Femtosecond imaging-mode laser-induced breakdown spectroscopy

Many nonlinear optical microscopy techniques based on the high-intensity nonlinear phenomena were developed recent years. A new technique based on the minimal-invasive in-situ analysis of the specific bound elements in biological samples is described in the present work. The imaging-mode Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) is proposed as a combination of LIBS, femtosecond laser material processing and microscopy. The Calcium distribution in the peripheral cell wall of the sunflower seedling (Helianthus Annuus L.) stem is studied as a first application of the imaging-mode LIBS. At first, several nonlinear optical microscopy techniques are overviewed. The spatial resolution of the imaging-mode LIBS microscope is discussed basing on the Point-Spread Function (PSF) concept. The primary processes of the Laser-Induced Breakdown (LIB) are overviewed. We consider ionization, breakdown, plasma formation and ablation processes. Water with defined Calcium salt concentration is used as a model of the biological object in the preliminary experiments. The transient LIB spectra are measured and analysed for both nanosecond and femtosecond laser excitation. The experiment on the local Calcium concentration measurements in the peripheral cell wall of the sunflower seedling stem employing nanosecond LIBS shows, that nanosecond laser is not a suitable excitation source for the biological applications. In case of the nanosecond laser the ablation craters have random shape and depth over 20 µm. The analysis of the femtosecond laser ablation craters shows the reproducible circle form. At 3.5 µJ laser pulse energy the diameter of the crater is 4 µm and depth 140 nm for single laser pulse, which results in 1 femtoliter analytical volume. The experimental result of the 2 dimensional and surface sectioning of the bound Calcium concentrations is presented in the work.

Untersuchungen zum Vorkommen und molekularen Mechanismus der Biofilm-Bildung bei Enterokokken aus verschiedenen klinischen Bereichen

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine größere Anzahl an E. faecalis Isolaten aus Vaginalabstrichen, erstmals insbesondere von Patientinnen, die an Bakterieller Vaginose litten, untersucht und mit E. faecalis Stämme aus verschiedenen anderen klinischen Bereichen auf das Vorkommen von Virulenzfaktoren verglichen. Weiterhin wurden Korrelationen zwischen bestimmten Faktoren und der Menge an produziertem Biofilm erstellt, um mögliche Zusammenhänge zum Mechanismus der Biofilm-Bildung zu erfassen. Mittels statistischer Analysen konnte hinsichtlich der 150 untersuchten E. faecalis Isolate nachgewiesen werden, dass keine signifikanten Unterschiede der Inzidenzen von Virulenzfaktoren (esp, asa1, gelE, GelE, cylA, β-Hämolyse) zwischen den Stämmen der verschiedenen Herkunftsbereiche bestanden. In Bezug auf das Auftreten von Biofilm-Bildung zeigte sich ein erhöhtes Vorkommen bei Stämmen aus Urin sowie invasiver Herkunft (insgesamt jeweils ca. 70 % mäßige und starke Biofilm-Bildner) im Vergleich zu E. faecalis Isolaten aus Wunden oder Faeces (je ca. 40 %). Statistische Auswertungen bzgl. des Zusammenhangs eines oder einer Kombination von Virulenzfaktoren mit der Menge an gebildetem Biofilm wiesen darauf hin, dass Isolate, die das esp Gen besaßen, in erhöhtem Maße zur Biofilm-Bildung befähigt waren. Dies zeigte einen gewissen Einfluss des Zellwandproteins auf die Fähigkeit zur Biofilm-Bildung bei E. faecalis. Allerdings wurden stets auch Stämme identifiziert, die die Fähigkeit zur Biofilm-Bildung trotz des Fehlens der jeweils untersuchten genetischen Determinante bzw. der Determinanten aufwiesen, so dass auf das Vorhandensein weiterer, unbekannter Einflussfaktoren auf den Mechanismus der Biofilm-Bildung bei E. faecalis geschlossen werden konnte. Unter 78 untersuchten E. faecium Isolaten aus verschiedenen klinischen Bereichen konnte lediglich ein Stamm (1,3 %) als mäßiger Biofilm-Bildner charakterisiert werden, so dass die Fähigkeit bei dieser Spezies in der hier untersuchten Region unter diesen Bedingungen kaum nachgewiesen werden konnte. Einen Schwerpunkt dieser Arbeit bildete die Untersuchung zum Vorkommen von Virulenzfaktoren und Biofilm-Bildung bei E. faecalis Isolaten aus Vaginalabstrichen. Bzgl. des Auftretens von Virulenzfaktoren und Biofilm-Produktion konnte kein Unterschied zwischen Stämmen assoziiert mit Bakterieller Vaginose und Isolaten einer Vergleichsgruppe festgestellt werden. Allerdings zeigte eine Gegenüberstellung mit den untersuchten E. faecalis Stämmen aus anderen klinischen Bereichen, dass die 80 Isolate aus Vaginalabstrichen eine ähnlich hohe Inzidenz bestimmter Virulenzfaktoren wie Stämme aus Faeces, Urin, Wunden oder invasiver Herkunft sowie eine mit den Isolaten aus Urin und invasiver Herkunft vergleichbar hohe Fähigkeit zur Biofilm-Bildung aufwiesen (ca. 75 % mäßige und starke Biofilm-Bildner). Dies deutete auf eine Verbreitung der Biofilm-Bildungsfähigkeit bei E. faecalis Stämmen der Vaginalflora und somit auf eine große Bedeutung der Eigenschaft für Isolate dieser Herkunft hin. Die statistische Auswertung der Korrelationen von Virulenzfaktoren mit der Menge an gebildetem Biofilm lieferte ähnliche Ergebnisse wie die Analysen bzgl. der 150 E. faecalis Isolate aus anderen klinischen Bereichen und untermauerte die Annahme, dass zusätzliche Faktoren zu den hier untersuchten Determinanten bei E. faecalis vorhanden sein müssen, die Einfluss auf den Mechanismus der Biofilm-Bildung nehmen. Deshalb konzentrierte sich ein weiterer Teil der vorliegenden Arbeit auf die Herstellung und Charakterisierung von E. faecalis Biofilm-Spontanmutanten, um bisher noch ungeklärte Mechanismen oder neue Faktoren zu erkennen, die Einfluss auf die Biofilm-Bildung bei E. faecalis nehmen. Die Untersuchung einer Mutante (1.10.16) und ihres Wildtypstamms lieferte erstmals den phänotypischen Nachweis des HMW-Komplexes der drei Bee-Proteine sowie die Identifizierung konservierter Pili-Motive dieser Proteine. Des Weiteren schien die in diesem Cluster ebenfalls codierte Sortase-1 dasjenige Enzym zu sein, das höchstwahrscheinlich die Bindung des Proteins Bee-2 innerhalb dieses HMW-Komplexes katalysiert. Insofern lieferten diese Untersuchungen neue, konkrete Hinweise zur Rolle des bee Genclusters bei der Pili-Biogenese und Biofilm-Bildung von E. faecalis. Darüber hinaus stellen Erkenntnisse aus der Charakterisierung von zwei weiteren hergestellten Biofilm-Spontanmutanten viel versprechende Ausgangspunkte für zukünftige Untersuchungen dar, die ein weitergehendes Verständnis der molekularen Mechanismen der Biofilm-Bildung bei E. faecalis erzielen könnten.

Biological Photonic Crystals: Diatoms

The aim of this work was to produce a variety of fluorescent diatom cell wall material as a basis for spectroscopic investigations of the influence of the photonic structure on the emission of an incorporated laser dye. This goal was achieved by the method of in vivo-fluorochromation, in which the fluorescence dyes are incorporated by the diatom cells during cell wall formation. Several fluorescent dyes (mostly rhodamines) known as strong laser dyes, were tested for a possible application within this method. The results of this work show that half of the tested rhodamines can be applied for an in vivo-fluorochromation of diatom cells. For a successful incorporation into the diatom cell wall, a relatively low toxicity to diatom cells is necessary. Replacement of the carbon acid function at the carboxyphenyl ring of the rhodamine by a methyl or ethylester function showed to convert a rhodamine of relatively low toxicity to a rhodamine leading to severe lethal effects within the cells. In contrast to their carbon acid forms, which posses a net neutral charge of the molecule, rhodamine esters exhibit a net positive charge. The enhanced toxicological effects seem to be due to an increased accumulation of positive charged rhodamines within the mitochondria, an increased hydrophobicity due to the attachment of an alkyl substituent, an increased retention time of the dyes within the mitochondria and a therefore stronger negative effect on the mitochondrial membrane bound energy processes of the diatom cell. Therefore rhodamines with a positive net charge deriving from a methyl or ethylester function at the carboxy phenyl ring instead of a carbon acid substituent showed not to be suitable for long-term investigations/ biomineralization studies of diatoms. Investigations performed on diatom species of different orders showed that rhodamine 19, rhodamine B, and rhodamine 101 can presumably be successfully applied for in vivo-fluorochromation to all diatom species. The results obtained here can help to find further laser dyes for an in vivo-fluorochromation of diatom cells and therefore for the production of fluorescent nanostructural elements for a detailed optical investigation of the diatom cell wall. First optical measurements performed on in vivo-fluorochromated cell walls did not give any hints concerning the photonic structure of the diatom cell. Cell wall parts with different nanostructural elements were investigated and by comparison of the obtained fluorescence emission spectra, no special features that might derive from photonic structural effects could be observed. Results concerning the concentration dependent shifts within the emission spectra, as well as the decrease of fluorescence intensity of the stained cell wall structures with increasing dye concentration, depict that several effects occurring by interaction of the molecules within the cell wall can have an impact on the technical application of fluorescent cell walls. It can be assumed that the investigation of the photonic crystal behaviour and the possibility to achieve laser action within the diatom cell wall can be hampered by molecular interactions. The results give hints to prevent such obstacles. Comparison of the recent findings and state of the art of in vivo-fluorochromation of diatom cell wall material, make clear that the here presented results are of importance and can offer a considerable contribution to the development and establishment of new biosilification markers, for diatoms as well as for other biosilifying organisms.

Untersuchungen zur Biofilmbildung bei dem klinischen Isolat Enterococcus faecalis 1.10

In der vorliegenden Arbeit wurde die Biofilmbildung bei einem klinischen Isolat von Enterococcus faecalis untersucht. Der Prozess der Biofilmbildung ist in mehrere Abschnitte unterteilt und beinhaltet zu Beginn eine Anhaftung von Zellen an Oberflächen. Dieser adhäsive Schritt wird unter anderem durch Pili vermittelt. Pili bei Grampositiven Mikroorganismen sind kovalent mit der Zellwand verknüpfte Proteinstrukturen, die eine Anheftung an biotische und abiotische Oberflächen sowie den Zell-Zell-Kontakt vermitteln. Bei den Analysen dieser Doktorarbeit lag ein besonderes Interesse bei eben diesen Pili, die für Enterococcus faecalis die Namen Ebp (endocarditis and biofilm associated pili) und Bee (biofilm enhancer in enterococci) tragen. Codiert werden sie durch die entsprechenden ebp-/bee-Loci, deren Aufbau unter den Grampositiven Mikroorganismen hochkonserviert ist. Die Loci bestehen aus Pilusuntereinheiten-codierenden Genen und colokalisierten Pilus-spezifischen Sortase Genen. Während in der Regel drei verschiedene Pilusuntereinheiten vorliegen, kann die Anzahl der Sortasen zwischen einer und zwei variieren. Bei den Experimenten wurde neben einer Komplementationsstudie zu einer Bee-Pilus Defekt-Mutante (1.10.16) das Hauptaugenmerk auf die Analyse des zweiten Pilus (Ebp) gelegt, um die Pilisituation bei Isolat 1.10 im Detail darzustellen Zusätzlich sollten weitere Oberflächenassoziierte Proteinstrukturen bei Isolat 1.10 detektiert werden, die gegebenenfalls an der Biofilmbildung beteiligt sind. Weitere Versuche zur Charakterisierung des Bee-Pilus wurden im Laufe dieser Arbeit durchgeführt, blieben jedoch bisher erfolglos. Die Biofilm-/Pilus-Defekt-Mutante 1.10.16 zeigte aufgrund einer Punktmutation (Pm) in der Pilus-spezifischen Sortase 1 des bee-Locus eine geschwächte Fähigkeit zur Anheftung an abiotische Oberflächen, sowie das Fehlen der Bee2 Untereinheit im Pilus. Nach Komplementation der Mutante (1.10.16K) mit dem Wildtyp-srt1 Gen, wurde die starke Biofilmbildungsfähigkeit zurück erlangt. Die Experimente zeigten, dass der Pilus-Defekt auf die Pm im srt1 Gen zurückzuführen war und der Bee-Pilus in Stamm 1.10.16K wieder korrekt gebildet wurde. Zu sehen war dies in Rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen und ebenfalls im massenspektrometrischen Nachweis aller 3 Pilusuntereinheiten im Bee-Pilus charakteristischen High-Molecular-Weight Komplex (~ 250 kDa). Durch Sequenzierungen konnte gezeigt werden, dass zwei Gene des ebp-Locus (ebpR und ebpC) bei Isolat 1.10 durch die Insertion von IS-Elementen IS1062 und IS6770 inaktiviert wurden. Der proteinbiochemische Nachweis über Pilusspezifische Antikörper gegen die Untereinheiten des Ebp-Pilus verlief negativ. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die mRNA der beiden inaktivierten Gene nicht gebildet wurde. Dies führte folglich zum vollständigen Verlust des Ebp-Pilus bei Isolat 1.10. Zusammen mit den Ergebnissen der Komplementation konnte somit der große Einfluss mindestens eines intakten Pilus auf die Biofilmbildung gezeigt werden. Sind beide Pili durch Insertionen bzw. Mutationen inaktiviert, kommt es zu einer deutlichen Abnahme der Biofilmbildungsstärke. Dass trotzdem noch ein Biofilm gebildet wurde, zeigt den multifaktoriellen Zusammenhang bzw. Einfluss im Biofilmbildungsprozess. Über das gezielte Markieren von Oberflächenproteinen intakter Zellen mittels der Oberflächenbiotinylierung, konnten in der SDS-PAGE Unterschiede im Bandenmuster im Vergleich zur unbehandelten Probe erkannt werden. Die massenspektrometrische Identifikation dieser Proteine erfolgte bisher nicht, jedoch sind diese vorläufigen Ergebnisse vielversprechender Natur für die Identifikation und Aufklärung der Oberflächenproteinsituation bei Isolat 1.10.

The periplasmic domain of the barrel assembly machinery protein A (BamA) from Escherichia coli assists folding of outer membrane protein A

The assembly of outer membranes of the cell wall of Gram-negative bacteria and of various organelles of eukaryotic cells requires the evolutionarily conserved β-barrel-assembly machinery (BAM) complex. This thesis describes the biochemical and biophysical properties of the periplasmic domain of the β-barrel assembly machinery protein A (PD-BamA) of the E. coli BAM complex, its effect on insertion and folding of the Outer membrane protein A (OmpA) into lipid bilayers and the identification of regions of PD-BamA that may be involved in protein-protein interactions. The secondary structure of PD-BamA in mixed lipid bilayers, analyzed by Circular dichroism (CD) spectroscopy, contained less β-sheet at an increased content of phosphatidylglycerol (PG) in the lipid membrane. This result showed membrane binding, albeit only in the presence of negatively charged lipids. Fluorescence spectroscopy demonstrated that PD-BamA only binds to lipid bilayers containing the negatively charged DOPG, confirming the results of CD spectroscopy. PD-BamA did not bind to zwitterionic but overall neutral lipid bilayers. PD-BamA bound to OmpA at a stoichiometry of 1:1. PD-BamA strongly facilitated insertion and folding of OmpA into lipid membranes. Kinetics of PD-BamA mediated folding of OmpA was well described by two parallel folding processes, a fast folding process and a slow folding process, differing by 2-3 orders of magnitude in their rate constants. The folding yields of OmpA depended on the concentration of lipid membranes and also on the lipid head groups. The presence of PD-BamA resulted in increased folding yields of OmpA in negatively charged DOPG, but PD-BamA did not affect the folding kinetics of OmpA into bilayers of zwitterionic but overall neutral lipids. The efficiency of folding and insertion of OmpA into lipid bilayers strongly depended on the ratio PD-BamA/OmpA and was optimal at equimolar concentrations of PD-BamA and OmpA. To examine complexes of unfolded OmpA with PD-BamA in more detail, site-directed spectroscopy was used to explore contact regions in both, PD-BamA and OmpA. Similarly, contact regions were also investigated for another protein complex formed by PD-BamA and the lipoprotein BamD. The obtained data suggest, that the site of interaction on PD-BamA for OmpA might be oriented towards the exterior environment away from the preceding POTRA domains, but that PD-BamA is oriented with its short α-helix α1 of POTRA domain 5 towards the C-terminal end of BamD.