Chemical and morphological characterization of sugarcane bagasse submitted to a delignification process for enhanced enzymatic digestibility

Abstract Background In recent years, biorefining of lignocellulosic biomass to produce multi-products such as ethanol and other biomaterials has become a dynamic research area. Pretreatment technologies that fractionate sugarcane bagasse are essential for the successful use of this feedstock in ethanol production. In this paper, we investigate modifications in the morphology and chemical composition of sugarcane bagasse submitted to a two-step treatment, using diluted acid followed by a delignification process with increasing sodium hydroxide concentrations. Detailed chemical and morphological characterization of the samples after each pretreatment condition, studied by high performance liquid chromatography, solid-state nuclear magnetic resonance, diffuse reflectance Fourier transformed infrared spectroscopy and scanning electron microscopy, is reported, together with sample crystallinity and enzymatic digestibility. Results Chemical composition analysis performed on samples obtained after different pretreatment conditions showed that up to 96% and 85% of hemicellulose and lignin fractions, respectively, were removed by this two-step method when sodium hydroxide concentrations of 1% (m/v) or higher were used. The efficient lignin removal resulted in an enhanced hydrolysis yield reaching values around 100%. Considering the cellulose loss due to the pretreatment (maximum of 30%, depending on the process), the total cellulose conversion increases significantly from 22.0% (value for the untreated bagasse) to 72.4%. The delignification process, with consequent increase in the cellulose to lignin ratio, is also clearly observed by nuclear magnetic resonance and diffuse reflectance Fourier transformed infrared spectroscopy experiments. We also demonstrated that the morphological changes contributing to this remarkable improvement occur as a consequence of lignin removal from the sample. Bagasse unstructuring is favored by the loss of cohesion between neighboring cell walls, as well as by changes in the inner cell wall structure, such as damaging, hole formation and loss of mechanical resistance, facilitating liquid and enzyme access to crystalline cellulose. Conclusions The results presented herewith show the efficiency of the proposed method for improving the enzymatic digestibility of sugarcane bagasse and provide understanding of the pretreatment action mechanism. Combining the different techniques applied in this work warranted thorough information about the undergoing morphological and chemical changes and was an efficient approach to understand the morphological effects resulting from sample delignification and its influence on the enhanced hydrolysis results.

Chemical composition and enzymatic digestibility of sugarcane clones selected for varied lignin content

Abstract Background The recalcitrance of lignocellulosic materials is a major limitation for their conversion into fermentable sugars. Lignin depletion in new cultivars or transgenic plants has been identified as a way to diminish this recalcitrance. In this study, we assessed the success of a sugarcane breeding program in selecting sugarcane plants with low lignin content, and report the chemical composition and agronomic characteristics of eleven experimental hybrids and two reference samples. The enzymatic digestion of untreated and chemically delignified samples was evaluated to advance the performance of the sugarcane residue (bagasse) in cellulosic-ethanol production processes. Results The ranges for the percentages of glucan, hemicellulose, lignin, and extractive (based on oven-dry biomass) of the experimental hybrids and reference samples were 38% to 43%, 25% to 32%, 17% to 24%, and 1.6% to 7.5%, respectively. The samples with the smallest amounts of lignin did not produce the largest amounts of total polysaccharides. Instead, a variable increase in the mass of a number of components, including extractives, seemed to compensate for the reduction in lignin content. Hydroxycinnamic acids accounted for a significant part of the aromatic compounds in the samples, with p-coumaric acid predominating, whereas ferulic acid was present only in low amounts. Hydroxycinnamic acids with ester linkage to the hemicelluloses varied from 2.3% to 3.6%. The percentage of total hydroxycinnamic acids (including the fraction linked to lignin through ether linkages) varied from 5.0% to 9.2%, and correlated to some extent with the lignin content. These clones released up to 31% of glucose after 72 hours of digestion with commercial cellulases, whereas chemically delignified samples led to cellulose conversion values of more than 80%. However, plants with lower lignin content required less delignification to reach higher efficiencies of cellulose conversion during the enzymatic treatment. Conclusion Some of the experimental sugarcane hybrids did have the combined characteristics of high biomass and high sucrose production with low lignin content. Conversion of glucan to glucose by commercial cellulases was increased in the samples with low lignin content. Chemical delignification further increased the cellulose conversion to values of more than 80%. Thus, plants with lower lignin content required less delignification to reach higher efficiencies of cellulose conversion during the enzymatic treatment.

Effects of pretreatment on morphology, chemical composition and enzymatic digestibility of eucalyptus bark: a potentially valuable source of fermentable sugars for biofuel production – part 1

Abstract Background In recent years, the growing demand for biofuels has encouraged the search for different sources of underutilized lignocellulosic feedstocks that are available in sufficient abundance to be used for sustainable biofuel production. Much attention has been focused on biomass from grass. However, large amounts of timber residues such as eucalyptus bark are available and represent a potential source for conversion to bioethanol. In the present paper, we investigate the effects of a delignification process with increasing sodium hydroxide concentrations, preceded or not by diluted acid, on the bark of two eucalyptus clones: Eucalyptus grandis (EG) and the hybrid, E. grandis x urophylla (HGU). The enzymatic digestibility and total cellulose conversion were measured, along with the effect on the composition of the solid and the liquor fractions. Barks were also assessed using Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), solid-state nuclear magnetic resonance (NMR), X-Ray diffraction, and scanning electron microscopy (SEM). Results Compositional analysis revealed an increase in the cellulose content, reaching around 81% and 76% of glucose for HGU and EG, respectively, using a two-step treatment with HCl 1%, followed by 4% NaOH. Lignin removal was 84% (HGU) and 79% (EG), while the hemicellulose removal was 95% and 97% for HGU and EG, respectively. However, when we applied a one-step treatment, with 4% NaOH, higher hydrolysis efficiencies were found after 48 h for both clones, reaching almost 100% for HGU and 80% for EG, in spite of the lower lignin and hemicellulose removal. Total cellulose conversion increased from 5% and 7% to around 65% for HGU and 59% for EG. NMR and FTIR provided important insight into the lignin and hemicellulose removal and SEM studies shed light on the cell-wall unstructuring after pretreatment and lignin migration and precipitation on the fibers surface, which explain the different hydrolysis rates found for the clones. Conclusion Our results show that the single step alkaline pretreatment improves the enzymatic digestibility of Eucalyptus bark. Furthermore, the chemical and physical methods combined in this study provide a better comprehension of the pretreatment effects on cell-wall and the factors that influence enzymatic digestibility of this forest residue.

Physico-chemical, spectroscopical and thermal characterization of biodiesel obtained by enzymatic route as a tool to select the most efficient immobilized lipase

Two microbial lipases from Burkholderia cepacia and Pseudomonas fluorescens were evaluated as catalysts for the enzymatic transesterification of beef tallow with ethanol and the most efficient lipase source was selected by taking into account the properties of the product to be used as fuel. Both lipases were immobilized on an epoxy silica-polyvinyl alcohol composite by covalent immobilization and used to perform the reactions under the following operational conditions: beef tallow-to-ethanol molar ratio of 1:9, 45ºC and 400 units of enzymatic activity per gram of fat. Products, characterized using Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR), viscosimetry, thermogravimetry and ¹H NMR spectroscopy, suggested that the biodiesel sample obtained in the reaction catalyzed by Burkholderia cepacia lipase has the best set of properties for fuel usage.

Production and action of an Aspergillus phoenicis enzymatic pool using different carbon sources

Aspergillus phoenicis is an interesting heat tolerant fungus that can synthesize enzymes with several applications in the food industry due to its great hydrolytic potential. In this work, the fungus produced high enzymatic levels when cultivated on inexpensive culture media consisting of flakes from different origins such as cassava flour, wheat fibre, crushed soybean, agro-industrial wastes, starch, glucose or maltose. Several enzymatic systems were produced from these carbon sources, but amylase was the most evident, followed by pectinase and xylanase. Traces of CMCases, avicelase, lipase, β-xylosidase, β-glucosidase and α-glucosidase activities were also detected. Amylases were produced on rye flakes, starch, oat flakes, corn flakes, cassava flour and wheat fibre. Significant amylolytic levels were produced in the culture medium with glucose or when this sugar was exhausted, suggesting an enzyme in the constitutive form. Cassava flour, rye, oats, barley and corn flakes were also used as substrates in the hydrolytic reactions, aiming to verify the liberation potential of reducing sugars. Corn flakes induced greater liberation of reducing sugars as compared to the others. Thin layer chromatography of the reaction end products showed that the hydrolysis of cassava flour liberated maltooligosaccharides, but cassava flour and corn, rye, oats and barley flakes were hydrolyzed to glucose. These results suggested the presence of glucoamylase and α-amylase as part of the enzymatic pool of A. phoencis.

Planktonic potential CO2 emission calculation: preliminary results by applying an adapted enzymatic methodology to marine ecosystems

[EN]Isocitrate Dehydrogenase (IDH) is a key enzyme in the Krebs cycle, being responsible for the production of one of the three CO2 molecules related to cellular respiration. In order to measure the potential CO2 production linked to the marine planktonic community we have adapted an enzymatic methodology. Preliminary results show that different proportions of autotrophs, heterotrophs and mixotrophs and their metabolic pathways, lead to different relationships between potential CO2 emission and potential O2 consumption during cellular respiration. Although more experiments need to be made, this methodology is leading to a better understanding of cellular respiration in marine samples and their impact on the food chain, vertical Carbon flux and the current sequestering capacity for anthropogenic CO2.

Design and synthesis of novel non peptidomimtic beta-secretase inhibitors in the treatment of Alzheimer's disease

The aspartic protease BACE1 (β-amyloid precursor protein cleaving enzyme, β-secretase) is recognized as one of the most promising targets in the treatment of Alzheimer's disease (AD). The accumulation of β-amyloid peptide (Aβ) in the brain is a major factor in the pathogenesis of AD. Aβ is formed by initial cleavage of β-amyloid precursor protein (APP) by β-secretase, therefore BACE1 inhibition represents one of the therapeutic approaches to control progression of AD, by preventing the abnormal generation of Aβ. For this reason, in the last decade, many research efforts have focused at the identification of new BACE1 inhibitors as drug candidates. Generally, BACE1 inhibitors are grouped into two families: substrate-based inhibitors, designed as peptidomimetic inhibitors, and non-peptidomimetic ones. The research on non-peptidomimetic small molecules BACE1 inhibitors remains the most interesting approach, since these compounds hold an improved bioavailability after systemic administration, due to a good blood-brain barrier permeability in comparison to peptidomimetic inhibitors. Very recently, our research group discovered a new promising lead compound for the treatment of AD, named lipocrine, a hybrid derivative between lipoic acid and the AChE inhibitor (AChEI) tacrine, characterized by a tetrahydroacridinic moiety. Lipocrine is one of the first compounds able to inhibit the catalytic activity of AChE and AChE-induced amyloid-β aggregation and to protect against reactive oxygen species. Due to this interesting profile, lipocrine was also evaluated for BACE1 inhibitory activity, resulting in a potent lead compound for BACE1 inhibition. Starting from this interesting profile, a series of tetrahydroacridine analogues were synthesised varying the chain length between the two fragments. Moreover, following the approach of combining in a single molecule two different pharmacophores, we designed and synthesised different compounds bearing the moieties of known AChEIs (rivastigmine and caproctamine) coupled with lipoic acid, since it was shown that dithiolane group is an important structural feature of lipocrine for the optimal inhibition of BACE1. All the tetrahydroacridines, rivastigmine and caproctamine-based compounds, were evaluated for BACE1 inhibitory activity in a FRET (fluorescence resonance energy transfer) enzymatic assay (test A). With the aim to enhancing the biological activity of the lead compound, we applied the molecular simplification approach to design and synthesize novel heterocyclic compounds related to lipocrine, in which the tetrahydroacridine moiety was replaced by 4-amino-quinoline or 4-amino-quinazoline rings. All the synthesized compounds were also evaluated in a modified FRET enzymatic assay (test B), changing the fluorescent substrate for enzymatic BACE1 cleavage. This test method guided deep structure-activity relationships for BACE1 inhibition on the most promising quinazoline-based derivatives. By varying the substituent on the 2-position of the quinazoline ring and by replacing the lipoic acid residue in lateral chain with different moieties (i.e. trans-ferulic acid, a known antioxidant molecule), a series of quinazoline derivatives were obtained. In order to confirm inhibitory activity of the most active compounds, they were evaluated with a third FRET assay (test C) which, surprisingly, did not confirm the previous good activity profiles. An evaluation study of kinetic parameters of the three assays revealed that method C is endowed with the best specificity and enzymatic efficiency. Biological evaluation of the modified 2,4-diamino-quinazoline derivatives measured through the method C, allow to obtain a new lead compound bearing the trans-ferulic acid residue coupled to 2,4-diamino-quinazoline core endowed with a good BACE1 inhibitory activity (IC50 = 0.8 mM). We reported on the variability of the results in the three different FRET assays that are known to have some disadvantages in term of interference rates that are strongly dependent on compound properties. The observed results variability could be also ascribed to different enzyme origin, varied substrate and different fluorescent groups. The inhibitors should be tested on a parallel screening in order to have a more reliable data prior to be tested into cellular assay. With this aim, preliminary cellular BACE1 inhibition assay carried out on lipocrine confirmed a good cellular activity profile (EC50 = 3.7 mM) strengthening the idea to find a small molecule non-peptidomimetic compound as BACE1 inhibitor. In conclusion, the present study allowed to identify a new lead compound endowed with BACE1 inhibitory activity in submicromolar range. Further lead optimization to the obtained derivative is needed in order to obtain a more potent and a selective BACE1 inhibitor based on 2,4-diamino-quinazoline scaffold. A side project related to the synthesis of novel enzymatic inhibitors of BACE1 in order to explore the pseudopeptidic transition-state isosteres chemistry was carried out during research stage at Università de Montrèal (Canada) in Hanessian's group. The aim of this work has been the synthesis of the δ-aminocyclohexane carboxylic acid motif with stereochemically defined substitution to incorporating such a constrained core in potential BACE1 inhibitors. This fragment, endowed with reduced peptidic character, is not known in the context of peptidomimetic design. In particular, we envisioned an alternative route based on an organocatalytic asymmetric conjugate addition of nitroalkanes to cyclohexenone in presence of D-proline and trans-2,5-dimethylpiperazine. The enantioenriched obtained 3-(α-nitroalkyl)-cyclohexanones were further functionalized to give the corresponding δ-nitroalkyl cyclohexane carboxylic acids. These intermediates were elaborated to the target structures 3-(α-aminoalkyl)-1-cyclohexane carboxylic acids in a new readily accessible way.

Atherosklerose und Apoptose

Subendothelial in den Arterienwänden abgelagertes LDL kann einer enzymatischen Modifikation unterliegen, die es in einen cytotoxischen Partikel überführt. In vitro Behandlung von LDL mit Proteasen (Trypsin) und Cholesterinesterase führt zu einem dem läsionalen LDL ähnlichen Produkt. Die Behandlung von humanen Endothelzellen mit enzymatisch verändertem LDL (E-LDL), das einen hohen Gehalt an freiem Cholesterin und freien Fettsäuren aufweist, führt zur Auslösung der Apoptose via ASK1 (apoptosis signal-regulating kinase 1) –abhängiger p38-Phosphorylierung. Durch eine Aktivierung der Effektor-Caspasen-3/-7 kommt es zur Fragmentierung der DNA und zur Spaltung des nukleären Enzyms Poly-(ADP-ribose)-Polymerase. Phosphatidylserin ist an der äußeren Zellmembran mittels Annexin-Bindung detektierbar. Natives oder oxidiertes LDL induziert bei gleicher Konzentration keinen programmierten Zelltod. In Depletions- und Rekonstitutionsexperimenten wurden freie Fettsäuren aus E-LDL als Auslöser der Apoptose identifiziert. In nativem LDL ist der Anteil an freien Fettsäuren gering, deshalb ist das Lipoprotein nicht cytotoxisch. E-LDL induziert weiterhin eine Erhöhung bzw. eine Hemmung der transkriptionellen Aktivität eines AP-1- bzw. NF-κB-Luciferase Reporterplasmids. Die Ausschaltung von ASK1 mittels RNA-Interferenz bzw. die Hemmung von p38 mit dem Inhibitor SB203580 rettet die Zellen vor dem programmierten Zelltod. E-LDL kann in Endothelzellen oxidativen Stress auslösen. Durch Vorbehandlung mit N-Acetyl-Cystein wird die Aktivierung sowohl von ASK1 als auch von p38 unterdrückt.

Synthese von Sialyl-Lewis X -Glycopeptiden und -Mimetika als Zelladhäsionsinhibitoren für E-Selektin

Die Selektine initiieren im Verlauf von Entzündungsprozessen einen ersten Zellkontakt zwischen Leukozyten und Endothelzellen und ermöglichen so die Auswanderung der Leukozyten aus den Blutgefäßen in das umliegende Gewebe, wo sie ihre immunologische Wirkung entfalten können. Viele Krankheiten gehen allerdings mit einer übermäßigen, durch Selektine vermittelten Zelladhäsion einher. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, Selektininhibitoren zu synthetisieren, die pathologische Zelladhäsionsprozesse, wie man sie z.B. bei rheumatoider Arthritis, bei Erkrankungen der Herzkranzgefäße oder im Verlauf von Tumormetastasierungen findet, unterbinden können. Als Leitstruktur für solche Inhibitoren dient das auf den natürlichen Selektinliganden vorkommende Tetrasaccharid Sialyl-Lewis-X. Sialyl-Lewis-X stellt aber nur einen Teil der natürlichen Selektinliganden dar. Es bindet auch nur im millimolaren Bereich an die Selektine. Die komplexen natürlichen Selektinliganden wie z.B. ESL-1 (E-Selektin-Ligand-1), die an verschiedenen Glycosylierungs-stellen des Glycoproteins Sialyl-Lewis-X präsentieren, binden mit deutlich höherer Affinität an die Selektine. Für eine spezifische Rezeptorbindung sind daher außer dem Tetrasaccharid weitere Partialstrukturen verantwortlich, wobei gezeigt werden konnte, dass ein Anknüpfen von Sialyl-Lewis-X-Derivaten an die Partialsequenz 672-681 des ESL-1 eine Affinitätssteigerung hervorruft. Ein weiterer Nachteil des natürlichen Sialyl-Lewis-X-Tetrasaccharids im Hinblick auf seine pharmakologische Verwendung besteht darin, dass sowohl die fucosidische Bindung als auch die glycosidische Verknüpfung zur Neuraminsäure durch Enzyme leicht gespalten werden, wodurch Sialyl-Lewis-X als potenzielles Anti-Adäsionsmolekül an Wert verliert. Um die Kohlenydratliganden vor einem solchen enzymatischen Abbau zu bewahren, wurden in dieser Arbeit neben der im Sialyl-Lewis-X vorliegenden L-Fucose die im Menschen nicht vorkommenden Kohlenhydrate D-Arabinose und L-Galactose sowie neben der Neuraminsäure die (S)-Cyclohexylmilchsäure zur Herstellung der sechs Glycopeptid-Selektinliganden 1-6 mit der Partialsequenz 672-681 des ESL-1 verknüpft. Die Tetrasaccharide und Tetrasaccharid-Mimetika können aus den geschützten Monosacchariden und der geschützten Cyclohexylmilch-säure in parallelen Synthesen im Gramm-Maßstab hergestellt werden. Die automatisierten Glycopeptid-Festphasensynthesen wurden an einem Peptidsynthesizer nach der Fmoc-Strategie unter Verwendung von mit Asparaginsäure vorbeladenen TentaGel®-Harzen durchgeführt. Die Strukturen aller sechs Glycopeptide 1-6 wurden sowohl durch hoch auflösende massenspektrometrische Analysen als auch durch ein- und zweidimensionale NMR-Experimente belegt. Als Ergebnis dieser Arbeit liegen sechs Sialyl-Lewis-X-Glycopeptide und -Mimetika mit der Partialsequenz 672-681 des ESL-1 vor. Diese werden in Kürze auf ihre Wirksamkeit als Zelladhäsions-inhibitoren für E-Selektin getestet. Daraus sollen sich Erkenntnisse über Struktur-Wirkungs-Beziehungen gewinnen lassen, insbesondere was das kooperative Zusammenwirken von Saccharid- und Peptidteilstrukturen in der Erkennung der Liganden durch das E-Selektin anbetrifft.

Überexpression und Charakterisierung des extrazellulären Teils der humanen alpha-Sekretase ADAM10

„ÜBEREXPRESSION UND CHARAKTERISIERUNG DES EXTRAZELLULÄREN TEILS DER HUMANEN alpha-SEKRETASE ADAM10“ ALEXANDRA LEPTICH Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei enzymatisch aktive lösliche Proteinvarianten der humanen alpha-Sekretase ADAM10 in Insektenzellen exprimiert, gereinigt und charakterisiert. Dabei entsprach eine der löslichen ADAM10-Varianten dem extrazellulären Bereich des Typ-I-Membranproteins, d.h. ihr fehlte die Transmembran- und cytoplasmatische Domäne. Die zweite Variante stimmt mit einer im menschlichen Gehirn auf mRNA-Ebene nachgewiesenen Splicevariante überein, die zusätzlich noch durch das Fehlen der Cystein-reichen Domäne gekennzeichnet ist. Die alpha-Sekretase ADAM10 spielt eine wichtige Rolle bei der nicht-amyloidogenen Prozessierung des Amyloid-Vorläufer-Proteins (APP). Dabei erfolgt dessen Spaltung innerhalb der beta-Amyloidsequenz, so dass die Produktion von Abeta-Peptiden und damit die Bildung von Amyloid-Plaques während der Alzheimer’schen Erkrankung verhindert wird. Nach der Expression der beiden löslichen ADAM10-Proteine in Insektenzellen erfolgte die Reinigung der prozessierten und damit reifen Enzymform der jeweiligen ADAM10-Proteinvariante mittels Lektin-Affinitätschromatographie. Die anschließende Charakterisierung der beiden löslichen ADAM10-Proteine erfolgte durch einen auf HPLC-Analyse basierenden Enzymtest. Dabei wurden verschiedene sich von der beta-Amyloid-Sequenz ableitenden Peptidsubstrate in vitro eingesetzt, die zum einen den Aminosäuren 11-28 der Abeta-Sequenz, zum anderen dem kompletten Abeta40-Peptid entsprachen und damit die charakteristische alpha-Sekretasespaltstelle des Amyloid-Vorläufer-Proteins enthielten. Des Weiteren kamen jeweils entsprechende Peptidsubstrate zum Einsatz, die an den Positionen 21 und 22 der Abeta- Peptidsequenz vorkommenden Mutationen trugen. Die gewählten Abeta-Substrate konnten durch die löslichen Varianten der alpha-Sekretase ADAM10 an der alpha-Sekretasestelle gespalten werden. Dabei konnte bei den Abeta11-28-Peptiden deutlich die in der Literatur beschriebene Abhängigkeit der Spaltung von der a-helicalen Struktur des Substrats beobachtet werden, während bei den längeren Abeta40-Peptide diesbezüglich kein Zusammenhang hergestellt werden konnte. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass ADAM10 hauptsächlich als alpha-Sekretase wirkt, weniger als ein Abeta-degradierendes Enzym. Ferner konnte unter Verwendung entsprechender muriner und humaner Abeta-Peptide eine verstärkte Spaltung der murinen Substrate Abeta1-28 und Abeta1-40 durch den extrazellulären Teil von ADAM10 in vitro gezeigt werden. Dieser Versuch bestätigt die Annahme, dass es bei Nagetieren durch die Bevorzugung der nichtamyloidogenen Prozessierung von APP durch die alpha-Sekretase ADAM10 zu keiner Bildung von Amyloid-Plaques kommt. Ein Einfluss auf die Spaltung von membrangebundenem APP und damit der Bildung von neuroprotektivem sAPPalpha durch die löslichen ADAM10-Proteine konnte im Zellsystem nicht beobachtet werden. Vielmehr scheint hier die Membranverankerung von Enzym und Substrat eine wichtige Voraussetzung zu bilden. Des Weiteren konnten die löslichen ADAM10-Proteine durch ein für die Inhibierung von ADAM10 spezifische Hydroxamat-Derivat in ihrer enzymatischen Aktivität gehemmt werden. Die exprimierten ADAM10-Proteine weisen die charakteristischen Eigenschaften der alpha-Sekretase ADAM10 auf, wobei deutlich wurde, dass das Fehlen der Cystein-reichen Domäne keinen Einfluss auf die Fähigkeit der katalytischen Domäne zur Substrat- und Inhibitorbindung hatte. Auch die Stabilität des Enzyms wurde durch das Fehlen der Domäne nicht negativ beeinträchtigt. Eine wichtige Aufgabe stellt nun der Nachweis der löslichen ADAM10-Proteine sowie die Identifizierung ihrer potentiellen Substrate und deren Lokalisation in vivo dar.

Die Prozessierung des humanen Amyloid-Vorläuferproteins im Verlauf der replikativen Seneszenz

Die Alterung stellt den größten Risikofaktor für die Entwicklung der Alzheimer Krankheit dar, wobei die biochemische Basis dieser Korrelation bisher nicht bekannt ist. Ein möglicherweise zentraler Mechanismus der Alzheimer Pathologie wird durch die Prozessierung von APP repräsentiert, die in der Synthese von Aβ resultiert. Der Einfluss zellulärer Alterung auf die Biochemie der APP-Prozessierung ist bislang weitestgehend ungeklärt. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass die Prozessierung von endogenem APP im Verlauf der Zellalterung humaner Fibroblasten progressiv verringert wird. Die Bildung der intrazellulären APP-Spaltfragmente (C99, C83 und AICD) nahm mit zunehmender Lebensspanne ab und war gleichfalls mit einer reduzierten Synthese von extrazellulären APP-Fragmenten (sAPP, sAPPα) verbunden. Weiterhin wurde nachgewiesen, dass die Reifung von APP in seneszenten Zellen selektiv reduziert war, und dass dies durch altersabhängig erhöhte zelluläre Cholesterolspiegel vermittelt wurde. Von den APP-prozessierenden Sekretasen waren die Proteinspiegel von Presenilin-1 und Nicastrin, beides Komponenten der γ-Sekretase, im Verlauf der Zellalterung graduell verringert. Dies hatte einen progressiven Rückgang der enzymatischen Aktivität der γ-Sekretase zur Folge, wodurch die Prozessierung von APP unmittelbar reduziert wurde. Die Proteinspiegel von ADAM10, einer α-Sekretase, sowie der β-Sekretase, BACE, wiesen keine Altersregulation auf, aber interessanterweise wurde eine erhöhte enzymatische Aktivität der β-Sekretase in seneszenten Zellen nachgewiesen. Die γ-Sekretase sowie BACE sind in Lipid Rafts lokalisiert, geordneten Membransubdomänen, die hohe Cholesterol- und Caveolin-1-Spiegel aufweisen. Obwohl das Gesamtniveau dieser strukturellen Komponenten von Lipid Rafts in seneszenten Zellen erhöht war, war die Assoziation beider Moleküle mit Lipid Rafts reduziert und sie akkumulierten in speziellen Organellen, die höchstwahrscheinlich Lipidkörper darstellen. Somit wurde gezeigt, dass Lipid Rafts im Zuge der Zellalterung disintegrieren beziehungsweise in ihrem Gesamtspiegel reduziert waren. Diese altersabhängige Membranmodifikation war mit einer veränderten Verteilung von Presenilin-1 und BACE zwischen der Lipid Raft und der Nicht Raft Fraktion der Membran verbunden, die möglicherweise das Potential dieser Enzyme zur Prozessierung von APP reduzierte. In einem zweiten Teil der Arbeit wurden transgene C. elegans konstruiert, die humanes APP exprimieren, das C-terminal an GFP gekoppelt war. Diese Würmer wiesen eine reduzierte Fertilität, Eilegedefekte und eine verzögerte post-embryonale Entwicklung auf, die möglicherweise auf eine Transgen-vermittelte Neurodegeneration zurückgeführt werden können. Durch erste Untersuchungen der Prozessierung des Transgens konnten Spaltfragmente nachgewiesen werden, die potentiell auf eine spezifische Spaltung von APP durch die endogenen Sekretasen schließen lassen. Somit werden die Prozessierung sowie die Reifung von APP durch die altersabhängige Modifikationen zellulärer Biochemie nachhaltig beeinflusst. Zukünftige Studien sollen zeigen, ob sich diese zellulären Zusammenhänge in den Gesamtorganismus C. elegans übertragen lassen. Des Weiteren sollen die altersabhängigen zellulären Veränderungen, insbesondere des Cholesterol-Metabolismus und der Sekretaseaktivitäten, weitergehend analysiert werden, um zusätzliche Erkenntnisse über altersassoziierte Regulationen möglicher therapeutischer Ziele der Alzheimer Erkrankung zu gewinnen.