Nanopartikelcharakterisierung: Untersuchung des Retentionsverhaltens in der AF-FFF und der bimodalen Größenverteilung sauer katalysierter Poly(organosiloxan)-Dispersionen

Polymere Hohlstrukturen eignen sich um eine große Anzahl an Gastmolekülen zu verkapseln und bieten somit interessante Anwendungsmöglichkeiten, z.B. im Bereich kontrollierter Transportsysteme. Solche wohl definierten Strukturen lassen sich mittels des Sol-Gel-Prozesses durch Hydrolyse und Kondensation von Dialkoxydialkyl- und Trialkoxyalkylsilanen in wässriger Dispersion in Gegenwart von Tensiden synthetisieren. Die Methode ermöglicht den Aufbau verschiedener Kern-Schale-Systeme, inklusive Hohlkugelarchitekturen, mit Durchmessern von 10-100 nm. Abhängig von den eingestellten Parametern wird dabei eine bimodale Größenverteilung der Partikel beobachtet. Die bimodalen Proben wurden mittels der circularen asymmetrischen Fluss Feld-Fluss Fraktionierung (CAFFFE) fraktioniert. NMR-Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Ursache der bimodalen Verteilung in der Synthese der Kerndispersion zu liegen scheint. MALDI-TOF-MS und GC-Messungen zeigen, dass der Kern der größeren Partikel ausschließlich aus zyklischen Kondensationsprodukten besteht, während im Kernmaterial der kleineren Partikel zusätzlich noch lineare Polydimethylsiloxan-Ketten vorhanden sind. Unter der Annahme, dass PDMS als Ultrahydrophob wirkt, lässt sich die Ostwaldreifung als Ursache der Bimodalität ausmachen. Eine Erhöhung des PDMS-Anteils, der zur Stabilisierung gegen den Reifungsprozess notwendig ist, führt zu einer monomodalen Verteilung der erhaltenen Partikel.

Glycomics as an innovative technology to identify biomarkers of aging

Introduction. Glycomic analysis allows investigating on the global glycome within body fluids (as serum/plasma), this could eventually lead to identify new types of disease biomarkers, or as in this study, biomarkers of human aging studying specific aging models. Recent studies demonstrated that the plasma N-glycome is modified during human aging, suggesting that measurements of log-ratio of two serum/plasma N-glycans (NGA2F and NA2F), named GlycoAge test could provide a non-invasive biomarker of aging. Down syndrome (DS) is a genetic disorder in which multiple major aspects of senescent phenotype occur much earlier than in healthy age-matched subjects and has been often defined as an accelerated aging syndrome. The aim of this study was to compare plasma N-glycome of patients affected by DS with age- and sex matched non-affected controls, represented by their siblings (DSS), in order to assess if DS is characterized by a specific N-glycomic pattern. Therefore, in order to investigate if N-glycans changes that occur in DS were able to reveal an accelerated aging in DS patients, we enrolled the mothers (DSM) of the DS and DSS, representing the non-affected control group with a different chronological age respect to DS. We applied two different N-glycomics approaches on the same samples: first, in order to study the complete plasma N-glycome we applied a new high-sensitive protocol based on a MALDI-TOF-MS approach, second, we used DSA-FACE technology. Results: MALDI-TOF/MS analysis detected a specific N-glycomics signature for DS, characterized by an increase of fucosylated and bisecting species. Moreover, in DS the abundance of agalactosylated (as NA2F) species was similar or higher than their mothers. The measurement of GlycoAge test with DSA-FACE, validated also by MALDI-TOF, demonstrated a strongly association with age, moreover in DS, it’s value was similar to their mothers, and significantly higher than their age- and sex matched not-affected siblings

Use of Biotechnology to increase the content of bioactive compounds in fermented foods of plant origin

The objectives of this PhD research were: i) to evaluate the use of bread making process to increase the content of β-glucans, resistant starch, fructans, dietary fibers and phenolic compounds of kamut khorasan and wheat breads made with flours obtained from kernels at different maturation stage (at milky stage and fully ripe) and ii) to study the impact of whole grains consumption in the human gut. The fermentation and the stages of kernel development or maturation had a great impact on the amount of resistant starch, fructans and β-glucans as well as their interactions resulted highly statistically significant. The amount of fructans was high in kamut bread (2.1g/100g) at the fully ripe stage compared to wheat during industrial fermentation (baker’s yeast). The sourdough increases the content of polyphenols more than industrial fermentation especially in bread made by flour at milky stage. From the analysis of volatile compounds it resulted that the sensors of electronic nose perceived more aromatic compound in kamut products, as well as the SPME-GC-MS, thus we can assume that kamut is more aromatic than wheat, so using it in sourdough process can be a successful approach to improve the bread taste and flavor. The determination of whole grain biormakers such as alkylresorcinols and others using FIE-MS AND GC-tof-MS is a valuable alternative for further metabolic investigations. The decrease of N-acetyl-glucosamine and 3-methyl-hexanedioic acid in kamut faecal samples suggests that kamut can have a role in modulating mucus production/degradation or even gut inflammation. This work gives a new approach to the innovation strategies in bakery functional foods, that can help to choose the right or best combination between stages of kernel maturation-fermentation process and baking temperature.

Synthese von selektiv Protease-spaltbaren Nanopartikeln

Diese Arbeit legt, im Rahmen eines interdisziplinären BMBF Projekts, die Grundlage für eine neue, potentielle Früherkennungsmethode für Prostatakrebs. Ausgehend von der Idee, einen sensitiv detektierbaren Farbstoff in selektiv, Hepsin-spaltbare Kapseln einzubringen, wurde ein Modellsystem erarbeitet. Als Zielsubstrat für das Enzym Hepsin wurde die Sequenz RQLRVVGG identifiziert. Basierend auf dem hier entwickelten Modell, könnte in Zukunft eine Detektion von Hepsin und damit von Prostatakrebs im Frühstadium in vivo erfolgen. rnUm das Konzept der Enzymspaltbarkeit zu zeigen,wurden, basierend auf einem Modell,enzymatisch-spaltbare, polymere Nanopartikeldargestellt. In dieser Arbeit konnte die Synthese von vier Generationen spezifisch Protease-spaltbarer, hydrophober Nanopartikel gezeigt werden. Die Enzyme Pepsin und Trypsin, die selektiv die Peptidsequenz GFF spalten, wurden als Modellenzyme für das im Prostatakarzinom überexprimierte Hepsin eingesetzt. rnrnAls Ausgangspolymer diente Poly(styrol-co-acrylsäure), das in freier, radikalischer Polymerisation hergestellt und mit Molekulargewichten zwischen 8500 und 49400 g/mol erhalten wurde. Der Funktionalisierungsgrad wurde zwischen 5 und 16%-Gew. variiert. Die Charakterisierung erfolgte mittels GPC und NMR-Spektroskopie. In einer polymeranalogen Reaktion wurden die Säurefunktionen zu Aminogruppen umgesetzt. Die resultierendenPolymere wurden unter Einsatz der über Jahrzehnte entwickelten, effektiven Peptidkupplungschemie mit enzymspaltbarenPeptiden gekuppelt, um dadurch definierte Peptid-Polymer-Konjugate zu erhalten.Als enzymatisch spaltbarer Teil des Konjugats, wurden mithilfe der Festphasenpeptidsynthese (SPPS),FRET(Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer)-markiertePeptide synthetisiert, die auf der Trypsin-spaltbaren Sequenz GFF basierten. Zum Nachweis der Vernetzung der späteren Nanopartikel, wurde zusätzlich einern15N-markierte Aminosäure (Fmoc-(15N)-Glycin) am N-Terminus der Peptide eingebaut, um die Reaktion des Amins zu einem Amid verfolgen zu können.Die Charakterisierung der Peptide erfolgte mittels1H-, 13C-NMR-Spektroskopie, MALDI TOF-MS und HPLC. Aus den Polymeren und dem Peptid wurden Peptid-Polymer-Konjugate hergestellt und die erfolgreiche Anbindung mittels DOSY-NMR-Spektroskopie und HPLC nachgewiesen. Aus den Konjugaten konnten im nächsten Schritt, durch Anwendung des inversen Miniemulsionsprozesses, Nanopartikel formuliertund diese in wässriges Milieu überführt werden. Die Dispersionen konnten mittels PCCS, REM und Zetapotentialmessungen charakterisiert werden, wobei Partikeldurchmesser um 230 nm resultierten. Der Nachweis der Vernetzung des Polymers in den Partikeln konnte durch die Reaktion desrn15N-Amins zu einem 15N-Amid mittels 15N-Festkörper-NMR-Spektroskopie nachverfolgt werden. Abschließend konnten die Partikel durch Trypsin gespalten werden, was durch das eingebaute FRET-Paar über eine in situ Detektion der relativen Fluoreszenz erfolgte. rnIn dieser Arbeit konnten Peptid-vernetzte, Polystyrol basierte Nanopartikel hergestellt und in Heterophase von Trypsin gespalten werden.rn

Control of fruit postharvest diseases by thermotherapy: understanding the mechanisms of action by –omics approaches

In recent years the hot water treatment (HW) represents an effective and safe approach for managing postharvest decay. This study reported the effect of an HW (60°C for 60 s and 45°C for 10 min) on brown rot and blue mould respectively. Peaches was found more thermotolerant compared to apple fruit, otherwise Penicillium expansum was more resistant to heat with respect to Monilinia spp. In semi-commercial and commercial trials, the inhibition of brown rot in naturally infected peaches was higher than 78% after 6 days at 0°C and 3 days at 20°C. Moreover, in laboratory trials a 100% disease incidence reduction was obtained by treating artificially infected peaches at 6-12 h after inoculation revealing a curative effect of HW. The expression levels of some genes were evaluated by qRT-PCR. Specifically, the cell wall genes (β-GAL, PL, PG, PME) showed a general decrease of expression level whereas PAL, CHI, HSP70 and ROS-scavenging genes were induced in treated peaches compared to the control ones. Contrarily, HW applied on artificially infected fruit before the inoculum was found to increase brown rot susceptibility. This aspect might be due to an increase of fruit VOCs emission as revealed by PTR-ToF-MS analysis. In addition a microarray experiment was conducted to analyze molecular mechanisms underneath the apple response to heat. Our results showed a largest amount of induced Heat shock proteins (HSPs), Heat shock cognate proteins (HSCs), Heat shock transcription factors (HSTFs) genes found at 1 and 4 hours from the treatment. Those genes required for the thermotolerance process could be involved in induced resistance response. The hypothesis was confirmed by 30% of blue mold disease reduction in artificially inoculated apple after 1 and 4 hours from the treatment. In order to improve peaches quality and disease management during storage, an innovative tool was also used: Da-meter.

Entwicklung und Evaluierung von Methoden zur zeitnahen Identifizierung weinrelevanter Mikroorganismen

Hefen der Gattung Saccharomyces und Milchsäurebakterien sind bei der Weinbereitung von besonderer Bedeutung. Neben der alkoholischen Gärung sind Hefen an der Ausbildung von Aromastoffen beteiligt. Milchsäurebakterien spielen eine Rolle beim biologischen Säureabbau (malolaktische Fermentation), können jedoch aufgrund ihrer Stoffwechseleigenschaft weitere Aromamodifikationen bewirken. Die Zusammensetzung der mikrobiellen Flora zu verschiedenen Zeitpunkten der Weinbereitung hat einen direkten Einfluss auf die Qualität der Weine, welche sich sowohl positiv als auch negativ verändern kann. Daher ist die zuverlässige Identifizierung und Differenzierung verschiedener Mikroorganismen auf Art- aber auch Stamm-Ebene während der Vinifikation von Bedeutung.rnDer erste Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit der Differenzierung von Hefearten der Gattung Saccharomyces, welche mit Hilfe konventioneller Methoden nicht eindeutig identifiziert werden können. Unter Verwendung des DNA-Fingerprintverfahrens Specifically Amplified Polymorphic DNA (SAPD)-PCR sowie der Matrix-Assisted-Laser-Desorption/Ionization-Time-Of-Flight-Mass-Spectrometry (MALDI-TOF-MS) war eine Differenzierung dieser taxonomisch sehr nah verwandten Arten möglich. Weiterhin konnten interspezifische Hybridstämme detektiert werden. In diesem Zusammenhang wurde der Hybridcharakter des Stammes NCYC 3739 (S. cerevisiae x kudriavzevii) entdeckt. Um die Elternspezies eines Hybridstamms zuverlässig zu bestimmen, sind weiterführende Genanalysen notwendig. Hierzu konnte eine Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus (RFLP)-Analyse verschiedener genetischer Marker erfolgreich herangezogen werden.rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde weiterhin ein Schnellidentifizierungssystem zum Nachweis weinrelevanter Milchsäurebakterien entwickelt. Mit Hilfe der Sequence Characterized Amplified Region (SCAR)-Technik konnten artspezifische Primer generiert werden, welche auf der Grundlage charakteristischer Fragmente der SAPD-PCR abgeleitet wurden. Durch die Anwendung dieser Primer in einer Multiplex-PCR-Reaktion war die Detektion verschiedener, einerseits häufig in Wein vorkommender und andererseits potentiell an der Ausbildung von Weinfehlern beteiligter Milchsäurebakterien-Arten möglich. Die ermittelte Nachweisgrenze dieser Methode lag mit 10^4 - 10^5 Zellen/ml im Bereich der Zelltiter, die in Most und Wein anzutreffen sind. Anhand der Untersuchung verschiedener Weinproben von Winzern in Rheinhessen wurde die Praxistauglichkeit dieser Methode demonstriert. rnUm die gesamten Milchsäurebakterien-Population im Verlauf der Weinbereitung zu kontrollieren, kann die Denaturierende Gradienten-Gelelektrophorese herangezogen werden. Hierzu wurden in dieser Arbeit Primer zur Amplifikation eines Teilbereichs des rpoB-Gens abgeleitet, da dieses Gen eine Alternative zur 16S rDNA darstellt. Die DNA-Region erwies sich als geeignet, um zahlreiche weinrelevante Milchsäurebakterien-Arten zu differenzieren. In einigen ersten Versuchen konnte gezeigt werden, dass diese Methode für eine praktische Anwendung in Frage kommt.rnOenococcus oeni ist das wichtigste Milchsäurebakterien während der malolaktischen Fermentation und wird häufig in Form kommerzieller Starterkulturen eingesetzt. Da verschiedene Stämme unterschiedliche Eigenschaften aufweisen können, ist es von Bedeutung, die Identität eines bestimmten Stammes zweifelsfrei feststellen zu können. Anhand der Analyse verschiedener O. oeni-Stämme aus unterschiedlichen Weinbaugebieten konnte gezeigt werden, dass sowohl die nested SAPD-PCR als auch die MALDI-TOF-MS genügend Sensitivität aufweisen, um eine Unterscheidung auf Stamm-Ebene zu ermöglichen, wobei die mittels nSAPD-PCR ermittelten Distanzen der Stämme zueinander mit deren geographischer Herkunft korrelierte.rnDie in der vorliegenden Arbeit entwickelten Methoden können dazu beitragen, den Prozess der Weinherstellung besser zu kontrollieren und so eine hohe Qualität des Endproduktes zu gewährleisten.rn

Synthese und Charakterisierung biologischer Hybridpolymere zur gentechnologischen Anwendung

KurzfassungrnrnZiel der vorliegenden Arbeit war es eine gezielte, hochspezifische Inhibierung der Proteinbiosynthese zu erreichen. Dies kann durch eine Blockierung des mRNA-Strangs durch komplementäre DNA/RNA-Stränge (ähnlich zur Antisense-Methode) oder durch die Hydrolyse des mRNA-Strangs mit Hilfe spezieller Enzyme (RNasen) realisiert werden. Da jedoch beide Methoden nicht zu zufriedenstellenden Ergebnissen führen, wäre deshalb eine Kombination aus beiden Methoden ideal, welche in einer spezifischen, gezielten und permanenten Ausschaltung der Proteinbiosynthese resultieren würde. Um dieses Ziel zu verwirklichen, ist es nötig, ein Molekül zu synthetisieren, welches in der Lage ist selektiv an einer spezifischen Position an den RNA-Strang zu hybridisieren und anschließend den RNA-Strang an dieser zu hydrolysieren. Der große Vorteil dieses Konzepts liegt darin, dass die DNA-Sequenz für die Hybridisierung an die entsprechende RNA maßgeschneidert hergestellt werden kann und somit jede RNA gezielt angesteuert werden kann, was letztendlich zu einer spezifischen Inhibierung der korrespondierenden Proteinbiosynthese führen soll.rnDurch die Verwendung und Optimierung der Nativen Chemischen Ligation (NCL) als Konjugationsmethode konnten zwei Biomakromoleküle in Form einer 46-basenlangen DNA (komplementär zum RNA-Strang) und einer 31-aminosäurelangen RNase kovalent verknüpft werden. Durch unterschiedliche chemische und molekularbiologische Analysemethoden, wie PAGE, GPC, CE, MALDI-ToF-MS etc., war es zudem möglich, die erfolgreiche Synthese dieses biologischen Hybridpolymers als monodisperses, reines Produkt zu bestätigen. rnDie Synthese des ca. 800-basenlangen RNA-Strangs, der als Modell-Matrize für die selektive und spezifische Degradierung durch das DNA-RNase-Konjugat dienen sollte, konnte unter Zuhilfenahme gentechnologischer Standard-Methoden erfolgreich bewerkstelligt werden. Weiterhin konnte durch die Verwendung der radioaktiven cDNA-Synthese gezeigt werden, dass das DNA-RNase-Konjugat an die gewünschte Stelle des RNA-Strangs hybridisiert. Die Identifizierung einer anschließenden spezifischen Hydrolyse des RNA-Strangs durch die an den DNA-Strang angeknüpfte RNase war aufgrund der geringen katalytischen Aktivität des Enzyms bisher allerdings nicht möglich.rn

Entwicklung eines biologischen Verfahrens zur Reduktion des Methanschlupfes von Gasaufbereitungsanlagen mittels Einsatz methanotropher Mikroorganismen

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein biologisches Verfahren zur Reduzierung des Methanschlupfes in Gasaufbereitungsanlagen entwickelt. Der Methanschlupf entsteht, wenn das in Biogasanlagen produzierte Biogas auf normierte Erdgasqualität aufgereinigt wird, welches notwendig ist, um es in das bestehende Erdgasnetz einleiten zu können. Bei dieser Aufreinigung wird aus dem Biogas auch ein Teil des Methans mit ausgewaschen und gelangt mit dem Abgas der Gasaufbereitungsanlage in die Umwelt. Bisher wird dieses methanhaltige Abgas verbrannt, da eine Freisetzung des starken Treibhausgases Methan durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz untersagt ist. Dies reduziert die ökologische Bilanz und setzt die Wirtschaftlichkeit der gesamten Biogasanlage herab. rnUm das Methan mit Hilfe eines biologischen Verfahrens zu entfernen, wurden zunächst methanoxidierende Bakterien (MOB) aus verschiedenen Habitaten isoliert, darunter auch erstmalig aus Termiten. Der Nachweis erfolgte durch (quantitative) Polymerase-Kettenreaktion und Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung anhand spezifischer Primer bzw. Sonden für das Gen der partikulären Methanmonoxygenase, ein MOB kennzeichnendes Enzym. Ihr Titer wurde durch qPCR auf 10^2 - 10^3 MOB pro Termitendarm durch qPCR bestimmt. Mit Hilfe einer 16S rDNA Sequenzierung, der (n)SAPD-PCR, der Bestimmung der zellulären Fettsäurezusammensetzung sowie MALDI-TOF-MS-Analysen konnten die Termitenisolate der Gattung Methylocystis zugeordnet werden. Die fehlende Artzuweisung spricht jedoch für die Isolierung einer neuen Art. rnFür den Einsatz der Isolate in Gasaufbereitungsanlagen wurde in Zusammenarbeit mit dem Prüf- und Forschungsinstitut in Pirmasens ein Reaktor im Technikumsmaßstab entwickelt und konstruiert. Der Reaktor wurde mit synthetischen Aufwuchskörper befüllt, diese mit einem neu gewonnenen potenten Termitenisolat besiedelt und der methanhaltige Abgasstrom der Gasaufbereitungsanlage darüber geleitet. Es wurde eine Reduktion des Methans um 68 % innerhalb von 30 Stunden erzielt. Medienoptimierungen wiesen das Potential auf, diesen Verbrauch um das bis zu 4-fache weiter zu steigern. Da durch die Oxidation des Methans im Abgasstrom der Gasaufbereitungsanlage Zellmasse und Polyhydroxybuttersäure (PHB) aufgebaut wurde, können diese als Substrat zurück in die Biogasanlagen geleitet werden und die Wirtschaftlichkeit weiter verbessern. Die Wirksamkeit des in diesem Projekt entwickelten Verfahrens wurde somit eindeutig demonstriert.

Proteome and radioimmunoassay analyses of pituitary hormones and proteins in response to feed restriction of dairy cows

The hypothalamic-pituitary system controls homeostasis during feed energy reduction. In order to examine which pituitary proteins and hormone variants are potentially associated with metabolic adaptation, pituitary glands from ad libitum and energy restrictively fed dairy cows were characterized using RIA and 2-DE followed by MALDI-TOF-MS. We found 64 different spots of regulatory hormones: growth hormone (44), preprolactin (16), luteinizing hormone (LH) (1), thyrotropin (1), proopiomelanocortin (1) and its cleavage product lipotropin (1), but none of these did significantly differ between feeding groups. Quantification of total pituitary LH and prolactin concentrations by RIA confirmed the results obtained by proteome analysis. Also, feed energy restriction provoked increasing non-esterified fatty acid, decreasing prolactin, but unaltered glucose, LH and growth hormone plasma concentrations. Energy restriction decreased the expression of glial fibrillary acidic protein, triosephosphate isomerase, purine-rich element-binding protein A and elongation factor Tu, whereas it increased expression of proline synthetase co-transcribed homolog, peroxiredoxin III, beta-tubulin and annexin A5 which is involved in the hormone secretion process. Our results indicate that in response to feed energy restriction the pituitary reservoir of all posttranslationally modified hormone forms remains constant. Changing plasma hormone concentrations are likely attributed to a regulated releasing process from the gland into the blood.

Rapid typing of Moraxella catarrhalis subpopulations based on outer membrane proteins using mass spectrometry

Moraxella catarrhalis is a major mucosal pathogen of the human respiratory tract both in children and in adults. Two subpopulations of this organism have been described that differ in 16S rRNA gene sequence and virulence traits. Three 16S rRNA types have been defined. 2-DE followed by protein identification by MS revealed significant differences in the outer membrane protein (OMP) patterns of each M. catarrhalis 16S rRNA type. Approximately 130 features were detected on the 2-DE map of each M. catarrhalis 16S rRNA type. However, only 50 features were expressed by all strains. Furthermore, direct profiling of isolated OMP using MALDI-TOF MS resulted in a characteristic spectral fingerprint for each 16S rRNA type. Fingerprints remained identical when intact cells instead of isolated OMP were analyzed. This finding suggests that the source of desorbed ions is the outer membrane. Based on the fingerprint we were able to assign 18 well-characterized clinical M. catarrhalis isolates to the correct subpopulation. Therefore, MALDI-TOF of intact M. catarrhalis provides a rapid and robust tool for M. catarrhalis strain typing that could be applied in epidemiological studies.

TERPENE AND TERPENOID EMISSIONS AND SECONDARY ORGANIC AEROSOL PRODUCTION

Approximately 90% of fine aerosol in the Midwestern United States has a regional component with a sizable fraction attributed to secondary production of organic aerosol (SOA). The Ozark Forest is an important source of biogenic SOA precursors like isoprene (> 150 mg m-2 d-1), monoterpenes (10-40 mg m-2 d-1), and sesquiterpenes (10-40 mg m-2d-1). Anthropogenic sources include secondary sulfate and nitrate and biomass burning (51-60%), vehicle emissions (17-26%), and industrial emissions (16-18%). Vehicle emissions are an important source of volatile and vapor-phase, semivolatile aliphatic and aromatic hydrocarbons that are important anthropogenic sources of SOA precursors. The short lifetime of SOA precursors and the complex mixture of functionalized oxidation products make rapid sampling, quantitative processing methods, and comprehensive organic molecular analysis essential elements of a comprehensive strategy to advance understanding of SOA formation pathways. Uncertainties in forecasting SOA production on regional scales are large and related to uncertainties in biogenic emission inventories and measurement of SOA yields under ambient conditions. This work presents a bottom-up approach to develop a conifer emission inventory based on foliar and cortical oleoresin composition, development of a model to estimate terpene and terpenoid signatures of foliar and bole emissions from conifers, development of processing and analytic techniques for comprehensive organic molecular characterization of SOA precursors and oxidation products, implementation of the high-volume sampling technique to measure OA and vapor-phase organic matter, and results from a 5 day field experiment conducted to evaluate temporal and diurnal trends in SOA precursors and oxidation products. A total of 98, 115, and 87 terpene and terpenoid species were identified and quantified in commercially available essential oils of Pinus sylvestris, Picea mariana, and Thuja occidentalis, respectively, by comprehensive, two-dimensional gas chromatography with time-of-flight mass spectrometric detection (GC × GC-ToF-MS). Analysis of the literature showed that cortical oleoresin composition was similar to foliar composition of the oldest branches. Our proposed conceptual model for estimation of signatures of terpene and terpenoid emissions from foliar and cortical oleoresin showed that emission potentials of the foliar and bole release pathways are dissimilar and should be considered for conifer species that develop resin blisters or are infested with herbivores or pathogens. Average derivatization efficiencies for Methods 1 and 2 were 87.9 and 114%, respectively. Despite the lower average derivatization efficiency of Method 1, distinct advantages included a greater certainty of derivatization yield for the entire suite of multi- and poly-functional species and fewer processing steps for sequential derivatization. Detection limits for Method 1 using GC × GC- ToF-MS were 0.09-1.89 ng μL-1. A theoretical retention index diagram was developed for a hypothetical GC × 2GC analysis of the complex mixture of SOA precursors and derivatized oxidation products. In general, species eluted (relative to the alkyl diester reference compounds) from the primary column (DB-210) in bands according to n and from the secondary columns (BPX90, SolGel-WAX) according to functionality, essentially making the GC × 2GC retention diagram a Carbon number-functionality grid. The species clustered into 35 groups by functionality and species within each group exhibited good separation by n. Average recoveries of n-alkanes and polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by Soxhlet extraction of XAD-2 resin with dichloromethane were 80.1 ± 16.1 and 76.1 ± 17.5%, respectively. Vehicle emissions were the common source for HSVOCs [i.e., resolved alkanes, the unresolved complex mixture (UCM), alkylbenzenes, and 2- and 3-ring PAHs]. An absence of monoterpenes at 0600-1000 and high concentrations of monoterpenoids during the same period was indicative of substantial losses of monoterpenes overnight and the early morning hours. Post-collection, comprehensive organic molecular characterization of SOA precursors and products by GC × GC-ToFMS in ambient air collected with ~2 hr resolution is a promising method for determining biogenic and anthropogenic SOA yields that can be used to evaluate SOA formation models.

Non-phenotypic tests to detect and characterize antibiotic resistance mechanisms in Enterobacteriaceae

In the past 2 decades, we have observed a rapid increase of infections due to multidrug-resistant Enterobacteriaceae. Regrettably, these isolates possess genes encoding for extended-spectrum β-lactamases (e.g., blaCTX-M, blaTEM, blaSHV) or plasmid-mediated AmpCs (e.g., blaCMY) that confer resistance to last-generation cephalosporins. Furthermore, other resistance traits against quinolones (e.g., mutations in gyrA and parC, qnr elements) and aminoglycosides (e.g., aminoglycosides modifying enzymes and 16S rRNA methylases) are also frequently co-associated. Even more concerning is the rapid increase of Enterobacteriaceae carrying genes conferring resistance to carbapenems (e.g., blaKPC, blaNDM). Therefore, the spread of these pathogens puts in peril our antibiotic options. Unfortunately, standard microbiological procedures require several days to isolate the responsible pathogen and to provide correct antimicrobial susceptibility test results. This delay impacts the rapid implementation of adequate antimicrobial treatment and infection control countermeasures. Thus, there is emerging interest in the early and more sensitive detection of resistance mechanisms. Modern non-phenotypic tests are promising in this respect, and hence, can influence both clinical outcome and healthcare costs. In this review, we present a summary of the most advanced methods (e.g., next-generation DNA sequencing, multiplex PCRs, real-time PCRs, microarrays, MALDI-TOF MS, and PCR/ESI MS) presently available for the rapid detection of antibiotic resistance genes in Enterobacteriaceae. Taking into account speed, manageability, accuracy, versatility, and costs, the possible settings of application (research, clinic, and epidemiology) of these methods and their superiority against standard phenotypic methods are discussed.

Phenotypic and genotypic identification of streptococci and related bacteria isolated from bovine intramammary infections.

BACKGROUND Streptococcus spp. and other Gram-positive, catalase-negative cocci (PNC) form a large group of microorganisms which can be found in the milk of cows with intramammary infection. The most frequently observed PNC mastitis pathogens (major pathogens) are Streptococcus uberis, Strep. dysgalactiae, and Strep. agalactiae. The remaining PNC include a few minor pathogens and a large nonpathogenic group. Improved methods are needed for the accurate identification and differentiation of PNC. A total of 151 PNC were collected from cows with intramammary infection and conclusively identified by 16S rRNA sequencing as reference method. Nine phenotypic microbiological tests (alpha-hemolysis, CAMP reaction, esculin hydrolysis, growth on kanamycin esculin azide agar and on sodium chloride agar, inulin fermentation, hippurate hydrolysis, leucine aminopeptidase and pyrrolidonyl peptidase activity), multiplex PCR for the three major pathogens (target genes for Strep. uberis, Strep. dysgalactiae and Strep. agalactiae: pauA, 16S rRNA, and sklA3, respectively), and mass spectroscopy using the matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight (MALDI-TOF MS) were evaluated for the diagnosis and discrimination of the three clinically most relevant PNC. RESULTS The probability that a strain of Strep. uberis, Strep. dysgalactiae and Strep. agalactiae was correctly identified by combining the results of the 9 phenotypic tests was 92%, 90%, and 100%, respectively. Applying the multiplex PCR, all strains of the three major pathogens were correctly identified and no false positive results occurred. Correct identification was observed for all strains of Strep. uberis and Strep. agalactiae using MALDI-TOF MS. In the case of Strep. dysgalactiae, some variability was observed at the subspecies level, but all strains were allocated to one single cluster. CONCLUSIONS The results of the present study show that reliable identification of the clinically most relevant PNC (Strep. uberis, Strep. agalactiae and Strep. dysgalactiae) can be obtained by use of a combination of colony morphology, hemolysis type and catalase reaction, and a multiplex PCR with specific primers restricted to these 3 pathogens. The MALDI-TOF MS is a fast method that shows promising results, although identification of Strep. dysgalactiae at the subspecies level is not yet satisfactory.

Genetic testing for TMEM154 mutations associated with lentivirus susceptibility in sheep.

In sheep, small ruminant lentiviruses cause an incurable, progressive, lymphoproliferative disease that affects millions of animals worldwide. Known as ovine progressive pneumonia virus (OPPV) in the U.S., and Visna/Maedi virus (VMV) elsewhere, these viruses reduce an animal's health, productivity, and lifespan. Genetic variation in the ovine transmembrane protein 154 gene (TMEM154) has been previously associated with OPPV infection in U.S. sheep. Sheep with the ancestral TMEM154 haplotype encoding glutamate (E) at position 35, and either form of an N70I variant, were highly-susceptible compared to sheep homozygous for the K35 missense mutation. Our current overall aim was to characterize TMEM154 in sheep from around the world to develop an efficient genetic test for reduced susceptibility. The average frequency of TMEM154 E35 among 74 breeds was 0.51 and indicated that highly-susceptible alleles were present in most breeds around the world. Analysis of whole genome sequences from an international panel of 75 sheep revealed more than 1,300 previously unreported polymorphisms in a 62 kb region containing TMEM154 and confirmed that the most susceptible haplotypes were distributed worldwide. Novel missense mutations were discovered in the signal peptide (A13V) and the extracellular domains (E31Q, I74F, and I102T) of TMEM154. A matrix-assisted laser desorption/ionization-time-of flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) assay was developed to detect these and six previously reported missense and two deletion mutations in TMEM154. In blinded trials, the call rate for the eight most common coding polymorphisms was 99.4% for 499 sheep tested and 96.0% of the animals were assigned paired TMEM154 haplotypes (i.e., diplotypes). The widespread distribution of highly-susceptible TMEM154 alleles suggests that genetic testing and selection may improve the health and productivity of infected flocks.

Identification of cryptic Anopheles mosquito species by molecular protein profiling.

Vector control is the mainstay of malaria control programmes. Successful vector control profoundly relies on accurate information on the target mosquito populations in order to choose the most appropriate intervention for a given mosquito species and to monitor its impact. An impediment to identify mosquito species is the existence of morphologically identical sibling species that play different roles in the transmission of pathogens and parasites. Currently PCR diagnostics are used to distinguish between sibling species. PCR based methods are, however, expensive, time-consuming and their development requires a priori DNA sequence information. Here, we evaluated an inexpensive molecular proteomics approach for Anopheles species: matrix assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS). MALDI-TOF MS is a well developed protein profiling tool for the identification of microorganisms but so far has received little attention as a diagnostic tool in entomology. We measured MS spectra from specimens of 32 laboratory colonies and 2 field populations representing 12 Anopheles species including the A. gambiae species complex. An important step in the study was the advancement and implementation of a bioinformatics approach improving the resolution over previously applied cluster analysis. Borrowing tools for linear discriminant analysis from genomics, MALDI-TOF MS accurately identified taxonomically closely related mosquito species, including the separation between the M and S molecular forms of A. gambiae sensu stricto. The approach also classifies specimens from different laboratory colonies; hence proving also very promising for its use in colony authentication as part of quality assurance in laboratory studies. While being exceptionally accurate and robust, MALDI-TOF MS has several advantages over other typing methods, including simple sample preparation and short processing time. As the method does not require DNA sequence information, data can also be reviewed at any later stage for diagnostic or functional patterns without the need for re-designing and re-processing biological material.