3D-Strukturanalyse von Molluskenhämocyaninen aus elektronenmikroskopischen Bildern

Diese Arbeit präsentiert die bislang höchst aufgelösten KryoEM-Strukturen für ein Cephalopoden hämocyanin Dekamer (Nautilus pompilus Hämocyanin, NpH) und ein Gastropoden Hämocyanin Didekamer (keyhole limpet hemocyanin isoform 1). Durch die Methoden des “molecular modelling” und “rigid-body-fiting” wurde auch eine detaillierte Beschreibung beider Strukturen auf atomarem Niveau erstmalig möglich. Hämocyanine sind kupferhaltige Sauerstoff-Transportproteine die frei gelöst in Blut zahlreicher Arthropoden und Mollusken vorkommen. Allgemein sind Molluskenhämocyanine als Dekamere (Hohlzylinder aus 5 Untereinheiten-dimere) oder Didecamere (Zusammenlagerung von zwei Dekameren) zu finden. Durch Anlagerung weiterer Dekamere bilden sich teilweise tubuläre Multidekamere. Hämocyanine der Cephalopoden bestehen ausschließlich aus solitären Decameren. In Octopus und Nautilus bestehen die 10 Untereinheiten aus 7 funktionellen Einheiten(FU-a bis FU-g), wobei jede FU ein Sauerstoffmolekül binden kann. FUs a-f bilden die Wand des ringförmigen Moleküls und 10 Kopien der FU-g bilden einen sogenannten „inneren Kragenkomplex“. Das im Rahmen dieser Arbeit erstelltes molekulares Modell von NpH klärt die Struktur des Dekamers vollständig auf. Wir waren zum ersten Mal in der Lage das Untereinheiten-dimer, den Verlauf der Polypeptidkette und 15 unterschiedliche Kontaktstellen zwischen FUs zu identifizieren. Viele der inter-FU-Kontakte weisen Aminosäurenkonstellationen auf, die die Basis für die Übertragung allosterischer Wechselwirkungen zwischen FUs darstellen könnten und Hinweise für den Aufbau der allosterische Einheit geben. Potentielle Bindungsstellen für N-glykosidische Zucker und bivalente Kationen wurden auch identifiziert. Im Gegensatz zu NpH, kommen Gastropoden Hämocyanine (inkl. KLH) hauptsächlich als Didekamere vor und der Kragenkomplex wird in diesem Fall aus 2 FUs gebildet (Fu-g und FU-h). Die zusätzliche C'-terminale FU-h zeichnet sich durch eine spezielle Verlängerung von ~ 100 Aminosäuren aus. KLH stammt aus der kalifornische Schnecke Megathura crenulata und kommt seit mehreren Jahrzehnten als Immunostimulator in der immunologischen Grundlagenforschung und klinischen Anwendung zum Einsatz. KLH weist zwei Isoformen auf, KLH1 und KLH2. Das vorliegende Modell von KLH1 erlaubt die komplexe Architektur dieses riesigen Proteins in allen Details zu verstehen, sowie einen Vergleich zum dem NpH Dekamer auf atomare Ebene. Es wurde gefunden, dass das Untereinheitensegment a-b-c-d-e-f-g, sowie die equivalenten Kontaktstellen zwichen FUs stark konserviert sind. Dies deutet darauf hin, dass in Bezug auf die Übertragung allosterische Signale zwischen benachbarten FUs, grundlegende Mechanismen in beiden Molekülen beibehalten wurden. Weiterhin, konnten die Verbindungen zwischen den zwei Dekameren ertsmalig identifiziert werden. Schließlich, wurde die Topologie der N-glycosidischen Zucker, welche für die immunologische Eigenschaften von KLH1 von großer Bedeutung sind, auch aufgeklärt. Somit leistet die vorliegende Arbeit einen wesentlichen Schritt zum Verständnis der Quartärstruktur und Funktion der Molluskenhämocyanine.rn

Entwicklung einer Thermodesorptionseinheit für die GC/MS zur Bestimmung hochreaktiver, biogener Kohlenwasserstoffe und deren Anwendung im Rahmen von Labor- und Feldstudien

Flüchtige organische Verbindungen (volatile organic compounds, VOCs), besonders rnTerpene, gelten als Vorläufer des sekundären organischen Aerosols (secondary rnorganic aerosols, SOA). Terpene werden von Pflanzen zur Abwehr oder zur rnAttraktion von Bestäubern emittiert. Ungesättigten Verbindungen, wie Sesquiterpene, rnsind sehr ozonolyseempfindlich und weisen nur geringe Konzentrationen in der rnAtmosphäre auf. Zudem lassen sie sich mit handelsüblichen rnThermodesorptionseinheiten meist nicht ohne Artefakte nachweisen, da sie eine hohe rnReaktivität mit vielen Oberflächen zeigen. rnDiese Arbeit präsentiert Forschungsergebnisse der qualitativen und rn(semi)quantitativen Auswertungen flüchtiger organischer Verbindungen in rnLaborstudien und biogenen Emissionsproben (Feldmessungen) mittels rnThermodesorption-Gaschromatographie-Massenspektrometrie (TD-GC/MS). Speziell rnzur Analyse hochreaktiver Verbindungen wurde eine Thermodesorptionseinheit für die rnGC/MS entwickelt. Diese besteht aus einer Kryofokussierung, einem Desorptionsofen rnund einer Heizung. Die Steuerung erfolgt über eine eigens dafür geschaffene rnBedienoberf läche von Labview® an einem PC über eine nachgeschaltete SPS rn(speicherprogrammierbare Steuerung). Das komplette Desorptionsprogramm und der rnStart der GC/MS-Analyse wurden automatisiert. rnDie Quantifizierung alle Proben wurde über Diffusionsquellen und rnVergleichsmessungen durch auf Adsorptionsröhrchen aufgebrachte rnVerdünnungsreihen realisiert. Um Informationen über die mutmaßlichen Vorläufer des rnsekundären organischen Aerosols zu erhalten, wurde zudem eine Ozon-Scrubber-rnMethode basierend auf Propen entwickelt. Diese wurde anhand von Standards in einer rnReaktionskammer getestet und in Feldmessungen erfolgreich angewendet. rnQuantitative Analysen zeigen, dass die meisten Terpene so vollständig vor der rnOzonolyse bewahrt werden können. Für hochreaktive Analyte wie α-Humulen oder rnβ-Caryophyllen wurden Wiederfindungsraten von über 80 % erreicht. So konnte die rnTemperaturabhängigkeit der Terpen-Emissionen der Fichte (Picea abies) in rnFeldmessungen nachgewiesen werden. rnEine weitere Anwendungsmöglichkeit wurde mit der Unterscheidung verschiedener rnArten der gleichen Gattung anhand der Emissionsmuster und der möglichen rnAbgrenzung verschiedener Bestäubertypen am Beispiel der Gattung Salvia untersucht. rnDie Emissionsanalysen zeigen, dass eine Zuordnung der Verwandtschaftsverhältnisse rnzusätzlich zu anderen Vergleichen möglich ist. Das gleiche gilt für die Differenzierung rnvon Bestäubertypen. Die Ergebnisse der Feldmessungen wurden durch rnMethodenvergleich zwischen biogenen Emissionsmessungen mit anschließender rnTD-GC/MS-Analyse und Extraktionen der jeweiligen Blüten/Blätter mit rnanschließender GC/MS-Messung bestätigt.

Plasmonic nanorods and nanoparticle-assemblies

Die vorliegenden Dissertation beschäftigt sich mit plasmonischen Nanopartikeln, deren Wechselwirkung mit Licht in einer Plasmonenschwingung resultiert. Suspensionen dieser Partikel zeigen kräftige Farben, da sich die Resonanzfrequenz der Plasmonenschwingung im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrum befindet. Durch die Veränderung interner (Material, Größe, Form) oder externer Parameter (Brechungsindex der Umgebung, Abstand zu anderen plasmonischen Partikeln) lässt sich die Farbe der Partikel verändern, eine Verschiebung der Resonanzfrequenz kann beobachtet werden. Ihre Sensitivität gegenüber äußeren Bedingungen ist der Grund, weshalb plasmonische Nanopartikel als Sensoren eingesetzt werden können. Wichtig ist hierbei nicht nur, dass die Partikel eine hohe Sensitivität zeigen, sondern auch die Möglichkeit, reproduzierbar Partikel zu synthetisieren, die experimentellen Anforderungen entsprechen. In der vorliegenden Arbeit wird das Wachstum von reinen Gold- und mit Silber beschichteten Goldnanostäbchen untersucht. Des Weiteren werden plasmonische Nanopartikel als Orientierungs-, Brechungsindex- und Abstandssensoren verwendet. Die Synthese von Goldnanostäbchen erfolgt auf nasschemischen Weg, ihr anisotropes Wachstum aus isotropen Keimen wird durch zahlreiche Faktoren beeinflusst. In diesem Zusammenhang wurde ein Wachstumsmodell entwickelt, das neben dem Vorhandensein eines Stabilisators auch die Rolle von Bromid- und Silberionen herausstellt, die durch selektive Adsorption das Wachstum bestimmter Kristallflächen inhibieren. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Potentialdifferenz zwischen Reduktions- und Oxidationsmittel klein sein muss, um ein langsames selektives Wachstum zu gewährleisten. rnDurch das Aufwachsen einer dünnen Silberschicht auf Goldnanostäbchen verbessert sich deren Qualität im Bezug auf die heterogene Linienbreite. Der “Plasmonic Focusing Effect”, die Änderung der Steigung des linearen Zusammenhangs von Plasmonenresonanz und Aspektverhältnis, konnte theoretisch berechnet und experimentell verifiziert werden. Durch die Aufnahme zeitaufgelöster Spektren und die Untersuchung des Verlaufs der Reaktion wurden sowohl Reaktionsordnung, als auch Aktivierungsenergie ermittelt. Das so gefundene kinetische Model erlaubt zudem die Vorhersage des Reaktionsprodukts zu verschiedenen Zeiten. rnEinzelne Goldnanostäbchen wurden in einer Gelmatrix bei verschiedenen Temperaturen untersucht, die Aufnahme der zeitlichen Variation der polarisationsabhängigen Streuintensität konnte genutzt werden, um den Kollaps des Gels zu charakterisieren. Neben der Verwendung einzelner plasmonischer Nanopartikel wurden auch Dimere, bestehend aus zwei Goldnanokugeln, untersucht. Nach der Kalibrierung der Resonanzfrequenz gegenüber des Abstandes der beiden Partikel durch externe Methoden (Lichtstreuung, Cryo- Elektronenmikroskopie) wurde der so gefundene exponentielle Zusammenhang verwendet, um sowohl den Brechungsindex der Umgebung, als auch den Abstand der beiden Goldnanokugeln zu bestimmen. Des Weiteren wurden Goldnanopartikeldimere benutzt, um ein als Linker verwendetes thermoresponsives Elastin-Polymer bei verschiedenen Temperaturen zu charakterisieren. Neben Aggregaten aus zwei Goldnanokugeln wurden auch so genannte “core-satellite” Strukturen synthetisiert, die um einen großen Goldnanopartikelkern viele kleine Goldnanopartikel tragen. Diese Partikel haben eine theoretisch vorhergesagte höhere Sensitivität gegenüber Brechungsindexänderungen, was in ersten Experimenten gezeigt werden konnte.

Die Kristallstruktur zweier Atmungsproteine: das Hämoglobin des Meerschweinchens und das 24-mere Hämocyanin des Kaiserskorpions

Im Verlauf der vorgestellten Arbeit konnten die Kristallstrukturen zweier Atmungsproteine gelöst werden. Da diese Strukturen mit verschiedenen Auflösungen gelöst wurden, wurden für die beiden Modelle unterschiedliche Methoden verwendet.rnrnDie Kristalle des Hämoglobins des Meerschweinchens Cavia porcellus erlaubten eine Messung von Streureflexen bis zu einer Auflösung von 1.7 Ǻ. Damit konnten das Molecular Replacement und das folgende Refinement mit geringen Vorgaben durchgeführt werden.rnAnhand der ermittelten Struktur konnte gezeigt werden, dass die Höhenadaptation des Hämoglobins des Meerschweinchens auf einer Stabilisierung des R2-Zustandes und einer gleichzeitigen Destabilisierung des T-Zustandes beruht. Die zu Grunde liegenden Aminosäureaustausche konnten identifiziert und der resultierende Mechanismus postuliert werden. Die Durchführung von Mutagenese-Experimenten am Hämoglobin des Meerschweinchens könnte die vorgestellte Hypothese bestätigen.rnrnDie Kristallstruktur des 24-meren Hämocyanins aus Pandinus imperator konnte durch eine Kombination von Röntgenkristallographie und Homologiemodellierung mit einer Auflösung von 6.5 Ǻ gelöst werden. Allerdings wäre die Bestimmung der Phasen durch Molecular Replacement ohne die vor kurzem publizierte Kryo-EM Struktur nicht möglich gewesen [Cong et al., 2009].rnDamit ist es durch die Kombination verschiedener Methoden erstmalig gelungen die Struktur eines Hämocyanins dieser Größe (Mw = 1.7 MDa) zu lösen. Die Auflösung von 6.5 Ǻ, eine für die Kristallographie relativ geringe Auflösung, erlaubte die Bestimmung des Cα-Traces des Proteins mit hoher Genauigkeit.rnDurch die Kristallstruktur konnte das zu Grunde liegende Kryo-EM Modell aus [Cong et al., 2009] bestätigt werden. Insbesondere die Position der α-Helices konnte mittels Kristallographie mit einer höheren Genauigkeit bestimmt werden. Durch die Verwendung von OMIT-Maps wurde sichergestellt, dass die Struktur nicht "kopiert" wurde. Die Übereinstimmung ist deshalb auf die Struktur des Hämocyanins im gemessenen Kristall zurückzuführen, nicht auf einen Bias bei der Auswertung.rnAnhand der Kristallstruktur konnten für die Kooperativität im Trimer potentiell entscheidende Aminosäuren identifiziert werden. Diese Aminosäuren könnten im Vergleich zur bekannten trimeren Struktur aus Limulus polyphemus zur Ausbildung zusätzlicher Bindungen zwischen den Untereinheiten führen. Diese Bindungen könnten eine wichtige Rolle beim Konformationsübergang zwischen dem T- und R-Zustand spielen.rn

Transport of nanoparticles into polymersomes : a minimal model system of particles passage through biological membranes

This thesis focuses on the design and characterization of a novel, artificial minimal model membrane system with chosen physical parameters to mimic a nanoparticle uptake process driven exclusively by adhesion and softness of the bilayer. The realization is based on polymersomes composed of poly(dimethylsiloxane)-b-poly(2-methyloxazoline) (PMDS-b-PMOXA) and nanoscopic colloidal particles (polystyrene, silica), and the utilization of powerful characterization techniques. rnPDMS-b-PMOXA polymersomes with a radius, Rh ~100 nm, a size polydispersity, PD = 1.1 and a membrane thickness, h = 16 nm, were prepared using the film rehydratation method. Due to the suitable mechanical properties (Young’s modulus of ~17 MPa and a bending modulus of ~7⋅10-8 J) along with the long-term stability and the modifiability, these kind of polymersomes can be used as model membranes to study physical and physicochemical aspects of transmembrane transport of nanoparticles. A combination of photon (PCS) and fluorescence (FCS) correlation spectroscopies optimizes species selectivity, necessary for a unique internalization study encompassing two main efforts. rnFor the proof of concepts, the first effort focused on the interaction of nanoparticles (Rh NP SiO2 = 14 nm, Rh NP PS = 16 nm; cNP = 0.1 gL-1) and polymersomes (Rh P = 112 nm; cP = 0.045 gL-1) with fixed size and concentration. Identification of a modified form factor of the polymersome entities, selectively seen in the PCS experiment, enabled a precise monitor and quantitative description of the incorporation process. Combining PCS and FCS led to the estimation of the incorporated particles per polymersome (about 8 in the examined system) and the development of an appropriate methodology for the kinetics and dynamics of the internalization process. rnThe second effort aimed at the establishment of the necessary phenomenology to facilitate comparison with theories. The size and concentration of the nanoparticles were chosen as the most important system variables (Rh NP = 14 - 57 nm; cNP = 0.05 - 0.2 gL-1). It was revealed that the incorporation process could be controlled to a significant extent by changing the nanoparticles size and concentration. Average number of 7 up to 11 NPs with Rh NP = 14 nm and 3 up to 6 NPs with Rh NP = 25 nm can be internalized into the present polymersomes by changing initial nanoparticles concentration in the range 0.1- 0.2 gL-1. Rapid internalization of the particles by polymersomes is observed only above a critical threshold particles concentration, dependent on the nanoparticle size. rnWith regard possible pathways for the particle uptake, cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM) has revealed two different incorporation mechanisms depending on the size of the involved nanoparticles: cooperative incorporation of nanoparticles groups or single nanoparticles incorporation. Conditions for nanoparticle uptake and controlled filling of polymersomes were presented. rnIn the framework of this thesis, the experimental observation of transmembrane transport of spherical PS and SiO2 NPs into polymersomes via an internalization process was reported and examined quantitatively for the first time. rnIn a summary the work performed in frames of this thesis might have significant impact on cell model systems’ development and thus improved understanding of transmembrane transport processes. The present experimental findings help create the missing phenomenology necessary for a detailed understanding of a phenomenon with great relevance in transmembrane transport. The fact that transmembrane transport of nanoparticles can be performed by artificial model system without any additional stimuli has a fundamental impact on the understanding, not only of the nanoparticle invagination process but also of the interaction of nanoparticles with biological as well as polymeric membranes. rn

Interactions of gold nanoparticles with polymeric membranes

This thesis focuses on the interactions of nanoparticles with artificial membranes. The synthesis of the block copolymer poly(dimethylsiloxane)-block-poly(2-methyloxazoline) (PDMS-b-PMOXA) is described, as well as the formation of polymersomes in water. These polymersomes act as minimal cell models, consisting of an artificial bilayer membrane only, allowing the study of the interactions between nanoparticles and polymeric membranes. Both spherical and rod-shaped gold nanoparticles (AuNPs) were used in this study and they were characterized using light scattering (PCS), transmission electron microscopy (TEM), UV/Vis spectroscopy, and polarization anisotropy measurements. The polymer grafting on the spherical cores is asymmetric (shell asphericity) but is parallel to the inherent, due to polycrystallinity, core anisotropy, resulting in a characteristic scattering of the AuNPs in PCS.rnInteractions of polymersomes and AuNPs were investigated by PCS, cryo-TEM and UV/Vis. Three possible scenarios upon mixing of polymersomes and AuNPs can be distinguished by using only PCS: (i) no interactions between particles and vesicles, (ii) attachment of the particles to the outer side of the vesicles (decoration), and (iii) uptake of particles into the vesicles. It is shown that all three scenarios are possible, solely depending on the particle’s surface functionalization. In addition, it was revealed that the AuNPs need to be attached to the inner side of the membrane instead of diffusing freely within the vesicle. The present experimental findings essentially help with the understanding of the interactions of nanoparticles with membranes and show that the process of endocytosis can be attributed to physical processes only. rn

Structural characterization of intermediate and metastable phases by electron microscopy

Structure characterization of nanocrystalline intermediates and metastable phases is of primary importance for a deep understanding of synthetic processes undergoing solid-to-solid state phase transitions. Understanding the evolution from the first nucleation stage to the final synthetic product supports not only the optimization of existing processes, but might assist in tailoring new synthetic paths. A systematic investigation of intermediates and metastable phases is hampered because it is impossible to produce large crystals and only in few cases a pure synthetic product can be obtained. Structure investigation by X-ray powder diffraction methods is still challenging on nanoscale, especially when the sample is polyphasic. Electron diffraction has the advantage to collect data from single nanoscopic crystals, but is limited by data incompleteness, dynamical effects and fast deterioration of the sample under the electron beam. Automated diffraction tomography (ADT), a recently developed technique, making possible to collect more complete three-dimensional electron diffraction data and to reduce at the same time dynamical scattering and beam damage, thus allowing to investigate even beam sensitive materials (f.e. hydrated phases and organics). At present, ADT is the only technique able to deliver complete three-dimensional structural information from single nanoscopic grains, independently from other surrounding phases. Thus, ADT is an ideal technique for the study of on-going processes where different phases exist at the same time and undergo several structural transitions. In this study ADT was used as the main technique for structural characterization for three different systems and combined subsequently with other techniques, among which high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), cryo-TEM imaging, X-ray powder diffraction (XRPD) and energy disperse X-ray spectroscopy (EDX).rnAs possible laser host materials, i.e. materials with a broad band emission in the near-infrared region, two unknown phases were investigated in the ternary oxide system M2O-Al2O3-WO3 (M = K, Na). Both phases exhibit low purity as well as non-homogeneous size distribution and particle morphology. The structures solved by ADT are also affected by pseudo-symmetry. rnSodium titanate nanotubes and nanowires are both intermediate products in the synthesis of TiO2 nanorods which are used as additives to colloidal TiO2 film for improving efficiency of dye-sensitized solar cells (DSSC). The structural transition from nantubes to nanowires was investigated in a step by step time-resolved study. Nanowires were discovered to consist of a hitherto unknown phase of sodium titanate. This new phase, typically affected by pervasive defects like mutual layer shift, was structurally determined ab-initio on the basis of ADT data. rnThe third system is related with calcium carbonate nucleation and early crystallization. The first part of this study is dedicated to the extensive investigations of calcium carbonate formation in a step by step analysis, up to the appearance of crystalline individua. The second part is dedicated to the structure determination by ADT of the first-to-form anhydrated phase of CaCO3: vaterite. An exhaustive structure analysis of vaterite had previously been hampered by diffuse scattering, extra periodicities and fast deterioration of the material under electron irradiation. rn

Three-dimensional electron microscopy of myriapod hemocyanin, planorbid snail acetylcholine-binding protein and cyanobacterial Vipp1

Three-dimensional electron microscopy (3-D EM) provides a framework for the analysis of large protein quaternary structures. The advantage over the generally higher resolving meth- od of X-ray crystallography is the embedding of the proteins in their physiological environ- ment. However, results of the two methods can be combined to obtain superior structural information. In this work, three different protein types – (i) Myriapod hemocyanin, (ii) vesi- cle-inducing protein in plastids 1 (Vipp1) and (iii) acetylcholine-binding protein (AChBP) – were structurally analyzed by 2-D and 3-D EM and, where possible, functionally interpreted.rnMyriapod hemocyanins have been previously shown to be 6x6-meric assemblies that, in case of Scutigera coleoptrata hemocyanin (ScoHc), show two 3x6-mer planes whith a stag- gering angle of approximately 60°. Here, previously observed structural differences between oxy- and deoxy-ScoHc could be substantiated. A 4° rotation between hexamers of two dif- ferent 3x6-mer planes was measured, which originates at the most central inter-hexamer in- terface. Further information about allosteric behaviour in myriapod hemocyanin was gained by analyzing Polydesmus angustus hemocyanin (PanHc), which shows a stable 3x6-mer and divergent histidine patterns in the inter-hexamer interfaces when compared to ScoHc. Both findings would conclusively explain the very different oxygen binding properties of chilopod and diplopod hemocyanin.rnVipp1 is a protein found in cyanobacteria and higher plants which is essential for thyla- koid membrane function and forms highly variable ring-shaped structures. In the course of this study, the first 3-D analysis of Vipp1 was conducted and yielded reconstructions of six differently sized Vipp1 rings from negatively stained images at resolutions between 20 to 30 Å. Furthermore, mutational analyses identified specific N-terminal amino acids that are essential for ring formation. On the basis of these analyses and previously published results, a hypothetical model of the Vipp1 tertiary and quaternary structure was generated.rnAChBP is a water-soluble protein in the hemolymph of mollusks. It is a structural and functional homologue of the ligand-binding domain of nicotinic acetylcholine receptors. For the freshwater snail Biomphalaria glabrata, we previously described two types of AChBP (BgAChBP1 and BgAChBP2). In this work, a 6 Å 3-D reconstruction of native BgAChBP is presented, which shows a dodecahedral assembly that is unprecedented for an AChBP. Single particle analysis of recombinantely expressed BgAChBP types led to preliminary results show- ing a dodecahedral assembly of BgAChBP1 and a dipentameric assembly of BgAChBP2. This indicates divergent biological functions of the two types.

Comparison of different methods for thin section EM analysis of Mycobacterium smegmatis

Bacteria are generally difficult specimens to prepare for conventional resin section electron microscopy and mycobacteria, with their thick and complex cell envelope layers being especially prone to artefacts. Here we made a systematic comparison of different methods for preparing Mycobacterium smegmatis for thin section electron microscopy analysis. These methods were: (1) conventional preparation by fixatives and epoxy resins at ambient temperature. (2) Tokuyasu cryo-section of chemically fixed bacteria. (3) rapid freezing followed by freeze substitution and embedding in epoxy resin at room temperature or (4) combined with Lowicryl HM20 embedding and ultraviolet (UV) polymerization at low temperature and (5) CEMOVIS, or cryo electron microscopy of vitreous sections. The best preservation of bacteria was obtained with the cryo electron microscopy of vitreous sections method, as expected, especially with respect to the preservation of the cell envelope and lipid bodies. By comparison with cryo electron microscopy of vitreous sections both the conventional and Tokuyasu methods produced different, undesirable artefacts. The two different types of freeze-substitution protocols showed variable preservation of the cell envelope but gave acceptable preservation of the cytoplasm, but not lipid bodies, and bacterial DNA. In conclusion although cryo electron microscopy of vitreous sections must be considered the 'gold standard' among sectioning methods for electron microscopy, because it avoids solvents and stains, the use of optimally prepared freeze substitution also offers some advantages for ultrastructural analysis of bacteria.

Structure determination of channel and transport proteins by high-resolution microscopy techniques

High-resolution microscopy techniques provide a plethora of information on biological structures from the cellular level down to the molecular level. In this review, we present the unique capabilities of transmission electron and atomic force microscopy to assess the structure, oligomeric state, function and dynamics of channel and transport proteins in their native environment, the lipid bilayer. Most importantly, membrane proteins can be visualized in the frozen-hydrated state and in buffer solution by cryo-transmission electron and atomic force microscopy, respectively. We also illustrate the potential of the scintillation proximity assay to study substrate binding of detergent-solubilized transporters prior to crystallization and structural characterization.

A tool for the qualitative comparison of membrane-embedded and detergent-solubilized membrane protein structures in projection

The calculation of projection structures (PSs) from Protein Data Bank (PDB)-coordinate files of membrane proteins is not well-established. Reports on such attempts exist but are rare. In addition, the different procedures are barely described and thus difficult if not impossible to reproduce. Here we present a simple, fast and well-documented method for the calculation and visualization of PSs from PDB-coordinate files of membrane proteins: the projection structure visualization (PSV)-method. The PSV-method was successfully validated using the PS of aquaporin-1 (AQP1) from 2D crystals and cryo-transmission electron microscopy, and the PDB-coordinate file of AQP1 determined from 3D crystals and X-ray crystallography. Besides AQP1, which is a relatively rigid protein, we also studied a flexible membrane transport protein, i.e. the L-arginine/agmatine antiporter AdiC. Comparison of PSs calculated from the existing PDB-coordinate files of substrate-free and L-arginine-bound AdiC indicated that conformational changes are detected in projection. Importantly, structural differences were found between the PSV-method calculated PSs of the detergent-solubilized AdiC proteins and the PS from cryo-TEM of membrane-embedded AdiC. These differences are particularly exciting since they may reflect a different conformation of AdiC induced by the lateral pressure in the lipid bilayer.

A new microbiopsy system enables rapid preparation of tissue for high-pressure freezing

A microbiopsy system was developed to overcome long sampling times for tissues before they are cryo-fixed by high-pressure freezing. A commercially available biopsy gun was adapted to the needs of small-organ excisions, and biopsy needles were modified to allow small samples (0.6 mm x 1.2 mm x 0.3 mm) to be taken. Specimen platelets with a central slot of the same dimensions as the biopsy are used. A self-made transfer device (in the meantime optimized by Leica-Microsystems [Vienna, Austria]) coordinates the transfer of the excised sample from the biopsy needle into the platelet slot and the subsequent loading in a specimen holder, which is then introduced into a high-pressure freezer (Leica EM PACT; Leica Microsystems, Vienna, Austria). Thirty seconds preparation time is needed from excision until high-pressure freezing. Brain, liver, kidney and muscle excisions of anesthetised rats are shown to be well frozen.

Close-to-native ultrastructural preservation by high pressure freezing

The objective of modern transmission electron microscopy (TEM) in life science is to observe biological structures in a state as close as possible to the living organism. TEM samples have to be thin and to be examined in vacuum; therefore only solid samples can be investigated. The most common and popular way to prepare samples for TEM is to subject them to chemical fixation, staining, dehydration, and embedding in a resin (all of these steps introduce considerable artifacts) before investigation. An alternative is to immobilize samples by cooling. High pressure freezing is so far the only approach to vitrify (water solidification without ice crystal formation) bulk biological samples of about 200 micrometer thick. This method leads to an improved ultrastructural preservation. After high pressure freezing, samples have to be subjected to follow-up procedure, such as freeze-substitution and embedding. The samples can also be sectioned into frozen hydrated sections and analyzed in a cryo-TEM. Also for immunocytochemistry, high pressure freezing is a good and practicable way.

Mitochondrial translation factors of Trypanosoma brucei: elongation factor-Tu has a unique subdomain that is essential for its function

Mitochondrial translation in the parasitic protozoan Trypanosoma brucei relies on imported eukaryotic-type tRNAs as well as on bacterial-type ribosomes that have the shortest known rRNAs. Here we have identified the mitochondrial translation elongation factors EF-Tu, EF-Ts, EF-G1 and release factor RF1 of trypanosomatids and show that their ablation impairs growth and oxidative phosphorylation. In vivo labelling experiments and a SILAC-based analysis of the global proteomic changes induced by EF-Tu RNAi directly link EF-Tu to mitochondrial translation. Moreover, EF-Tu RNAi reveals downregulation of many nuclear encoded subunits of cytochrome oxidase as well as of components of the bc1-complex, whereas most cytosolic ribosomal proteins were upregulated. Interestingly, T. brucei EF-Tu has a 30-amino-acid-long, highly charged subdomain, which is unique to trypanosomatids. A combination of RNAi and complementation experiments shows that this subdomain is essential for EF-Tu function, but that it can be replaced by a similar sequence found in eukaryotic EF-1a, the cytosolic counterpart of EF-Tu. A recent cryo-electron microscopy study revealed that trypanosomatid mitochondrial ribosomes have a unique intersubunit space that likely harbours the EF-Tu binding site. These findings suggest that the trypanosomatid-specific EF-Tu subdomain serves as an adaption for binding to these unusual mitochondrial ribosomes.