Regioselective modification of galactose-containing polysaccharides in aqueous media

Biorefining is defined as sustainable conversion of biomass into marketable products and energy. Forests cover almost one third of earth’s land area, and account for approximately 40% of the total annual biomass production. In forest biorefining, the wood components are, in addition to the traditional paper and board products, converted into chemicals and biofuels. The major components in wood are cellulose, hemicelluloses, and lignin. The main hemicellulose in softwoods, which are of interest especially for the Nordic forest industry, is O-acetyl galactoglucomannan (GGM). GGM can be isolated in industrial scale from the waste waters of the mechanical pulping process, but is not yet today industrially utilized. In order to attain desired properties of GGM for specific end-uses, chemical and enzymatic modifications can be performed. Regioselective modifications of GGM, and other galactose-containing polysaccharides were done by oxidations, and by combining oxidations with subsequent derivatizations of the formed carbonyl or carboxyl groups. Two different pathways were investigated: activation of the C-6 positions in different sugar units by TEMPO-mediated oxidation, and activation of C-6 position in only galactose-units by oxidation catalyzed by the enzyme galactose oxidase. The activated sites were further selectively derivatized; TEMPO-oxidized GGM by a carbodiimide-mediated reaction forming amides, and GO-oxidized GGM by indium-mediated allylation introducing double or triple bonds to the molecule. In order to better understand the reaction, and to develop a MALDI-TOF-MS method for characterization of regioselectively allylated GGM, α-D-galactopyranoside and raffinose were used as model compounds. All reactions were done in aqueous media. To investigate the applicability of the modified polysaccharides for, e.g., cellulose surface functionalization, their sorption onto pulp fibres was studied. Carboxylation affects the sorption tendency significantly; a higher degree of oxidation leads to lower sorption. By controlling the degree of oxidation of the polysaccharides and the ionic strength of the sorption media, high degrees of sorption of carboxylated polysaccharides onto cellulose could, however, be obtained. Anionic polysaccharides were used as templates during laccase-catalyzed polymerization of aniline, offering a green, chemo-enzymatic route for synthesis of conducting polyaniline (PANI) composite materials. Different polysaccharide templates, such as, native GGM, TEMPO-oxidized GGM, naturally anionic κ-carrageenan, and nanofibrillated cellulose produced by TEMPO-oxidation, were assessed. The conductivity of the synthesized polysaccharide/PANI biocomposites varies depending on the polysaccharide template; κ-CGN, the anionic polysaccharide with the lowest pKa value, produces the polysaccharide/PANI biocomposites with the highest conductivity. The presented derivatization, sorption, and polymerization procedures open new application windows for polysaccharides, such as spruce GGM. The modified polysaccharides and the conducting biocomposites produced provide potential applications in biosensors, electronic devices, and tissue engineering.

Functionalisation of spruce O-acetyl-galactoglucomannans for barrier and composite applications

The increasing use of energy, food, and materials by the growing population in the world is leading to the situation where alternative solutions from renewable carbon resources are sought after. The growing use of plastics depends on the raw-oil production while oil refining are politically governed and required for the polymer manufacturing is not sustainable in terms of carbon footprint. The amount of packaging is also increasing. Packaging is not only utilising cardboard and paper, but also plastics. The synthetic petroleum-derived plastics and inner-coatings in food packaging can be substituted with polymeric material from the renewable resources. The trees in Finnish forests constitute a huge resource, which ought to be utilised more effectively than it is today. One underutilised component of the forests is the wood-derived hemicelluloses, although Spruce Oacetyl-galactoglucomannans (GGMs) have previously shown high potential for material applications and can be recovered in large scale. Hemicelluloses are hydrophilic in their native state, which restrains the use of them for food packaging as non-dry item. To cope with this challenge, we intended to make GGMs more hydrophobic or amphiphilic by chemical grafting and consequently with the focus of using them for barrier applications. Methods of esterification with anhydrides and cationic etherification with a trimethyl ammonium moiety were established. A method of controlled synthesis to obtain the desired properties by the means of altering temperature, reaction time, the quantity of the reagent, and even the solvent for purification of the products was developed. Numerous analytical tools, such as NMR, FTIR, SEC-MALLS/RI, MALDI-TOF-MS, RP-HPLC and polyelectrolyte titration were used to evaluate the products from different perspectives and to acquire parallel proofs of their chemical structure. Modified GGMs with different degree of substitution and the correlating level of hydrophobicity was applied as coatings on cartonboard and on nanofibrillated cellulose-GGM films to exhibit barrier functionality. The water dispersibility in processing was maintained with GGM esters with low DS. The use of chemically functionalised GGM was evaluated for the use as barriers against water, oxygen and grease for the food packaging purposes. The results show undoubtedly that GGM derivatives exhibit high potential to function as a barrier material in food packaging.

Understanding the bioactivity of plant tannins: developments in analysis methods and structure-activity studies

Tannins, typically segregated into two major groups, the hydrolyzable tannins (HTs) and the proanthocyanidins (PAs), are plant polyphenolic secondary metabolites found throughout the plant kingdom. On one hand, tannins may cause harmful nutritional effects on herbivores, for example insects, and hence they work as plants’ defense against plant-eating animals. On the other hand, they may affect positively some herbivores, such as mammals, for example by their antioxidant, antimicrobial, anti-inflammatory or anticarcinogenic activities. This thesis focuses on understanding the bioactivity of plant tannins, their anthelmintic properties and the tools used for the qualitative and quantitative analysis of this endless source of structural diversity. The first part of the experimental work focused on the development of ultra-high performance liquid chromatography−tandem mass spectrometry (UHPLC-MS/MS) based methods for the rapid fingerprint analysis of bioactive polyphenols, especially tannins. In the second part of the experimental work the in vitro activity of isolated and purified HTs and their hydrolysis product, gallic acid, was tested against egg hatching and larval motility of two larval developmental stages, L1 and L2, of a common ruminant gastrointestinal parasite, Haemonchus contortus. The results indicated clear relationships between the HT structure and the anthelmintic activity. The activity of the studied compounds depended on many structural features, including size, functional groups present in the structure, and the structural rigidness. To further understand tannin bioactivity on a molecular level, the interaction between bovine serum albumin (BSA), and seven HTs and epigallocatechin gallate was examined. The objective was to define the effect of pH on the formation on tannin–protein complexes and to evaluate the stability of the formed complexes by gel electrophoresis and MALDI-TOF-MS. The results indicated that more basic pH values had a stabilizing effect on the tannin–protein complexes and that the tannin oxidative activity was directly linked with their tendency to form covalently stabilized complexes with BSA at increased pH.

Effect of physico-chemical conditions and operating parameters on flux and retention of different components in ultrafiltration and nanofiltration fractionation of sweet whey

Tässä väitöstutkimuksessa tutkittiin fysikaaliskemiallisten olosuhteiden ja toimintaparametrien vaikutusta juustoheran fraktiointiin. Kirjallisuusosassa on käsitelty heran ympäristövaikutusta, heran hyödyntämistä ja heran käsittelyä kalvotekniikalla. Kokeellinen osa on jaettu kahteen osaan, joista ensimmäinen käsittelee ultrasuodatusta ja toinen nanosuodatusta juustoheran fraktioinnissa. Ultrasuodatuskalvon valinta tehtiin perustuen kalvon cut-off lukuun, joka oli määritetty polyetyleeniglykoliliuoksilla olosuhteissa, joissa konsentraatiopolariosaatioei häiritse mittausta. Kriittisen vuon konseptia käytettiin sopivan proteiinikonsentraation löytämiseksi ultrasuodatuskokeisiin, koska heraproteiinit ovat tunnetusti kalvoa likaavia aineita. Ultrasuodatuskokeissa tutkittiin heran eri komponenttien suodattumista kalvon läpi ja siihen vaikuttavia ominaisuuksia. Herapermeaattien peptidifraktiot analysoitiin kokoekskluusiokromatografialla ja MALDI-TOF massaspektrometrillä. Kokeissa käytettävien nanosuodatuskalvojen keskimääräinen huokoskoko analysoitiin neutraaleilla liukoisilla aineilla ja zeta-potentiaalit virtauspotentiaalimittauksilla. Aminohappoja käytettiin malliaineina tutkittaessa huokoskoon ja varauksen merkitystä erotuksessa. Aminohappojen retentioon vaikuttivat pH ja liuoksen ionivahvuus sekä molekyylien väliset vuorovaikutukset. Heran ultrasuodatuksessa tuotettu permeaatti, joka sisälsi pieniä peptidejä, laktoosia ja suoloja, nanosuodatettiin happamassa ja emäksisessä pH:ssa. Emäksisissä oloissa tehdyssä nanosuodatuksessa foulaantumista tapahtui vähemmän ja permeaattivuo oli parempi. Emäksisissä oloissa myös selektiivisyys laktoosin erotuksessa peptideistä oli parempi verrattuna selektiivisyyteen happamissa oloissa.

Production, isolation and characterization of bioactive peptides with antihypertensive properties from rapeseed and potato protein

Consumers’ increasing awareness of healthiness and sustainability of food presents a great challenge to food industry to develop healthier, biologically active and sustainable food products. Bioactive peptides derived from food proteins are known to possess various biological activities. Among the activities, the most widely studied are antioxidant activities and angiotensin I converting enzyme (ACE) inhibitory activity related to blood pressure regulation and antihypertensive effects. Meanwhile, vast amounts of byproducts with high protein content are produced in food industry, for example potato and rapeseed industries. The utilization of these by-products could be enhanced by using them as a raw material for bioactive peptides. The objective of the present study was to investigate the production of bioactive peptides with ACE inhibitory and antioxidant properties from rapeseed and potato proteins. Enzymatic hydrolysis and fermentation were utilized for peptide production, ultrafiltration and solid-phase extraction were used to concentrate the active peptides, the peptides were fractionated with liquid chromatographic processes, and the peptides with the highest ACE inhibitory capacities were putified and analyzed with Maldi-Tof/Tof to identify the active peptide sequences. The bioavailability of the ACE inhibitory peptides was elucidated with an in vitro digestion model and the antihypertensive effects in vivo of rapeseed peptide concentrates were investigated with a preventive premise in 2K1C rats. The results showed that rapeseed and potato proteins are rich sources of ACE inhibitory and antioxidant peptides. Enzymatic hydrolysis released the peptides effectively whereas fermentation produced lower activities.The native enzymes of potato were also able to release ACE inhibitory peptides from potato proteins without the addition of exogenous enzymes. The rapeseed peptide concentrate was capable of preventing the development of hypertension in vivo in 2K1C rats, but the quality of rapeseed meal used as raw material was found to affect considerably the antihypertensive effects and the composition of the peptide fraction.

Prosessinhallintajärjestelmä MS Accessilla ja VBA:lla

Tässä insinöörityössä suunniteltiin ja toteutettiin Nokia Oyj:n Networks -toimialaryhmään kuuluvalle toimitusvalmiusprosessin kehitysryhmälle prosessinhallintaohjelmisto. Ohjelmiston tarkoituksena oli yksinkertaistaa prosessiin kuuluvan sähköisen materiaalin päivitystyötä, vähentää prosessipäivityksiin tarvittavaa työmäärää sekä parantaa sähköisen materiaalin käyttöä tuoteprojekteissa. Insinöörityö toteutettiin ohjelmistoprojektina, johon sisältyi tutkimusvaihe, jossa tutkittiin prosessinkehitykseen liittyvää yritystoimintaa ja eri teknologiavaihtoehtoja tuotettavan järjestelmän toteuttamiselle. Työssä esitellään tulokset tutkimuksesta, jossa ensin tutustuttiin prosessikehityksen työkaluihin tilaajan tietojärjestelmissä ja prosessikehitykseen liittyvästä yritystoiminnasta. Toteutusteknologian tutkimuksessa perehdyttiin Microsoft Office -tuoteperheeseen kuuluvien MS Excelin ja MS Accessin sovelluksenkehityksen mahdollisuuksiin. Tutkimuksessa keskityttiin Visual Basic for Applications -ohjelmointiin, sovellusten hajauttamiseen tiedostopalvelinympäristössä sekä Visual Basic for Applications-ohjelmoinnin uudelleenkäytettävyyteen ja ohjelmiston hallittavuuteen. MS Office -tuotteiden vaihtoehtoina tutkittiin itsenäisten Visual Basic-sovellusten, C++- ja Java-sovellusten käyttöä sekä MySQL-tietokantajärjestelmän toimintoja. Työssä käydään myös läpi projektissa tuotettu Prosessinhallintajärjestelmä, joka on MS Accessilla toteutettu VBA-kielinen tietokantasovellus. Järjestelmä toteutettiin tutkimusten perusteella tiedostopalvelinympäristöön soveltuvaksi hajautetuksi tietokantasovellukseksi, johon kuului keskitetyn tietokannan lisäksi hallintasovellus, asiakassovellus ja siihen liittyvä asiakkaan tietokanta. Prosessinhallintajärjestelmä valmistui keväällä 2007 ja otettiin käyttöön Nokia Siemens Networksillä syksyllä 2007.

High Throughput Purification of Combinatorial Libraries by Preparative LC/MS

Viime vuosien nopea kehitys on kiihdyttänyt uusien lääkkeiden kehittämisprosessia. Kombinatorinen kemia on tehnyt mahdolliseksi syntetisoida suuria kokoelmia rakenteeltaan toisistaan poikkeavia molekyylejä, nk. kombinatorisia kirjastoja, biologista seulontaa varten. Siinä molekyylien rakenteeseen liittyvä aktiivisuus tutkitaan useilla erilaisilla biologisilla testeillä mahdollisten "osumien" löytämiseksi, joista osasta saatetaan myöhemmin kehittää uusia lääkeaineita. Jotta biologisten tutkimusten tulokset olisivat luotettavia, on syntetisoitujen komponenttien oltava mahdollisimman puhtaita. Tämän vuoksi tarvitaan HTP-puhdistusta korkealaatuisten komponenttien ja luotettavan biologisen tiedon takaamiseksi. Jatkuvasti kasvavat tuotantovaatimukset ovat johtaneet näiden puhdistustekniikoiden automatisointiin ja rinnakkaistamiseen. Preparatiivinen LC/MS soveltuu kombinatoristen kirjastojen nopeaan ja tehokkaaseen puhdistamiseen. Monet tekijät, esimerkiksi erotuskolonnin ominaisuudet sekä virtausgradientti, vaikuttavat preparatiivisen LC/MS puhdistusprosessin tehokkuuteen. Nämä parametrit on optimoitava parhaan tuloksen saamiseksi. Tässä työssä tutkittiin emäksisiä komponentteja erilaisissa virtausolosuhteissa. Menetelmä kombinatoristen kirjastojen puhtaustason määrittämiseksi LC/MS-puhdistuksen jälkeen optimoitiin ja määritettiin puhtaus joillekin komponenteille eri kirjastoista ennen puhdistusta.

Astrological prognostications in MS Beinecke 558: "Sonday prime drye wether"

Tutkimukseni käsittelee 1500-luvun keskivaiheilla kirjoitettua englanninkielistä käsikirjoitusta (New Haven, Yale University, Beinecke Rare Book and ManuscriptLibrary MS 558). Olen työssäni laatinut käsikirjoituksesta kuvauksen, joka sisältääesimerkiksi listan käsikirjoituksen sisältämistä teksteistä sekä käsikirjoituksen pääkirjurin käsialan paleografisen analyysin. Tarkastelemani käsikirjoitus sisältää paljon astronomista ja astrologista materiaalia. Keskityn erityisesti käsikirjoituksen sisältämiin astrologisiin ennustusteksteihin, jotkaolen jakanut kuuteen kategoriaan. Luokitteluni perustuu osittain Laurel Meansin ja Irma Taavitsaisen tutkimuksiin, jotka koskevat keskienglanninkielistä astrologista materiaalia.Työssäni olen soveltanut näitä tutkimuksia uuden ajan alun materiaaliin. Olen myös tarkastellut käsikirjoituskulttuurin ja kirjapainokulttuurin vuorovaikutusta viideneditoimani esimerkkitekstin kautta. Tutkimustulosteni perusteella käsikirjoituskulttuuria ja kirjapainokulttuuria ei tulisi nähdä vastakohtina. Niiden välistä vuorovaikutusta tulisi jatkossa tutkia tarkemmin, sillä näin voitaisiin saada uutta tietoa tekstien levittämisestä ja leviämisestä sekä Englannissa että koko Euroopassa kirjapainotaidon yleistymisen ensimmäisinä vuosisatoina. Tällaisessa tutkimuksessa tulisi käyttää niin määrällisiä kuin laadullisiakin menetelmiä ja ottaa huomioon kirjojen luonne sekä henkisinä ja taiteellisina tuotoksina että fyysisinä esineinä.

Simplified sample handing in mass spectrometry based protein research - focus on protein phosphorylation

The human genome comprises roughly 20 000 protein coding genes. Proteins are the building material for cells and tissues, and proteins are functional compounds having an important role in many cellular responses, such as cell signalling. In multicellular organisms such as humans, cells need to communicate with each other in order to maintain a normal function of the tissues within the body. This complex signalling between and within cells is transferred by proteins and their post-translational modifications, one of the most important being phosphorylation. The work presented here concerns the development and use of tools for phosphorylation analysis. Mass spectrometers have become essential tools to study proteins and proteomes. In mass spectrometry oriented proteomics, proteins can be identified and their post-translational modifications can be studied. In this Ph.D. thesis the objectives were to improve the robustness of sample handling methods prior to mass spectrometry analysis for peptides and their phosphorylation status. The focus was to develop strategies that enable acquisition of more MS measurements per sample, higher quality MS spectra and simplified and rapid enrichment procedures for phosphopeptides. Furthermore, an objective was to apply these methods to characterize phosphorylation sites of phosphopeptides. In these studies a new MALDI matrix was developed which allowed more homogenous, intense and durable signals to be acquired when compared to traditional CHCA matrix. This new matrix along with other matrices was subsequently used to develop a new method that combines multiple spectra from different matrises from identical peptides. With this approach it was possible to identify more phosphopeptides than with conventional LC/ESI-MS/MS methods, and to use 5 times less sample. Also, phosphopeptide affinity MALDI target was prepared to capture and immobilise phosphopeptides from a standard peptide mixture while maintaining their spatial orientation. In addition a new protocol utilizing commercially available conductive glass slides was developed that enabled fast and sensitive phosphopeptide purification. This protocol was applied to characterize the in vivo phosphorylation of a signalling protein, NFATc1. Evidence for 12 phosphorylation sites were found, and many of those were found in multiply phosphorylated peptides

MS-potilaiden kognitiiviset häiriöt ja PASAT-testissä suoriutuminen

Eija Rosti-Otajärven väitöskirja Cognitive deficits and the Paced Auditory Serial Addition Test performance among patients with multiple sclerosis (Helsingin yliopisto 2009).