Assembly and characterization of supramolecular architectures for biosensor applications

The research has included the efforts in designing, assembling and structurally and functionally characterizing supramolecular biofunctional architectures for optical biosensing applications. In the first part of the study, a class of interfaces based on the biotin-NeutrAvidin binding matrix for the quantitative control of enzyme surface coverage and activity was developed. Genetically modified ß-lactamase was chosen as a model enzyme and attached to five different types of NeutrAvidin-functionalized chip surfaces through a biotinylated spacer. All matrices are suitable for achieving a controlled enzyme surface density. Data obtained by SPR are in excellent agreement with those derived from optical waveguide measurements. Among the various protein-binding strategies investigated in this study, it was found that stiffness and order between alkanethiol-based SAMs and PEGylated surfaces are very important. Matrix D based on a Nb2O5 coating showed a satisfactory regeneration possibility. The surface-immobilized enzymes were found to be stable and sufficiently active enough for a catalytic activity assay. Many factors, such as the steric crowding effect of surface-attached enzymes, the electrostatic interaction between the negatively charged substrate (Nitrocefin) and the polycationic PLL-g-PEG/PEG-Biotin polymer, mass transport effect, and enzyme orientation, are shown to influence the kinetic parameters of catalytic analysis. Furthermore, a home-built Surface Plasmon Resonance Spectrometer of SPR and a commercial miniature Fiber Optic Absorbance Spectrometer (FOAS), served as a combination set-up for affinity and catalytic biosensor, respectively. The parallel measurements offer the opportunity of on-line activity detection of surface attached enzymes. The immobilized enzyme does not have to be in contact with the catalytic biosensor. The SPR chip can easily be cleaned and used for recycling. Additionally, with regard to the application of FOAS, the integrated SPR technique allows for the quantitative control of the surface density of the enzyme, which is highly relevant for the enzymatic activity. Finally, the miniaturized portable FOAS devices can easily be combined as an add-on device with many other in situ interfacial detection techniques, such as optical waveguide lightmode spectroscopy (OWLS), the quartz crystal microbalance (QCM) measurements, or impedance spectroscopy (IS). Surface plasmon field-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS) allows for an absolute determination of intrinsic rate constants describing the true parameters that control interfacial hybridization. Thus it also allows for a study of the difference of the surface coupling influences between OMCVD gold particles and planar metal films presented in the second part. The multilayer growth process was found to proceed similarly to the way it occurs on planar metal substrates. In contrast to planar bulk metal surfaces, metal colloids exhibit a narrow UV-vis absorption band. This absorption band is observed if the incident photon frequency is resonant with the collective oscillation of the conduction electrons and is known as the localized surface plasmon resonance (LSPR). LSPR excitation results in extremely large molar extinction coefficients, which are due to a combination of both absorption and scattering. When considering metal-enhanced fluorescence we expect the absorption to cause quenching and the scattering to cause enhancement. Our further study will focus on the developing of a detection platform with larger gold particles, which will display a dominant scattering component and enhance the fluorescence signal. Furthermore, the results of sequence-specific detection of DNA hybridization based on OMCVD gold particles provide an excellent application potential for this kind of cheap, simple, and mild preparation protocol applied in this gold fabrication method. In the final chapter, SPFS was used for the in-depth characterizations of the conformational changes of commercial carboxymethyl dextran (CMD) substrate induced by pH and ionic strength variations were studied using surface plasmon resonance spectroscopy. The pH response of CMD is due to the changes in the electrostatics of the system between its protonated and deprotonated forms, while the ionic strength response is attributed from the charge screening effect of the cations that shield the charge of the carboxyl groups and prevent an efficient electrostatic repulsion. Additional studies were performed using SPFS with the aim of fluorophore labeling the carboxymethyl groups. CMD matrices showed typical pH and ionic strength responses, such as high pH and low ionic strength swelling. Furthermore, the effects of the surface charge and the crosslink density of the CMD matrix on the extent of stimuli responses were investigated. The swelling/collapse ratio decreased with decreasing surface concentration of the carboxyl groups and increasing crosslink density. The study of the CMD responses to external and internal variables will provide valuable background information for practical applications.

Kinetic and affinity analysis of hybridization reactions between PNA probes and DNA targets using surface plasmon field-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS)

Sequenz spezifische biomolekulare Analyseverfahren erweisen sich gerade im Hinblick auf das Humane Genom Projekt als äußerst nützlich in der Detektion von einzelnen Nukleotid Polymorphismen (SNPs) und zur Identifizierung von Genen. Auf Grund der hohen Anzahl von Basenpaaren, die zu analysieren sind, werden sensitive und effiziente Rastermethoden benötigt, welche dazu fähig sind, DNA-Proben in einer geeigneten Art und Weise zu bearbeiten. Die meisten Detektionsarten berücksichtigen die Interaktion einer verankerten Probe und des korrespondierenden Targets mit den Oberflächen. Die Analyse des kinetischen Verhaltens der Oligonukleotide auf der Sensoroberfläche ist infolgedessen von höchster Wichtigkeit für die Verbesserung bereits bekannter Detektions - Schemata. In letzter Zeit wurde die Oberflächen Plasmonen feld-verstärkte Fluoreszenz Spektroskopie (SPFS) entwickelt. Sie stellt eine kinetische Analyse - und Detektions - Methode dar, die mit doppelter Aufzeichnung, d.h. der Änderung der Reflektivität und des Fluoreszenzsignals, für das Interphasen Phänomen operiert. Durch die Verwendung von SPFS können Kinetikmessungen für die Hybridisierung zwischen Peptid Nukleinsäure (PNA), welche eine synthetisierte Nukleinsäure DNA imitiert und eine stabilere Doppelhelix formt, und DNA auf der Sensoroberfläche ausgeführt werden. Mittels einzel-, umfassend-, und titrations- Experimenten sowohl mit einer komplementär zusammenpassenden Sequenz als auch einer mismatch Sequenz können basierend auf dem Langmuir Modell die Geschwindigkeitskonstanten für die Bindungsreaktion des oligomer DNA Targets bzw. des PCR Targets zur PNA ermittelt werden. Darüber hinaus wurden die Einflüsse der Ionenstärke und der Temperatur für die PNA/DNA Hybridisierung in einer kinetischen Analyse aufgezeigt.

Thermal fluctuations and boundary conditions in the lattice Boltzmann method

The lattice Boltzmann method is a popular approach for simulating hydrodynamic interactions in soft matter and complex fluids. The solvent is represented on a discrete lattice whose nodes are populated by particle distributions that propagate on the discrete links between the nodes and undergo local collisions. On large length and time scales, the microdynamics leads to a hydrodynamic flow field that satisfies the Navier-Stokes equation. In this thesis, several extensions to the lattice Boltzmann method are developed. In complex fluids, for example suspensions, Brownian motion of the solutes is of paramount importance. However, it can not be simulated with the original lattice Boltzmann method because the dynamics is completely deterministic. It is possible, though, to introduce thermal fluctuations in order to reproduce the equations of fluctuating hydrodynamics. In this work, a generalized lattice gas model is used to systematically derive the fluctuating lattice Boltzmann equation from statistical mechanics principles. The stochastic part of the dynamics is interpreted as a Monte Carlo process, which is then required to satisfy the condition of detailed balance. This leads to an expression for the thermal fluctuations which implies that it is essential to thermalize all degrees of freedom of the system, including the kinetic modes. The new formalism guarantees that the fluctuating lattice Boltzmann equation is simultaneously consistent with both fluctuating hydrodynamics and statistical mechanics. This establishes a foundation for future extensions, such as the treatment of multi-phase and thermal flows. An important range of applications for the lattice Boltzmann method is formed by microfluidics. Fostered by the "lab-on-a-chip" paradigm, there is an increasing need for computer simulations which are able to complement the achievements of theory and experiment. Microfluidic systems are characterized by a large surface-to-volume ratio and, therefore, boundary conditions are of special relevance. On the microscale, the standard no-slip boundary condition used in hydrodynamics has to be replaced by a slip boundary condition. In this work, a boundary condition for lattice Boltzmann is constructed that allows the slip length to be tuned by a single model parameter. Furthermore, a conceptually new approach for constructing boundary conditions is explored, where the reduced symmetry at the boundary is explicitly incorporated into the lattice model. The lattice Boltzmann method is systematically extended to the reduced symmetry model. In the case of a Poiseuille flow in a plane channel, it is shown that a special choice of the collision operator is required to reproduce the correct flow profile. This systematic approach sheds light on the consequences of the reduced symmetry at the boundary and leads to a deeper understanding of boundary conditions in the lattice Boltzmann method. This can help to develop improved boundary conditions that lead to more accurate simulation results.

Biochemical analysis of the phosphatase domain of the human soluble epoxide hydrolase (sEH)

Die lösliche Epoxidhydrolase (sEH) gehört zur Familie der Epoxidhydrolase-Enzyme. Die Rolle der sEH besteht klassischerweise in der Detoxifikation, durch Umwandlung potenziell schädlicher Epoxide in deren unschädliche Diol-Form. Hauptsächlich setzt die sEH endogene, der Arachidonsäure verwandte Signalmoleküle, wie beispielsweise die Epoxyeicosatrienoic acid, zu den entsprechenden Diolen um. Daher könnte die sEH als ein Zielenzym in der Therapie von Bluthochdruck und Entzündungen sowie diverser anderer Erkrankungen eingesetzt werden. rnDie sEH ist ein Homodimer, in dem jede Untereinheit aus zwei Domänen aufgebaut ist. Das katalytische Zentrum der Epoxidhydrolaseaktivität befindet sich in der 35 kD großen C-terminalen Domäne. Dieser Bereich der sEH s wurde bereits im Detail untersucht und nahezu alle katalytischen Eigenschaften des Enzyms sowie deren dazugehörige Funktionen sind in Zusammenhang mit dieser Domäne bekannt. Im Gegensatz dazu ist über die 25 kD große N-terminale Domäne wenig bekannt. Die N-terminale Domäne der sEH wird zur Haloacid Dehalogenase (HAD) Superfamilie von Hydrolasen gezählt, jedoch war die Funktion dieses N-terminal Domäne lange ungeklärt. Wir haben in unserer Arbeitsgruppe zum ersten Mal zeigen können, dass die sEH in Säugern ein bifunktionelles Enzym ist, welches zusätzlich zur allgemein bekannten Enzymaktivität im C-terminalen Bereich eine weitere enzymatische Funktion mit Mg2+-abhängiger Phosphataseaktivität in der N-terminalen Domäne aufweist. Aufgrund der Homologie der N-terminalen Domäne mit anderen Enzymen der HAD Familie wird für die Ausübung der Phosphatasefunktion (Dephosphorylierung) eine Reaktion in zwei Schritten angenommen.rnUm den katalytischen Mechanismus der Dephosphorylierung weiter aufzuklären, wurden biochemische Analysen der humanen sEH Phosphatase durch Generierung von Mutationen im aktiven Zentrum mittels ortsspezifischer Mutagenese durchgeführt. Hiermit sollten die an der katalytischen Aktivität beteiligten Aminosäurereste im aktiven Zentrum identifiziert und deren Rolle bei der Dephosphorylierung spezifiziert werden. rnrnAuf Basis der strukturellen und möglichen funktionellen Ähnlichkeiten der sEH und anderen Mitgliedern der HAD Superfamilie wurden Aminosäuren (konservierte und teilweise konservierte Aminosäuren) im aktiven Zentrum der sEH Phosphatase-Domäne als Kandidaten ausgewählt.rnVon den Phosphatase-Domäne bildenden Aminosäuren wurden acht ausgewählt (Asp9 (D9), Asp11 (D11), Thr123 (T123), Asn124 (N124), Lys160 (K160), Asp184 (D184), Asp185 (D185), Asn189 (N189)), die mittels ortsspezifischer Mutagenese durch nicht funktionelle Aminosäuren ausgetauscht werden sollten. Dazu wurde jede der ausgewählten Aminosäuren durch mindestens zwei alternative Aminosäuren ersetzt: entweder durch Alanin oder durch eine Aminosäure ähnlich der im Wildtyp-Enzym. Insgesamt wurden 18 verschiedene rekombinante Klone generiert, die für eine mutante sEH Phosphatase Domäne kodieren, in dem lediglich eine Aminosäure gegenüber dem Wildtyp-Enzym ersetzt wurde. Die 18 Mutanten sowie das Wildtyp (Sequenz der N-terminalen Domäne ohne Mutation) wurden in einem Expressionsvektor in E.coli kloniert und die Nukleotidsequenz durch Restriktionsverdau sowie Sequenzierung bestätigt. Die so generierte N-terminale Domäne der sEH (25kD Untereinheit) wurde dann mittels Metallaffinitätschromatographie erfolgreich aufgereinigt und auf Phosphataseaktivität gegenüber des allgemeinen Substrats 4-Nitophenylphosphat getestet. Diejenigen Mutanten, die Phosphataseaktivität zeigten, wurden anschließend kinetischen Tests unterzogen. Basiered auf den Ergebnissen dieser Untersuchungen wurden kinetische Parameter mittels vier gut etablierter Methoden berechnet und die Ergebnisse mit der „direct linear blot“ Methode interpretiert. rnDie Ergebnisse zeigten, dass die meisten der 18 generierten Mutanten inaktiv waren oder einen Großteil der Enzymaktivität (Vmax) gegenüber dem Wildtyp verloren (WT: Vmax=77.34 nmol-1 mg-1 min). Dieser Verlust an Enzymaktivität ließ sich nicht durch einen Verlust an struktureller Integrität erklären, da der Wildtyp und die mutanten Proteine in der Chromatographie das gleiche Verhalten zeigten. Alle Aminosäureaustausche Asp9 (D9), Lys160 (K160), Asp184 (D184) und Asn189 (N189) führten zum kompletten Verlust der Phosphataseaktivität, was auf deren katalytische Funktion im N-terminalen Bereich der sEH hindeutet. Bei einem Teil der Aminosäureaustausche die für Asp11 (D11), Thr123 (T123), Asn124 (N124) und Asn185 (D185) durchgeführt wurden, kam es, verglichen mit dem Wildtyp, zu einer starken Reduktion der Phosphataseaktivität, die aber dennoch für die einzelnen Proteinmutanten in unterschiedlichem Ausmaß zu messen war (2 -10% and 40% of the WT enzyme activity). Zudem zeigten die Mutanten dieser Gruppe veränderte kinetische Eigenschaften (Vmax allein oder Vmax und Km). Dabei war die kinetische Analyse des Mutanten Asp11  Asn aufgrund der nur bei dieser Mutanten detektierbaren starken Vmax Reduktion (8.1 nmol-1 mg-1 min) und einer signifikanten Reduktion der Km (Asp11: Km=0.54 mM, WT: Km=1.3 mM), von besonderem Interesse und impliziert eine Rolle von Asp11 (D11) im zweiten Schritt der Hydrolyse des katalytischen Zyklus.rnZusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass alle in dieser Arbeit untersuchten Aminosäuren für die Phosphataseaktivität der sEH nötig sind und das aktive Zentrum der sEH Phosphatase im N-terminalen Bereich des Enzyms bilden. Weiterhin tragen diese Ergebnisse zur Aufklärung der potenziellen Rolle der untersuchten Aminosäuren bei und unterstützen die Hypothese, dass die Dephosphorylierungsreaktion in zwei Schritten abläuft. Somit ist ein kombinierter Reaktionsmechanismus, ähnlich denen anderer Enzyme der HAD Familie, für die Ausübung der Dephosphorylierungsfunktion denkbar. Diese Annahme wird gestützt durch die 3D-Struktur der N-terminalen Domäne, den Ergebnissen dieser Arbeit sowie Resultaten weiterer biochemischer Analysen. Der zweistufige Mechanismus der Dephosphorylierung beinhaltet einen nukleophilen Angriff des Substratphosphors durch das Nukleophil Asp9 (D9) des aktiven Zentrums unter Bildung eines Acylphosphat-Enzym-Zwischenprodukts, gefolgt von der anschließenden Freisetzung des dephosphorylierten Substrats. Im zweiten Schritt erfolgt die Hydrolyse des Enzym-Phosphat-Zwischenprodukts unterstützt durch Asp11 (D11), und die Freisetzung der Phosphatgruppe findet statt. Die anderen untersuchten Aminosäuren sind an der Bindung von Mg 2+ und/oder Substrat beteiligt. rnMit Hilfe dieser Arbeit konnte der katalytischen Mechanismus der sEH Phosphatase weiter aufgeklärt werden und wichtige noch zu untersuchende Fragestellungen, wie die physiologische Rolle der sEH Phosphatase, deren endogene physiologische Substrate und der genaue Funktionsmechanismus als bifunktionelles Enzym (die Kommunikation der zwei katalytischen Einheiten des Enzyms) wurden aufgezeigt und diskutiert.rn

Specific enzymatic cleavage and payload release from peptide-based hybrid nanocapsules

Within this thesis, new approaches for the concepts of peptide-polymer conjugates and peptide-based hybrid nanomaterials are investigated. In the first part, the synthesis of a triblock polymer-peptide-polymer is carried out following a typical peptide coupling reaction, both in solution and on solid-phase. The peptide sequence is chosen, so that it is cleaved by an enzyme preparation of trypsin. End-functionalized polystyrene is used as a model hydrophobic polymer and coupled to the peptide sequence. The results show successful coupling reactions in both methods, while the solid phase method produced a more defined product. Suspensions, consisting of peptide-polymer conjugates particles, are prepared in water by ultrasonication. In contact with the enzyme, the peptide constituting the conjugated particles is cleaved. This demonstrates the enzymatic cleavage in heterophase of enzymatic sequence bond to hydrophobic polymers, and is of great interest for the encapsulation and delivery of hydrophobic molecules.rnA second approach is the preparation of peptide-based hybrid nanocapsules. This is achieved by interfacial polyaddition in inverse miniemulsion with the peptide sequence functionalized with additional amino acids. A method suitable to the use of a peptide sequence for interfacial polyaddition was developed. It is shown that, the polarity of the dispersed phase influences the structures prepared, from particle-like to polymeric shell with a liquid core.rnThe peptide sequence is equipped with a FRET pair (more exactly, an internally-quenched fluorescent system) which allows the real-time monitoring of the enzymatic cleavage of the recognition site. This system shows the successful cleavage of the peptide-based nanocapsules when trypsin preparation is added to the suspensions. A water-soluble fluorescent polymer is efficiently entrapped and its possible use as marker for the capsules is highlighted. Furthermore, a small water-soluble fluorescent dye (SR-101) is successfully encapsulated and the encapsulation efficiency as a function of the functionality of the peptide and the amount of comonomer equivalent (toluene diisocyanate) is studied. The dye is encapsulated at such a high concentration, that self-quenching occurs. Thus, the release of the encapsulated dye triggered by the enzymatic cleavage of the peptide results in a fluorescence recovery of the dye. The fluorescence recovery of the FRET pair in the peptide and of the encapsulated dye correlate well.rnFinally, nanocapsules based on a hepsin-cleavable peptide sequence are prepared. Hepsin is an enzyme, which is highly upregulated in prostate cancer cells. The cleavage of the nanocapsules is investigated with healthy and “cancerous” (hepsin-expressing) cell cultures. The degradation, followed via fluorescence recovery of the FRET system, is faster for the suspensions introduced in the hepsin expressing cell cultures.rnIn summary, this work tackles the domain of responsive nanomaterials for drug delivery from a new perspective. It presents the adaptation of the miniemulsion process for hybrid peptide-based materials, and their successful use in preparing specific enzyme-responsive nanoparticles, with hydrophilic payload release properties.rn