Fenton-like processes and adsorption using iron oxide-pillared clay with magnetic properties for organic compound mitigation

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Systematic Evaluation of Extraction Methods for Multiplatform-Based Metabotyping: Application to the Fasciola hepatica Metabolome

Combining data from multiple analytical platforms is essential for comprehensive study of the molecular phenotype (metabotype) of a given biological sample. The metabolite profiles generated are intrinsically dependent on the analytical platforms, each requiring optimization of instrumental parameters, separation conditions, and sample extraction to deliver maximal biological information. An in-depth evaluation of extraction protocols for characterizing the metabolome of the hepatobiliary fluke Fasciola hepatica, using ultra performance liquid chromatography and capillary electrophoresis coupled with mass spectroscopy is presented. The spectrometric methods were characterized by performance, and metrics of merit were established, including precision, mass accuracy, selectivity, sensitivity, and platform stability. Although a core group of molecules was common to all methods, each platform contributed a unique set, whereby 142 metabolites out of 14,724 features were identified. A mixture design revealed that the chloroform:methanol:water proportion of 15:59:26 was globally the best composition for metabolite extraction across UPLC-MS and CE-MS platforms accommodating different columns and ionization modes. Despite the general assumption of the necessity of platform-adapted protocols for achieving effective metabotype characterization, we show that an appropriately designed single extraction procedure is able to fit the requirements of all technologies. This may constitute a paradigm shift in developing efficient protocols for high-throughput metabolite profiling with more-general analytical applicability.

Ethyl carbamate kinetics in double distillation of sugar cane spirit

The aim of this study was to verify the effect of a double distillation on the reduction of the ethyl carbamate content in sugar cane spirit. Ethyl carbamate is a potentially carcinogenic compound normally present at critical levels in sugar cane spirit, constituting a public health problem and therefore hindering the export of this beverage. The ethanol, copper and ethyl carbamate contents were evaluated, using gas chromatography/mass spectroscopy, during a double distillation of the fermented sugar cane juice. The distillate fraction from the first distillation accumulated 30% of the ethyl carbamate formed. In the second distillation, the ethyl carbamate and the copper content increased during the process as the alcohol content decreased, and only 3% of the ethyl carbamate formed was collected in the spirit. Double distillation decreased the ethyl carbamate content in the sugar cane spirit by 97%. (C) Copyright 2012 The Institute of Brewing & Distilling

New materials for electrochemiluminescence

The study of electrochemiluminescence (ECL) involves photophysical and electrochemical aspects. Excited states are populated by an electrical stimulus. The most important applications are in the diagnostic field where a number of different biologically-relevant molecules (e.g. proteins and nucleic acids) can be recognized and quantified with a sensitivity and specificity previously not reachable. As a matter of fact the electrochemistry, differently to the classic techniques as fluorescence and chemiluminescence, allows to control the excited state generation spatially and temporally. The two research visits into A. J. Bard electrochemistry laboratories were priceless. Dr. Bard has been one of ECL pioneers, the first to introduce the technique and the one who discovered in 1972 the surprising emission of Ru(bpy)3 2+. I consider necessary to thank by now my supervisors Massimo and Francesco for their help and for giving me the great opportunity to know this unique science man that made me feel enthusiastic. I will never be grateful enough… Considering that the experimental techniques of ECL did not changed significantly in these last years the most convenient research direction has been the developing of materials with new or improved properties. In Chapter I the basics concepts and mechanisms of ECL are introduced so that the successive experiments can be easily understood. In the final paragraph the scopes of the thesis are briefly described. In Chapter II by starting from ECL experimental apparatus of Dr. Bard’s laboratories the design, assembly and preliminary tests of the new Bologna instrument are carefully described. The instrument assembly required to work hard but resulted in the introduction of the new technique in our labs by allowing the continuation of the ECL studies began in Texas. In Chapter III are described the results of electrochemical and ECL studies performed on new synthesized Ru(II) complexes containing tetrazolate based ligands. ECL emission has been investigated in solution and in solid thin films. The effect of the chemical protonation of the tetrazolate ring on ECL emission has been also investigated evidencing the possibility of a catalytic effect (generation of molecular hydrogen) of one of the complexes in organic media. Finally, after a series of preliminary studies on ECL emission in acqueous buffers, the direct interaction with calf thymus DNA of some complexes has been tested by ECL and photoluminescence (PL) titration. In Chapter IV different Ir(III) complexes have been characterized electrochemically and photophysically (ECL and PL). Some complexes were already well-known in literature for their high quantum efficiency whereas the remaining were new synthesized compounds containing tetrazolate based ligands analogous to those investigated in Chapt. III. During the tests on a halogenated complex was unexpectedly evidenced the possibility to follow the kinetics of an electro-induced chemical reaction by using ECL signal. In the last chapter (V) the possibility to use mono-use silicon chips electrodes as ECL analitycal devices is under investigation. The chapter begins by describing the chip structure and materials then a signal reproducibility study and geometry optimization is carried on by using two different complexes. In the following paragraphs is reported in detail the synthesis of an ECL label based on Ru(bpy)3 2+ and the chip functionalization by using a lipoic acid SAM and the same label. After some preliminary characterizations (mass spectroscopy TOF) has been demonstrated that by mean of a simple and fast ECL measurement it’s possible to confirm the presence of the coupling product SAM-label into the chip with a very high sensitivity. No signal was detected from the same system by using photoluminescence.

Bestimmung der Ionisationsenergie von Actinium und Ultraspurenanalyse von Plutonium mit resonanter Ionisationsmassenspektrometrie (RIMS)

ZusammenfassungDie Resonanzionisationsmassenspektrometrie (RIMS) verbindet hohe Elementselektivität mit guter Nachweiseffizienz. Aufgrund dieser Eigenschaften ist die Methode für Ultraspurenanalyse und Untersuchungen an seltenen oder schwer handhabbaren Elementen gut geeignet. Für RIMS werden neutrale Atome mit monochromatischem Laserlicht ein- oder mehrfach resonant auf energetisch hoch liegende Niveaus angeregt und anschließend durch einen weiteren Laserstrahl oder durch ein elektrisches Feld ionisiert. Die Photoionen werden in einem Massenspektrometer massenselektiv registriert.Ein Beispiel für die Anwendung von RIMS ist die präzise Bestimmung der Ionisationsenergie als fundamentale physikalisch-chemische Eigenschaft eines bestimmten Elements; insbesondere bei den Actinoiden ist die Kenntnis der Ionisationsenergie von Interesse, da es dort bis zur Anwendung der laser-massenspektroskopischer Methode nur wenige experimentelle Daten gab. Die Bestimmung der Ionisationsenergie erfolgt durch die Methode der Photoionisation im elektrischen Feld gemäß dem klassischen Sattelpunktsmodell. Im Experiment werden neutrale Atome in einem Atomstrahl mittels Laserlicht zunächst resonant angeregt. Die angeregten Atome befinden sich in einem äußeren, statischen elektrischen Feld und werden durch einen weiteren Laserstrahl, dessen Wellenlänge durchgestimmt wird, ionisiert. Das Überschreiten der Laserschwelle macht sich durch einen starken Anstieg im Ionensignal bemerkbar. Man führt diese Messung bei verschiedenen elektrischen Feldstärken durch und erhält bei Auftragen der Ionisationsschwellen gegen die Wurzel der elektrischen Feldstärke durch Extrapolation auf die Feldstärke Null die Ionisationsenergie.Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Ionisationsenergie von Actinium erstmalig zu 43398(3) cm-1 º 5,3807(4) eV experimentell bestimmt. Dazu wurden Actiniumatome zunächst einstufig resonant mit einem Laser mit einer Wellenlänge von 388,67 nm auf einen Zustand bei 25729,03 cm-1 angeregt und anschließend mit Laserlicht mit einer Wellenlänge von ca. 568 nm ionisiert. Damit sind die Ionisationsenergien aller Actinoiden bis einschließlich Einsteinium mit Ausnahme von Protactinium bekannt. Als Atomstrahlquelle wird ein spezielles 'Sandwichfilament' benutzt, bei dem das Actinoid als Hydroxid auf eine Tantalfolie aufgebracht und mit einer reduzierenden Deckschicht überzogen wird. Das Actinoid dampft bei Heizen dieser Anordnung atomar ab. Bei den schwereren Actinoiden wurde Titan als Deckschicht verwendet. Um einen Actiniumatomstrahl zu erzeugen, wurde aufgrund der hohen Abdampftemperaturen statt Titan erstmals Zirkonium eingesetzt. Bei Protactinium wurde Thorium, welches noch stärkere Reduktionseigenschaften aufweist, als Deckmaterial eingesetzt. Trotzdem gelang es mit der 'Sandwichtechnik' nicht, einen Protactiniumatomstrahl zu erzeugen. In der Flugzeitapparatur wurde lediglich ein Protactinium-monoxidionensignal detektiert. Um ein erst seit kurzem verfügbares Fest-körperlasersystem zu explorieren, wurden zusätzlich noch die bekannten Ionisations-ener-gien von Gadolinium und Plutonium erneut bestimmt. Die gemessenen Werte stimmen mit Literaturdaten gut überein.Ferner wurde noch ein bestehender Trennungsgang für Plutonium aus Umweltproben auf die Matrices Meerwasser und Hausstaub angepasst und für die Bestimmung von Plutonium und dessen Isotopenzusammensetzung in verschiedenen Probenreihen mittels RIMS eingesetzt. Der modifizierte Trennungsgang ermöglicht das schnelle Aufarbeiten von großen Probenmengen für Reihenuntersuchungen von Plutoniumkontaminationen. Die ermittelten Gehalten an 239Pu lagen zwischen 8,2*107 Atome pro 10 l Meerwasserprobe und 1,7*109Atome pro Gramm Staubprobe.

Identifizierung von T-Zell-erkannten Nierenzellkarzinom-Antigenen

Eine Voraussetzung für die Entwicklung neuer immunmodulatorischer Therapieverfahren ist die Kenntnis immunogener Tumorantigene, die von tumorreaktiven T-Zellen erkannt werden. In der vorliegenden Arbeit wurden tumorreaktive CD8+ zytotoxische T-Lymphozyten (CTL, cytotoxic T-lymphocytes) aus dem Blut eines HLA (human leukocyte antigen)-kompatiblen Fremdspenders generiert. Methodisch wurden hierzu CD8-selektionierte periphere Blutlymphozyten repetitiv mit der klarzelligen Nierenzellkarzinomlinie MZ1851-RCC (RCC, renal cell carcinoma) in einer allogenen gemischten Lymphozyten-Tumorzell Kultur (MLTC, mixed lymphocyte tumor cell culture) stimuliert. Aus den Responderlymphozyten wurden mit Hilfe des Grenzverdünnungsverfahrens klonale zytotoxische T-Zellen generiert und expandiert. Die CTL-Klone wurden anschließend phänotypisch mittels Durchflußzytometrie sowie funktionell mittels HLA-Antikörper-Blockadeexperimenten und Kreuzreaktivitätstests detailliert charakterisiert. Dabei konnte gezeigt werden, daß aus dem Blut eines allogenen gesunden Spenders CD8+ T-Zellen isoliert werden können, welche Reaktivität gegen Nierenzellkarzinome (NZK) aufweisen und über verschiedene HLA-Klasse-I-Allele restringiert sind. Die von den einzelnen CTL-Klonen erkannten Zielstrukturen zeigten entweder ubiquitäre (z.B. HLA-Cw*0704-reaktiver CTL-Klon E77) oder eine tumorspezifische (z.B. HLA-B*0702-restringierter CTL-Klon A4) Gewebeexpression. Zur Identifizierung der natürlich prozessierten Peptidliganden wurden die HLA-B/C-Allele unter Verwendung des monoklonalen Antikörpers B123.2 aus einem zuvor hergestellten Detergenslysat der Nierenzellkarzinomlinie MZ1851-RCC immunchromatographisch aufgereinigt. Aus den so isolierten HLA-Peptid-Komplexen wurden die tumorassoziierten Peptidliganden nach Säureeluation und Filtration abgespalten und über eine „reverse phase“-HPLC (high performance liquid chromatography) fraktioniert. Die Überprüfung der einzelnen HPLC-Fraktionen auf Bioaktivität erfolgte mit den korrespondierenden CTL-Klonen in 51Cr-Zytotoxizitätstests. Dabei wurde eine HPLC-Fraktion identifiziert, die die lytische Funktion des HLA-B*0702-restringierten CTL-Klons A4 auslösen konnte. Die bioaktive HPLC-Fraktion wurde dazu durch eine zweite (second dimension) Kapillar-Flüssigkeitschromatographie (Cap-LC, capillar liquid chromatography) in Subfraktionen geringerer Komplexität aufgetrennt und die darin enthaltenen Peptidepitope durch das MALDI-TOF/TOF (matrix assisted laser desorption/ionization- time of flight/time of flight)-Analyseverfahren sequenziert. Innerhalb dieser HPLC-Fraktion wurden eine Vielzahl von HLA-B/C-assoziierten Peptidliganden erfolgreich sequenziert, was die Effektivität dieser Verfahrenstechnik zur Identifizierung natürlich prozessierter HLA-Klasse-I-bindender Peptide unter Beweis stellt. Leider war es mit dieser Methode bisher nicht möglich, das von CTL-Klon A4 detektierte Peptidepitop zu sequenzieren. Dies liegt möglicherweise in der unzureichenden Konzentration des Peptidepitops in der bioaktiven HPLC-Fraktion begründet. In Folgearbeiten soll nun mit erhöhter Probenmenge beziehungsweise verbesserter Analytik der erneute Versuch unternommen werden, das Zielantigen des CTL-Klons A4 zu identifizieren. Die Kenntnis von Antigenen, die tumorspezifisch exprimiert und von CD8+ CTL aus gesunden Spendern erkannt werden, eröffnet neue therapeutische Möglichkeiten, das spezifische Immunsystem des Stammzellspenders nach allogener Blutstammzelltransplantation gezielt zur Steigerung von Tumorabstoßungsreaktionen (z.B. durch Vakzinierung oder adoptivem T-Zelltransfer) zu nutzen.

Perfluorinated compounds in environmental matrices of Lake Victoria Gulf

ABSTRACT One of the major ecological challenges on Lake Victoria resources is the existence of “hot spots”, caused by human waste, urban runoff, and industrial effluents. The lake is tending towards eutrophication which is attributed to the increasing human population in its watershed. A report of the levels of perfluorooctane sulfonate and perfluorooctanoic acid in environmental matrices of Lake Victoria is presented, and the management implication of perfluorinated compounds and similar potential organic pollutants examined. Two widely consumed and economically important fish species namely Lates niloticus (Nile perch) and Oreochromis niloticus (Nile tilapia) were obtained from Winam gulf of Lake Victoria, Kenya, and analysed for perfluorooctane sulfonate and perfluorooctanoic acid in muscles and liver using liquid chromatography coupled with mass spectroscopy. Variability in the concentrations of perfluorooctanoic acid or perfluorooctane sulfonate in river waters (range perfluorooctanoic acid 0.4 – 96.4 ng/L and perfluorooctane sulfonate < 0.4 – 13.2 ng/L) was higher than for Lake waters (range perfluorooctanoic acid 0.4 – 11.7 ng/L and perfluorooctane sulfonate < 0.4 – 2.5 ng/L respectively). Significant correlations were tested between perfluorinated compounds levels in sediments, fish and water. Wastewater treatment plants and other anthropogenic sources have been identified as significant sources or pathways for the introduction of perfluoroalkyl compounds into Lake Victoria ecosystem. In this study, elevated concentrations of perfluorooctanoic acid and perfluorooctane sulfonate was found in two wastewater treatment plants (WWTPs) in Kisumu, City of Kenya. An alternative analytical method to liquid chromatography/ mass spectroscopy for analysis of perfluorocarboxylic acids in abiotic and biotic matrices where high concentrations are expected is also presented. Derivatisation of the acid group to form a suitable alkyl ester provided a suitable compound for mass spectroscopy detection coupled to gas chromatography instrumental analysis. The acid is esterified by an alkyl halide i.e benzyl bromide as the alkylating agent for Perfluorocarboxylic acids quantification. The study also involved degradability measurements of emerging perfluorinated surfactants substitutes. The stability of the substitutes of perfluorinated surfactants was tested by employing advanced oxidation processes, followed by conventional tests, among them an automated method based on the manometric respirometry test and standardized fix bed bioreactor [FBBR] on perfluorobutane sulfonate (PFBS), a fluoroethylene polymer, fluorosurfactant (Zonyl), two fluoraliphaticesters (NOVEC ™ FC4430 and NOVEC ™ FC4432) and 10-(trifluoromethoxy) decane-sulfonate. Most of these emmerging surfactants are well-established in the market and have been used in several applications as alternatives to PFOS and PFOA based surfactants. The results of this study can be used as pioneer information for further studies on the sources, behaviour and fate of PFOA and PFOS and other related compounds in both abiotic and biota compartments of Lake Victoria and other lakes. Further an overview in degradation of emerging perfluorinated compounds substitutes is presented. Contribution in method development especially for acid group based fluorosurfactants is presented. The data obtained in this study can particularly be considered when formulating policies and management measures for preservation and sustainability of Lake Victoria resources.

Boron determination in biological samples - Intercomparison of three analytical methods to assist development of a treatment protocol for neoplastic diseases of the liver with Boron Neutron Capture Therapy

Die Bor-Neuroneneinfang-Therapie (engl.: Boron Neutron Capture Therapy, BNCT) ist eine indirekte Strahlentherapie, welche durch die gezielte Freisetzung von dicht ionisierender Strahlung Tumorzellen zerstört. Die freigesetzten Ionen sind Spaltfragmente einer Kernreaktion, bei welcher das Isotop 10B ein niederenergetisches (thermisches) Neutron einfängt. Das 10B wird durch ein spezielles Borpräparat in den Tumorzellen angereichert, welches selbst nicht radioaktiv ist. rnAn der Johannes Gutenberg-Universität Mainz wurde die Forschung für die Anwendung eines klinischen Behandlungsprotokolls durch zwei Heilversuche bei Patienten mit kolorektalen Lebermetastasen an der Universität Pavia, Italien, angeregt, bei denen die Leber außerhalb des Körpers in einem Forschungsreaktor bestrahlt wurde. Als erster Schritt wurde in Kooperation verschiedener universitärer Institute eine klinische Studie zur Bestimmung klinisch relevanter Parameter wie der Borverteilung in verschiedenen Geweben und dem pharmakokinetischen Aufnahmeverhalten des Borpräparates initiiert.rnDie Borkonzentration in den Gewebeproben wurde hinsichtlich ihrer räumlichen Verteilung in verschiedenen Zellarealen bestimmt, um mehr über das Aufnahmeverhalten der Zellen für das BPA im Hinblick auf ihre biologischen Charakteristika zu erfahren. Die Borbestimung wurde per Quantitative Neutron Capture Radiography, Prompt Gamma Activation Analysis und Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy parallel zur histologischen Analyse des Gewebes durchgeführt. Es war möglich zu zeigen, dass in Proben aus Tumorgewebe und aus tumorfreiem Gewebe mit unterschiedlichen morphologischen Eigenschaften eine sehr heterogene Borverteilung vorliegt. Die Ergebnisse der Blutproben werden für die Erstellung eines pharmakokinetischen Modells verwendet und sind in Übereinstimmung mit existierenden pharmakokinetische Modellen. Zusätzlich wurden die Methoden zur Borbestimmung über speziell hergestellte Referenzstandards untereinander verglichen. Dabei wurde eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse festgestellt, ferner wurde für alle biologischen Proben Standardanalyseprotokolle erstellt.rnDie bisher erhaltenen Ergebnisse der klinischen Studie sind vielversprechend, lassen aber noch keine endgültigen Schlussfolgerungen hinsichtlich der Wirksamkeit von BNCT für maligne Lebererkrankungen zu. rn

Funktionelle, strukturelle und phylogenetische Untersuchungen an Lipoproteinen des Flusskrebses Astacus leptodactylus

Diese Arbeit untersucht zwei Lipoproteine, das discoidale High density-Lipoprotein (dHDL) und das β-Glukan-Bindeprotein (BGBP) aus dem Flusskrebs Astacus leptodactylus in funktioneller, struktureller und phylogenetischer Hinsicht. Die Nukleotid-Sequenz des BGBP konnte nahezu vollständig entschlüsselt werden. Dabei errechnet sich aus der abgeleiteten Aminosäure-Sequenz ein Molekulargewicht von 153 kDa. Das reife BGBP hat nur eine molekulare Masse von 105 kDa. Vermutlich kommt es durch eine Furin-ähnliche Protease zu einer post-translationalen N- und C-terminalen Prozessierung: zwei bisher nicht beschriebene, aber auch in der BGBP-Sequenz von anderen höheren Krebsen vorhandene, typische Furin-Schnittstellen (RAKR, bzw. RARR) wurden anhand von Sequenzvergleichen identifiziert. BGBP hat zwei Funktionen: zum Einen ist es für den Transport und die Aktivierung des proPhenoloxidase-Systems zuständig, zum Anderen für die Versorgung der Organe mit Lipiden, welche vermutlich der Energiegewinnung dienen. Eine 100 kDa große, BGBP-bindende Rezeptor-Fraktion konnte in Hämocyten-Membranen identifiziert werden. Das Vorkommen von dHDL war aus eigenen Befunden bisher ausschließlich in Astacus leptodactylus bekannt, doch konnte in dieser Arbeit ein mit dem dHDL-Antikörper reagierendes Protein erstmalig auch in anderen Arthropoden-Spezies nachgewiesen werden. Die discoidale Form und das Untereinheiten-Muster (240 + 85 kDa) sind typisch für die bei Vertretern ursprünglicher Tiergruppen gefundenen Lipoproteine (z.B. beim Cheliceraten Limulus und beim Polychaeten Nereis). Eventuell handelt es sich bei dHDL also um einen ‚Prototypen’ in der Lipoprotein-Evolution. Obwohl die Sequenz des dHDL auf Nukleotid-Ebene unbekannt ist, wurden die Sequenzen einiger dHDL-Peptide aus massenspektroskopischen Analysen gewonnen. Überraschenderweise befinden sich diese Sequenzen in der Aminosäuresequenz des BGBP. Dabei liegen alle Peptide am N- und/oder am C-Terminus der abgeleiteten BGBP-Aminosäure-Sequenz, und zwar in den Bereichen, die vermutlich durch das erwähnte Furin vom BGBP abgeschnitten werden, im reifen BGBP also gar nicht mehr vorkommen. Deshalb ist zu vermuten, dass BGBP und dHDL ein gemeinsames Vorläuferprotein haben und durch Genduplikation entstanden sind, oder dass es sich beim dHDL- und beim BGBP-Gen um ein und dasselbe Gen handelt. Das Genprodukt wird dann auf unterschiedliche Weise prozessiert und es entstehen die beiden Proteine dHDL und BGBP. Die Funktion von dHDL ist noch nicht eindeutig geklärt, es ließen sich aber dHDL-bindende Rezeptor-Fraktionen mit einer molekularen Masse von 160 kDa in somatischen Geweben (Muskel, Darm, Hepatopankreas, Kiemen und Samenleiter) sowie in Oocyten und Hämocyten nachweisen. Deshalb wird vermutet, dass dHDL als Energielieferant in Stoffwechsel-aktiven Organen und als Speicherprotein in Oocyten dient. Eine endocytotische Aufnahme konnte gezeigt werden.

The relevance of the silica metabolizing enzyme silicatein-alpha to biomineralization and the formation of biogenic silica in siliceous sponges

Die technische Silikatproduktion erfordert in der Regel hohe Temperaturen und extreme pH-Werte. In der Natur hingegen haben insbesondere Kieselschwämme die außergewöhnliche Fähigkeit, ihr Silikatskelett, das aus einzelnen sogenannten Spiculae besteht, enzymatisch mittels des Proteins Silicatein zu synthetisieren. rnIm Inneren der Spiculae, im zentralen Kanal, befindet sich das Axialfilament, welches hauptsächlich aus Silicatein-α aufgebaut ist. Mittels Antikörperfärbungen und Elektronenmikroskopischen Analysen konnte festgestellt werden, dass Silicatein in mit Kieselsäure-gefüllten Zellorganellen (silicasomes) nachzuweisen ist. Mittels dieser Vakuolen kann das Enzym und die Kieselsäure aus der Zelle zu den Spiculae im extrazellulären Raum befördert werden, wo diese ihre endgültige Länge und Dicke erreichen. Zum ersten Mal konnte nachgewiesen werden, dass rekombinant hergestelltes Silicatein-α sowohl als Siliciumdioxid-Polymerase als auch Siliciumdioxid-Esterase wirkt. Mittels Massenspektroskopie konnte die enzymatische Polymerisation von Kieselsäure nachverfolgt werden. Durch Spaltung der Esterbindung des künstlichen Substrates Bis(p-aminophenoxy)-dimethylsilan war es möglich kinetische Parameter der Siliciumdioxid-Esterase-Aktivität des rekombinanten Silicateins zu ermitteln.rnZu den größten biogenen Silikatstukuren auf der Erde gehören die Kieselnadeln der Schwammklasse Hexactinellida. Nadelextrakte aus den Schwammklassen Demospongien (S. domuncula) und Hexactinellida (M. chuni) wurden miteinander verglichen um die potentielle Existenz von Silicatein oder Silicatein-ähnliche Molekülen und die dazu gehörige proteolytischen Aktivität nachzuweisen. Biochemische Analysen zeigten, dass das 27 kDA große isolierte Polypeptid in Monoraphis mehrere gemeinsame Merkmale mit den Silicateinen der Demospongien teilt. Dazu gehören die Größe und die Proteinase-Aktivität. rnUm die Frage zu klären, ob das axiale Filament selbst zur Formbildung der Skelettelemente beiträgt, wurde ein neues mildes Extraktionsverfahren eingeführt. Dieses Verfahren ermöglichte die Solubilisierung des nativen Silicateins aus den Spiculae. Die isolierten Silicateine lagen als Monomere (24 kDa) vor, die Dimere durch nicht-kovalente Bindungen ausbildeten. Darüber hinaus konnten durch PAGE-Gelelektrophorese Tetramere (95 kDa) und Hexamere (135 kDa) nachgewiesen werden. Die Monomere zeigten eine beträchtliche proteolytische Aktivität, die sich während der Polymerisationsphase des Proteins weiter erhöhte. Mit Hilfe der Lichtmikroskopie und Elektronenmikroskopie (TEM) konnte die Assemblierung der Proteine zu filamentartigen Strukturen gezeigt werden. Die Selbstorganisation der Silicatein-α-Monomeren scheint eine Basis für Form- und Musterbildung der wachsenden Nadeln zu bilden.rn Um die Rolle des kürzlich entdeckten Proteins Silintaphin-1, ein starker Interaktionspartner des Silicatein-α, während der Biosilifizierung zu klären, wurden Assemblierungs-Experimente mit den rekombinanten Proteinen in vitro durchgeführt. Zusätzlich wurde deren Effekt auf die Biosilikatsynthese untersucht. Elektronenmikroskopische Analysen ergaben, dass rekombinantes Silicatein-α zufällig verteilte Aggregate bildet, während die Koinkubation beider Proteine (molekulares Verhältnis 4:1) über fraktal artige Strukturen zu Filamenten führt. Auch die enzymatische Aktivität der Silicatein-α-vermittelte Biosilikatsynthese erhöhte sich in Gegenwart von Silintaphin-1 um das 5,3-fache. rn

Synthetic routes toward functional block copolymers and bioconjugates via RAFT polymerization

Synthetic Routes toward Functional Block Copolymers and Bioconjugates via RAFT PolymerizationrnSynthesewege für funktionelle Blockcopolymere und Biohybride über RAFT PolymerisationrnDissertation von Dipl.-Chem. Kerstin T. WissrnIm Rahmen dieser Arbeit wurden effiziente Methoden für die Funktionalisierung beider Polymerkettenenden für Polymer- und Bioanbindung von Polymeren entwickelt, die mittels „Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer“ (RAFT) Polymerisation hergestellt wurden. Zu diesem Zweck wurde ein Dithioester-basiertes Kettentransferagens (CTA) mit einer Aktivestereinheit in der R-Gruppe (Pentafluorphenyl-4-phenylthiocarbonylthio-4-cyanovaleriansäureester, kurz PFP-CTA) synthetisiert und seine Anwendung als universelles Werkzeug für die Funktionalisierung der -Endgruppe demonstriert. Zum Einen wurde gezeigt, wie dieser PFP-CTA als Vorläufer für die Synthese anderer funktioneller CTAs durch einfache Aminolyse des Aktivesters genutzt werden kann und somit den synthetischen Aufwand, der üblicherweise mit der Entwicklung neuer CTAs verbunden ist, reduzieren kann. Zum Anderen konnte der PFP-CTA für die Synthese verschiedener Poly(methacrylate) mit enger Molekulargewichtsverteilung und wohl definierter reaktiver -Endgruppe verwendet werden. Dieses Kettenende konnte dann erfolgreich mit verschiedenen primären Aminen wie Propargylamin, 1-Azido-3-aminopropan und Ethylendiamin oder direkt mit den Amin-Endgruppen verschiedener Peptide umgesetzt werden.rnAus der Reaktion des PFP-CTAs mit Propargylamin wurde ein Alkin-CTA erhalten, der sich als effizientes Werkzeug für die RAFT Polymerisation verschiedener Methacrylate erwiesen hat. Der Einbau der Alkin-Funktion am -Kettenende wurde mittels 1H und 13C NMR Spektroskopie sowie MALDI TOF Massenspektroskopie bestätigt. Als Modelreaktion wurde die Kopplung eines solchen alkin-terminierten Poly(di(ethylenglykol)methylethermethacrylates) (PDEGMEMA) mit azid-terminiertem Poly(tert-butylmethacrylat), das mittels Umsetzung einer Aktivester-Endgruppe erhalten wurde, als kupferkatalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition (CuAAC) durchgeführt. Die Aufarbeitung des resultierenden Diblockcopolymers durch Fällen ermöglichte die vollständige Abtrennung des Polymerblocks 1, der im Überschuss eingesetzt wurde. Darüber hinaus blieb nur ein sehr kleiner Anteil (< 2 Gew.-%) nicht umgesetzten Polymerblocks 2, was eine erfolgreiche Polymeranbindung und die Effizienz der Endgruppen-Funktionalisierung ausgehend von der Aktivester--Endgruppe belegt.rnDie direkte Reaktion von stimuli-responsiven Polymeren mit Pentafluorphenyl(PFP)ester-Endgruppen, namentlich PDEGMEMA und Poly(oligo(ethylenglykol)methylethermethacrylat), mit kollagen-ähnlichen Peptiden ergab wohl definierte Polymer-Peptid-Diblockcopolymere und Polymer-Peptid-Polymer-Triblockcopolymer unter nahezu quantitativer Umsetzung der Endgruppen. Alle Produkte konnten vollständig von nicht umgesetztem Überschuss des Homopolymers befreit werden. In Analogie zu natürlichem Kollagen und dem nicht funktionalisierten kollagen-ähnlichen Peptid bilden die PDEGMEMA-basierten, entschützten Hybridcopolymere Trimere mit kollagen-ähnlichen Triple-Helices in kalter wässriger Lösung, was mittels Zirkular-Dichroismus-Spektroskopie (CD) nachgewiesen werden konnte. Temperaturabhängige CD-Spektroskopie, Trübungsmessungen und dynamische Lichtstreuung deuteten darauf hin, dass sie bei höheren Temperaturen doppelt stimuli-responsive Überstrukturen bilden, die mindestens zwei konformative Übergänge beim Aufheizen durchlaufen. Einer dieser Übergänge wird durch den hydrophoben Kollaps des Polymerblocks induziert, der andere durch Entfalten der kollagen-ähnlichen Triple-Helices.rnAls Ausweitung dieser synthetischen Strategie wurde homotelecheles PDEGMEMA mit zwei PFP-Esterendgruppen dargestellt, wozu der PFP-CTA für die Funktionalisierung der -Endgruppe und die radikalische Substitution des Dithioesters durch Behandlung mit einem Überschuss eines funktionellen AIBN-Derivates für die Funktionalisierung der -Endgruppe ausgenutzt wurde. Die Umsetzung der beiden reaktiven Kettenenden mit dem N-Terminus eines Peptidblocks ergab ein Peptid-Polymer-Peptid Triblockcopolymer.rnSchließlich konnten die anorganisch-organischen Hybridmaterialien PMSSQ-Poly(2,2-diethoxyethylacrylat) (PMSSQ-PDEEA) und PMSSQ-Poly(1,3-dioxolan-2-ylmethylacrylat) (PMSSQ-PDMA) für die Herstellung robuster, peptid-reaktiver Oberflächen durch Spin Coaten und thermisch induziertes Vernetzen angewendet werden. Nach saurem Entschützen der Acetalgruppen in diesen Filmen konnten die resultierenden Aldehydgruppen durch einfaches Eintauchen in eine Lösung mit einer Auswahl von Aminen und Hydroxylaminen umgesetzt werden, wodurch die Oberflächenhydrophilie modifiziert werden konnte. Darüber hinaus konnten auf Basis der unterschiedlichen Stabilität der zwei hier verglichenen Acetalgruppen Entschützungsprotokolle für die exklusive Entschützung der Diethylacetale in PMSSQ-PDEEA und deren Umsetzung ohne Entschützung der zyklischen Ethylenacetale in PMSSQ-PDMA entwickelt werden, die die Herstellung multifunktioneller Oberflächenbeschichtungen z.B. für die Proteinimmobilisierung ermöglichen.

Inflammation and NO(X)-induced nitration: assay for 3-nitrotyrosine by HPLC with electrochemical detection

The identification of 15N-labeled 3-nitrotyrosine (NTyr) by gas chromatography/mass spectroscopy in protein hydrolyzates from activated RAW 264.7 macrophages incubated with 15N-L-arginine confirms that nitric oxide synthase (NOS) is involved in the nitration of protein-bound tyrosine (Tyr). An assay is presented for NTyr that employs HPLC with tandem electrochemical and UV detection. The assay involves enzymatic hydrolysis of protein, acetylation, solvent extraction, O-deacetylation, and dithionite reduction to produce an analyte containing N-acetyl-3-aminotyrosine, an electrochemically active derivative of NTyr. We estimate the level of protein-bound NTyr in normal rat plasma to be approximately 0-1 residues per 10(6) Tyr with a detection limit of 0.5 per 10(7) Tyr when > 100 nmol of Tyr is analyzed and when precautions are taken to limit nitration artifacts. Zymosan-treated RAW 264.7 cells were shown to have an approximately 6-fold higher level of protein-bound NTyr compared with control cells and cells treated with N(G)-monomethyl-L-arginine, an inhibitor of NOS. Intraperitoneal injection of F344 rats with zymosan led to a marked elevation in protein-bound NTyr to approximately 13 residues per 10(6) Tyr, an approximately 40-fold elevation compared with plasma protein of untreated rats; cotreatment with N(G)-monomethyl-L-arginine inhibited the formation of NTyr in plasma protein from blood and peritoneal exudate by 69% and 53%, respectively. This assay offers a highly sensitive and quantitative approach for investigating the role of reactive byproducts of nitric oxide in the many pathological conditions and disease states associated with NO(X) exposure such as inflammation and smoking.

Age-dependent decrease in 11beta-hydroxysteroid dehydrogenase type 2 (11beta-HSD2) activity in hypertensive patients

BACKGROUND: The prevalence of arterial hypertension lacking a defined underlying cause increases with age. Age-related arterial hypertension is insufficiently understood, yet known characteristics suggest an aldosterone-independent activation of the mineralocorticoid receptor. Therefore, we hypothesized that 11beta-HSD2 activity is age-dependently impaired, resulting in a compromised intracellular inactivation of cortisol (F) with F-mediated mineralocorticoid hypertension. METHODS: Steroid hormone metabolites in 24-h urine samples of 165 consecutive hypertensive patients were analyzed for F and cortisone (E), and their TH-metabolites tetrahydro-F (THF), 5alphaTHF, TH-deoxycortisol (THS), and THE by gas chromatography-mass spectroscopy. Apparent 11beta-HSD2 and 11beta-hydroxylase activity and excretion of F metabolites were assessed. RESULTS: In 72 female and 93 male patients aged 18-84 years, age correlated positively with the ratios of (THF + 5alphaTHF)/THE (P = 0.065) and F/E (P < 0.002) suggesting an age-dependent reduction in the apparent 11beta-HSD2 activity, which persisted (F/E; P = 0.020) after excluding impaired renal function. Excretion of F metabolites remained age-independent most likely as a consequence of an age-dependent diminished apparent 11beta-hydroxylase activity (P = 0.038). CONCLUSION: Reduced 11beta-HSD2 activity emerges as a previously unrecognized risk factor contributing to the rising prevalence of arterial hypertension in elderly. This opens new perspectives for targeted treatment of age-related hypertension.

Multimetallic complexes based on phosphine- and phosphine oxide- appended p-hydroquinones

Presented here, is the work done with a series of binucleating ligands based on phosphine and phosphine oxide appended p-hydroquinones and their reactions towards various metals sources. The long term goal of the project was to produce coordination polymers that would have novel electronic, magnetic, and optical properties which would be of use in the field of molecular electronics. Binucleating ligands contained a p-hydroquinone motif in which various phosphine- and phosphine oxide substituents have been placed in the ortho position relative to each of the hydroxy position were synthesized. A previously published synthetic method for such lugands utilized n-BuLi to form a phenyl lithium intermediate which was quenched with chlorodiphenylphosphine. This technique was also used to produce a ligand with diisopropylphosphine groups. Phosphine ligands, containing the same structural motif, were also generated using LDA as the lithiating agent. This technique was found to be higher yielding. Phosphine chalcogenide ligands were accessed by further oxidizing the low valent phosphorous centers with either hydrogen peroxide or with elemental sulfur. These ligands were characterized using multinuclear NMR, low and high resolution mass spectroscopy, FTIR, and single crystal X-ray diffraction. Their electrochemical properties were explored with cyclic voltammetry. The phosphine appended ligands were used in the synthesis of a several bimetallic complexes. It was found that the ligands readily reacted with NiCp2 and NiCp*2, displacing one of the cyclopentadiene (Cp) or pentamethylcyclopentadiene (Cp*) rings. A cyclopentadiene complexes, containing diisopropylphine, was readily oxidized by[FeCp2]PF6 to give a NMR silent mixed valence complex. Cyclic voltammetry of these complexes showed a number of reversible waves with a large potential separation. The mixed valence compounds also showed a large absorbance band in the NIR region which was assigned to be an intervalence charge transfer. The cyclic voltammetry and NIR spectroscopy suggest that these systems are very capable of efficient metal-to-metal charge transfer. These complexes were characterized by multinuclear NMR, single crystal X-ray diffraction, UV/VIS-NIR spectroscopy and elemental analysis. The phosphine oxide ligands were reacted with a variety of different metal sources but limited success was gained in obtaining single crystals, allowing structural characterization of these compounds. Single crystals were obtained from products generated by reacting the diphenylphosphine oxide ligand with (Bipy)Cu(NO3)2 and Cu(NO3)2. In all cases the ligand had been further oxidized to a 2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone motif. In the reaction between the diphenylphosphine oxide ligand and (Bipy)Cu(NO3)2 it was found that the phosphine oxide moiety was involved with intermolecular coordination leading to the formation of a one-dimensional polymer composed of a series of bimetallic complexes tethered together. When NaSbF6 was present in the reaction with (Bipy)Cu(NO3)2 a unique tetrametallic complex was formed. Here the phospine oxide moiety was oriented so that two bimetallic complexes were bound together. If only Cu(NO3)2 was present, a two-dimensional polymeric sheet was formed where the ligand was present in two different coordination modes. The electronic properties of these complexes remained to be assessed.

Human basophils activated by mast cell-derived IL-3 express retinaldehyde dehydrogenase-II and produce the immunoregulatory mediator retinoic acid

The vitamin A metabolite retinoic acid (RA) plays a fundamental role in cellular functions by activating nuclear receptors. Retinaldehyde dehydrogenase-II (RALDH2) creates localized RA gradients needed for proper embryonic development, but very little is known regarding its regulated expression in adults. Using a human ex vivo model of allergic inflammation by coincubating IgE receptor-activated mast cells (MCs) with blood basophils, we observed prominent induction of a protein that was identified as RALDH2 by mass spectroscopy. RALDH2 was selectively induced in basophils by MC-derived interleukin-3 (IL-3) involving PI3-kinase and NF-kappaB pathways. Importantly, neither constitutive nor inducible RALDH2 expression was detectable in any other human myeloid or lymphoid leukocyte, including dendritic cells. RA generated by RALDH2 in basophils modulates IL-3-induced gene expression in an autocrine manner, providing positive (CD25) as well as negative (granzyme B) regulation. It also acts in a paracrine fashion on T-helper cells promoting the expression of CD38 and alpha4/beta7 integrins. Furthermore, RA derived from IL-3-activated basophils provides a novel mechanism of Th2 polarization. Thus, RA must be viewed as a tightly controlled basophil-derived mediator with a high potential for regulating diverse functions of immune and resident cells in allergic diseases and other Th2-type immune responses.