidaan reaaliaikaisesti vähentää hydrolysaatin ligniinipitoisuutta ja näin vähentää fluoresenssia hemiselluloosan analysoimisessa. Työn kirjallisuusosassa käsitellään hemiselluloosien rakennetta sekä niiden erottamista puusta, sekä käydään läpi hemiselluloosien käyttömahdollisuuksia ja niiden reaaliaikaiseen analysointiin soveltuvia tekniikoita. Kokeellisessa osassa tutkittiin ultrasuodatusta sekä adsorptiohartsikäsittelyä hydrolysaatin esikäsittelynä ennen Raman-analyysiä. Esikäsittelyn tavoitteena oli vähentää Raman-analyysia häiritsevää ligniinistä johtuvaa fluoresenssia. Suodatukset tehtiin Amicon-suodatuslaitteistolla käyttäen viittä eri suodatuskalvoa. Hartsikäsittelyissä käytettiin Amberliten XAD16 ja XAD7HP adsorbtiohartseja. Hartsisuhteina käytettiin 1/80, 1/40, 1/19 ja 1/13. Käytetyt ultrauodatuskalvot osoittautuivat suodatusnäytteistä tehtyjen HPLC-analyysien perusteella cut-off-luvultaan liian pieniksi, sillä hemiselluloosien ja ligniinin erotus ei onnistunut, vaan molemmat väkevöityivät konsentraattiin. Hartsikäsittelyillä saatiin ligniiniä poistettua aiheuttamatta hemiselluloosahäviöitä. Parhaimmillaan ligniinin poistumista kuvaava UV-absorbanssi pieneni hartsilla XAD16 37 % ja hartsilla XAD7 25 %. Vaikka ligniinipitoisuus aleni, näytteet fluoresoivat edelleen voimakkaasti Raman-mittauksessa. Tulosten perusteella näyttäisi siltä, että hartsikäsittelyä optimoimalla analyysiä häiritsevää fluoresenssia olisi edelleen mahdollista vähentää.

Positron measurements in Mg-doped GaN and development of digital Doppler broadening spectroscopy

In this work parameters of Mg-doped GaN samples were studied using positron annihilation spectroscopy and analyzed. It is shown that gallium vacancies exist in an unintentionally doped sample. Next, the sample with higher concentration of Mg and low growth temperature contains vacancy clusters. In case of low concentration of Mg the growth temperature does not affect the formation of defects. Analog electronics can be replaced by a modern digital device. While promising a high quantity of benefits, the performance of these digitizers requires thorough adjustment. A 14-bit two channel digitizer has been tested in order to achieve better performance than the one of a traditional analog setup, and the adjustment process is described. It has been shown that the digital device is unable to achieve better energy resolution, but it is quite close to the corresponding attribute of the available analog system, which had been used for measurements in Mg-doped GaN.

Investigation of the two-photon induced fluorescence in Rb vapour excited by Ti:Sapphire femtosecond laser pulses

In this work we report the observation of the blue visible fluorescence at 420 nm in rubidium vapour as a result of two-photon absorption excited by femtosecond laser pulses 790 nm. After experimental investigation of the spa-tial and spectral characteristics of the obtained emission we can claim that mechanism of this coherent fluorescence at 420 nm was not caused by ampli-fied spontaneous emission, but represents the nondegenerate four-wave mixing. As a probable outcome of this investigation an opportunity of creation an ultrafast all-optical switcher might appear.

Two-Photon Excited Fluorescence Detection Technology in Screening for Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus

Control of the world-wide spread of methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) has been unsuccessful in most developed countries. A few countries have been able to maintain a low MRSA prevalence, plausibly due to their strict MRSA control policies. Such policies require wide-scale screening of patients with suspected MRSA colonization, in order to nurse the MRSA-positive patients in contact isolation. The aim of this study was to develop and introduce a 2-photon excited fluorescence detection (TPX) technique for screening of MRSA directly from clinical samples. The assay principle involves specific online immunometric monitoring of S. aureus growth under selective antibiotic pressure. After the novel TPX approach had been set up, its applicability for the detection of MRSA was evaluated using a large MRSA collection including practically all epidemic MRSA strains identified in Finland between 1991 and 2009. The TPX assay was found both sensitive (97.9%) and specific (94.1%) in this epidemiological setting, illustrating that the method is tolerant to wide biological variation as well as to environments with rapidly emerging MRSA strains. When MRSA was screened directly from colonization samples, all patients positive for MRSA by conventional methods were positive also by the TPX assay. The assay capacity was 48 samples per a test run, and the median time required for confirmation of a true-positive screening test result was 3 h 26 min. Collectively, the findings presented in this thesis suggest that the TPX MRSA screening assay could be applicable for direct screening of MRSA colonization samples without any prior steps of isolation. This can potentially mean that contact isolation of suspected carriers testing negative could be discontinued earlier, thereby reducing the costs and burden associated with the containment of MRSA. In case of infection, a positive test result would ensure an early onset of effective therapy.

Switchable lanthanide fluorescence probes in homogenous molecular diagnostics

The number of molecular diagnostic assays has increased tremendously in recent years.Nucleic acid diagnostic assays have been developed, especially for the detection of human pathogenic microbes and genetic markers predisposing to certain diseases. Closed-tube methods are preferred because they are usually faster and easier to perform than heterogenous methods and in addition, target nucleic acids are commonly amplified leading to risk of contamination of the following reactions by the amplification product if the reactions are opened. The present study introduces a new closed-tube switchable complementation probes based PCR assay concept where two non-fluorescent probes form a fluorescent lanthanide chelate complex in the presence of the target DNA. In this dual-probe PCR assay method one oligonucleotide probe carries a non-fluorescent lanthanide chelate and another probe a light absorbing antenna ligand. The fluorescent lanthanide chelate complex is formed only when the non-fluorescent probes are hybridized to adjacent positions into the target DNA bringing the reporter moieties in close proximity. The complex is formed by self-assembled lanthanide chelate complementation where the antenna ligand is coordinated to the lanthanide ion captured in the chelate. The complementation probes based assays with time-resolved fluorescence measurement showed low background signal level and hence, relatively high nucleic acid detection sensitivity (low picomolar target concentration). Different lanthanide chelate structures were explored and a new cyclic seven dentate lanthanide chelate was found suitable for complementation probe method. It was also found to resist relatively high PCR reaction temperatures, which was essential for the PCR assay applications. A seven-dentate chelate with two unoccupied coordination sites must be used instead of a more stable eight- or nine-dentate chelate because the antenna ligand needs to be coordinated to the free coordination sites of the lanthanide ion. The previously used linear seven-dentate lanthanide chelate was found to be unstable in PCR conditions and hence, the new cyclic chelate was needed. The complementation probe PCR assay method showed high signal-to-background ratio up to 300 due to a low background fluorescence level and the results (threshold cycles) in real-time PCR were reached approximately 6 amplification cycles earlier compared to the commonly used FRET-based closed-tube PCR method. The suitability of the complementation probe method for different nucleic acid assay applications was studied. 1) A duplex complementation probe C. trachomatis PCR assay with a simple 10-minute urine sample preparation was developed to study suitability of the method for clinical diagnostics. The performance of the C. trachomatis assay was equal to the commercial C. trachomatis nucleic acid amplification assay containing more complex sample preparation based on DNA extraction. 2) A PCR assay for the detection of HLA-DQA1*05 allele, that is used to predict the risk of type 1 diabetes, was developed to study the performance of the method in genotyping. A simple blood sample preparation was used where the nucleic acids were released from dried blood sample punches using high temperature and alkaline reaction conditions. The complementation probe HLA-DQA1*05 PCR assay showed good genotyping performance correlating 100% with the routinely used heterogenous reference assay. 3) To study the suitability of the complementation probe method for direct measurement of the target organism, e.g., in the culture media, the complementation probes were applied to amplificationfree closed-tube bacteriophage quantification by measuring M13 bacteriophage ssDNA. A low picomolar bacteriophage concentration was detected in a rapid 20- minute assay. The assay provides a quick and reliable alternative to the commonly used and relatively unreliable UV-photometry and time-consuming culture based bacteriophage detection methods and indicates that the method could also be used for direct measurement of other micro-organisms. The complementation probe PCR method has a low background signal level leading to a high signal-to-background ratio and relatively sensitive nucleic acid detection. The method is compatible with simple sample preparation and it was shown to tolerate residues of urine, blood, bacteria and bacterial culture media. The common trend in nucleic acid diagnostics is to create easy-to-use assays suitable for rapid near patient analysis. The complementation probe PCR assays with a brief sample preparation should be relatively easy to automate and hence, would allow the development of highperformance nucleic acid amplification assays with a short overall assay time.

Fluorescence-based imaging of cellular defect in lysinuric protein intolerance (LPI)

Fluoresenssiperusteiset kuvantamismenetelmät lysinurisen proteiini-intoleranssin (LPI) soluhäiriön tutkimuksessa Lysinurinen proteiini-intoleranssi on suomalaiseen tautiperintöön kuuluva autosomaalisesti peit¬tyvästi periytyvä sairaus, jonka aiheuttaa kationisten aminohappojen kuljetushäiriö munuaisten ja ohutsuolen epiteelisolujen basolateraalikalvolla. Aminohappojen kuljetushäiriö johtaa moniin oirei¬siin, kuten kasvuhäiriöön, osteoporoosiin, immuunijärjestelmän häiriöihin, oksenteluun ja runsaspro¬teiinisen ravinnon nauttimisen jälkeiseen hyperammonemiaan. LPI-geeni SLC7A7 (solute carrier family 7 member 7) koodaa y+LAT1 proteiinia, joka on basolateraali¬nen kationisten ja neutraalien aminohappojen kuljettimen kevyt ketju, joka muodostaa heterodimee¬rin raskaan alayksikön 4F2hc:n kanssa. Tällä hetkellä SLC7A7-geenistä tunnetaan yli 50 LPI:n aiheut¬tavaa mutaatiota. Tässä tutkimuksessa erityyppisiä y+LAT1:n LPI-mutaatiota sekä yhdeksän C-terminaalista polypep¬tidiä lyhentävää deleetiota kuvannettiin nisäkässoluissa y+LAT1:n GFP (green fluorescent protein) -fuusioproteiineina. Tulokset vahvistivat muissa soluissa tehdyt havainnot siitä, että 4F2hc on edel¬lytyksenä y+LAT1:n solukalvokuljetukselle, G54V-pistemutantti sijaitsee solukalvolla samoin kuin vil¬lityyppinen proteiini, mutta lukukehystä muuttavia ja proteiinia lyhentäviä mutantteja ei kuljeteta solukalvoon. Lisäksi havaittiin, että poikkeuksena tästä säännöstä ovat y+LAT1-deleetioproteiinit, joista puuttui korkeintaan 50 C-terminaalista aminohappoa. Nämä lyhentyneet kuljettimet sijaitsevat solukalvolla kuten villityyppiset ja LPI-pistemutanttiproteiinit. Dimerisaation osuutta kuljetushäiriön synnyssä tutkittiin käyttämällä fluorescence resonance energy transfer (FRET) menetelmää. Heterodimeerin alayksiköistä kloonattiin ECFP (cyan) ja EYFP (yellow) fuusioproteiinit, joita ilmennettiin nisäkässoluissa, ja FRET mitattiin virtaussytometri-FRET -menetel¬mällä (FACS-FRET). Tutkimuksissa kaikkien mutanttien havaittiin dimerisoituvan yhtä tehokkaasti. Kul¬jetushäiriön syynä ei siten ole alayksiköiden dimerisaation estyminen mutaation seurauksena. Tutkimuksessa havaittiin, että kaikki mutantti-y+LAT1-transfektiot tuottavat vähemmän transfektoi¬tuneita soluja kuin villityyppisen y+LAT1:n transfektiot. Solupopulaatioissa, joihin oli tranfektoitu lu¬kukehystä muuttava tai stop-kodonin tuottava mutaatio havaittiin suurempi kuolleisuus kuin saman näytteen transfektoitumattomissa soluissa, kun taas villityyppistä tai G54V-pistemutanttia tuottavas¬sa solupopulaatiossa oli pienempi kuolleisuus kuin saman näytteen fuusioproteiinia ilmentämättö¬missä soluissa. Tulos osoittaa mutanttiproteiinien erilaiset vaikutukset niitä ilmentäviin soluihin, joko suoraan y+LAT1:n tai 4F2hc:n kautta aiheutuneina. LPIFin SLC7A7 lähetti-RNA:n määrä ei merkittävästi poikennut villityyppisen määrästä fibroblasteissa ja lymfoblasteissa. SLC7A7:n promoottorianalyysissä oli osoitettavissa säätelyalueita geenin 5’ ei-koo¬daavalla alueella sekä ensimmäisten kahden intronin alueella. LPI-taudin tautimekanismin kannalta keskeisin tekijä on kuitenkin aminohappokuljetuksen häiriö, jonka vaikutuksesta näistä aminohapoista riippuvaiset prosessit elimistössä eivät toimi normaalisti. Havaittu virheellinen y+LAT1/4F2hc kuljetuskompleksin sijainti edellyttää lisätutkimuksia sen mahdol¬lisen kliinisen merkityksen selvittämiseksi.