Advanced applications of X-ray Absorption Spectroscopy to the study of protein metal sites.

We present a study of the metal sites of different proteins through X-ray Absorption Fine Structure (XAFS) spectroscopy. First of all, the capabilities of XAFS analysis have been improved by ab initio simulation of the near-edge region of the spectra, and an original analysis method has been proposed. The method subsequently served ad a tool to treat diverse biophysical problems, like the inhibition of proton-translocating proteins by metal ions and the matrix effect exerted on photosynthetic proteins (the bacterial Reaction Center, RC) by strongly dehydrate sugar matrices. A time-resolved study of Fe site of RC with μs resolution has been as well attempted. Finally, a further step aimed to improve the reliability of XAFS analysis has been performed by calculating the dynamical parameters of the metal binding cluster by means of DFT methods, and the theoretical result obtained for MbCO has been successfully compared with experimental data.

The surface exchange of trace gases in the tropics and savannas

ZusammenfassungDie Spurengase NOx (Stickstoffoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2)) haben massgeblichen Einfluss auf die Produktion von OH (Hydroxylradikal) und Ozon (O3) in der Troposphäre. Die Bodenemissionen dieser Gase sind weitgehend unbekannt. Das Ziel dieser Arbeit war, die für die NO Bodenemissionen relevanten Prozesse durch Labor und Feldmessungen zu untersuchen und diese durch Modellsimulationen für zwei Regionen, ein tropisches Regenwaldgebiet in Rondônia (Brasilien) und subtropische Savannen in Zimbabwe abzuschätzen. Unter Verwendung der gemessenen NO Werte ergaben die Simulationen mit einem modifizierten prozessorientierten Modell, dass Abholzung in den Tropen nach einer kurzzeitigen Erhöhung zu einer langfristigen Abnahme der Bodenemissionen führt. Ein 'up scaling' der Modellresultate ergab ausgehend von der ursprünglichen Bewaldung der Region eine Verdopplung der NO Bodenemission bis 1999. Sowohl für nährstoffarme Böden der Tropen als auch für die nährstoffreichen Savannenböden waren Landnutzung und Bodenfeuchte die wichtigsten Einflussgrössen für die Regulierung der Emissionen. Über den Zeitraum eines Jahres waren die Emissionsraten der Tropen (0.49 kgNhayr-1) ungefähr halb so gross wie die der subtropischen Savannen (0.86 kgNhayr-1). Solange die Abholzung der Regenwälder voranschreitet werden die Tropen starken Einfluss auf die troposphärische Chemie haben.

The development and deployment of FOTOS: a fast observation of trace organics system

Flüchtige organische Bestandteile (engl.: VOC) sind in der Atmosphäre in Spuren vorhanden, spielen aber trotzdem eine wichtige Rolle in der Luftchemie: sie beeinflussen das Ozon der Troposphäre, städtischen Smog, Oxidationskapazität und haben direkte und indirekte Auswirkungen auf die globale Klimaveränderung. Eine wichtige Klasse der VOC sind die Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe (engl.: NMHC), die überwiegend von anthropogenen Quellen kommen. Aus diesem Grund ist für Luftchemiker ein Messinstrument nötig, das die VOC, die NMHC eingeschlossen, mit einer höheren Zeitauflösung misst, besonders für Echtzeitmessungen an Bord eines Forschungsflugzeuges. Dafür wurde das System zur schnellen Beobachtung von organischen Spuren (engl.: FOTOS) entworfen, gebaut für den Einsatz in einem neuen Wissenschaftlichen Flugzeug, das in großen Höhen und über weite Strecken fliegt, genannt HALO. In der Folge wurde FOTOS in zwei Messkampagnen am Boden getestet. FOTOS wurde entworfen und gebaut mit einem speziell angefertigten, automatisierten, kryogenen Probensystem mit drei Fallen und einem angepassten, erworbenen schnellen GC-MS. Ziel dieses Aufbaus war es, die Vielseitigkeit zu vergrößern und das Störungspotential zu verringern, deshalb wurden keine chemischen Trocknungsmittel oder adsorbierenden Stoffe verwendet. FOTOS erreichte eine Probenfrequenz von 5.5 Minuten, während es mindestens 13 verschiedene C2- bis C5-NMHC maß. Die Drei-Sigma-Detektionsgrenze für n- und iso-Pentan wurde als 2.6 und 2.0 pptv ermittelt, in dieser Reihenfolge. Labortests bestätigten, dass FOTOS ein vielseitiges, robustes, hochautomatisiertes, präzises, genaues, empfindliches Instrument ist, geeignet für Echtzeitmessungen von VOC in Probenfrequenzen, die angemessen sind für ein Forschungsflugzeug wie HALO. Um die Leistung von FOTOS zu bestätigen, wurde vom 26. Januar bis 4. Februar 2010 ein Zwischenvergleich gemacht mit dem GC-FID-System am Meteorologischen Observatorium Hohenpeißenberg, einer WMO-GAW-globalen Station. Dreizehn verschiedene NMHC wurden innerhalb des Rahmens der GWA Data Quality Objectives (DQO) analysiert und verglichen. Mehr als 80% der Messungen von sechs C3- bis C5-NMHC erfüllten diese DQO. Diese erste Messkampagne im Feld hob die Robustheit und Messgenauigkeit von FOTOS hervor, zusätzlich zu dem Vorteil der höheren Probenfrequenz, sogar in einer Messung am Boden. Um die Möglichkeiten dieses Instrumentes im Feld zu zeigen, maß FOTOS ausgewählte leichte NMHC während einer Messkampagne im Borealen Waldgebiet, HUMPPA-COPEC 2010. Vom 12. Juli bis zum 12. August 2010 beteiligte sich eine internationale Gruppe von Instituten und Instrumenten an Messungen physikalischer und chemischer Größen der Gas- und Partikelphasen der Luft über dem Borealen Wald an der SMEAR II-Station nahe Hyyttiälä, Finnland. Es wurden mehrere Hauptpunkte von Interesse im Mischungsverhältnis der Alkane und im Isomerenverhätnis von Pentan identifiziert, insbesondere sehr unterschiedliche Perioden niedriger und hoher Variabilität, drei Rauchschwaden von Biomassen-Verbrennung von russischen Waldbränden und zwei Tage mit extrem sauberer Luft aus der Polarregion. Vergleiche der NMHC mit anderen anthropogenen Indikatoren zeigten mehrere Quellen anthropogener Einflüsse am Ort auf und erlaubten eine Unterscheidung zwischen lokalen und weiter entfernten Quellen. Auf einen minimalen natürlichen Beitrag zum 24h-Kreislauf von NOx wurde geschlussfolgert aus der Korrelation von NOx mit Alkanen. Altersschätzungen der Luftmassen durch das Isomerenverhältnis von Pentan wurden erschwert durch sich verändernde Verhältnisse der Quellen und durch Besonderheiten der Photochemie während des Sommers im hohen Norden. Diese Messungen zeigten den Wert des Messens leichter NMHC, selbst in abgelegenen Regionen, als einen zusätzlichen spezifischen Marker von anthropogenem Einfluss.

Nonclassical crystallization of bivalent metal carbonates

Nichtklassische Kristallisationen tragen heutzutage einen entscheidenden Anteil zum Verständnis von Biomineralisationsprozessen und anspruchsvoller Morphogenese in vitro bei. Die vorliegende Dissertation stellt drei neue Vertreter nichtklassischer Kristallisationen vor, die während der Fällung von Calciumcarbonat und verwandten zweiwertigen Carbonaten auftreten.rn(a) Zum ersten Male wird eine Symmetrie-brechende Phasenselektion von Calciumcarbonat beschrieben, die auf einem subtilen Wechselspiel von verketteten Gleichgewichten basiert und deren Ursache letztendlich der paritätsverletzenden Energiedifferenz (PVED) zugeschrieben wird. rn(b) Die interkristalline Minoritätskomponente eines Mesokristalles, seien es z.B. eingeschlossenes Proteine oder polymere Additive, erfahren eine Morphogenese im Sinne einer Formpressung. Dieser bislang wenig beachtete Effekt in Mesokristallen wurde zur Herstellung von Nanoröhren eingesetzt, die aus verschiedensten Materialien bestehen können (z.B. Calciumcarbonat oder Cadmiumsulfid).rn(c) Das Hauptaugenmerk dieser Dissertation liegt auf dem Auftreten eines flüssig-amorphen Intermediates während der Metallcarbonat-Präzipitation. Durch diffusionskontrollierte und kontaktfreie Versuchsführung konnte die Existenz eines solchen nichtklassischen, flüssigen Intermediates, welches der kristallinen Phase bei neutralen pH vorangeht, sicher nachgewiesen werden. rn

Biological applications of plasmonic metal nanoparticles

Plasmons in metal nanoparticles respond to changes in their local environment by a spectral shift in resonance. Here, the potential of plasmonic metal nanoparticles for label-free detection and observation of biological systems is presented. Comparing the material silver and gold concerning plasmonic sensitivity, silver nanoparticles exhibit a higher sensitivity but their chemical instability under light exposure limits general usage. A new approach combining results from optical dark-field microscopy and transmission electron microscopy allows localization and quantification of gold nanoparticles internalized into living cells. Nanorods exposing a negatively charged biocompatible polymer seem to be promising candidates to sense membrane fluctuations of adherent cells. Many small nanoparticles being specific sensing elements can build up a sensor for parallel analyte detection without need of labeling, which is easy to fabricate, re-usable, and has sensitivity down to nanomolar concentrations. Besides analyte detection, binding kinetics of various partner proteins interacting with one protein of interest are accessible in parallel. Gold nanoparticles are able to sense local oscillations in the surface density of proteins on a lipid bilayer, which could not be resolved so far. Studies on the fluorescently labeled system and the unlabeled system identify an influence of the label on the kinetics.

Crystallization, optimization and preliminary X-ray characterization of a metal-dependent PI-PLC from Streptomyces antibioticus

A recombinant metal-dependent phosphatidylinositol-specific phospholipase C (PI-PLC) from Streptomyces antibioticus has been crystallized by the hanging-drop method with and without heavy metals. The native crystals belonged to the orthorhombic space group P222, with unit-cell parameters a = 41.26, b = 51.86, c= 154.78 A. The X-ray diffraction results showed significant differences in the crystal quality of samples soaked with heavy atoms. Additionally, drop pinning, which increases the surface area of the drops, was also used to improve crystal growth and quality. The combination of heavy-metal soaks and drop pinning was found to be critical for producing high-quality crystals that diffracted to 1.23 A resolution.

Osseointegration and biocompatibility of different metal implants-a comparative experimental investigation in sheep

Background In the present study, 4 different metallic implant materials, either partly coated or polished, were tested for their osseointegration and biocompatibility in a pelvic implantation model in sheep. Methods Materials to be evaluated were: Cobalt-Chrome (CC), Cobalt-Chrome/Titanium coating (CCTC), Cobalt-Chrome/Zirconium/Titanium coating (CCZTC), Pure Titanium Standard (PTST), Steel, TAN Standard (TANST) and TAN new finish (TANNEW). Surgery was performed on 7 sheep, with 18 implants per sheep, for a total of 63 implants. After 8 weeks, the specimens were harvested and evaluated macroscopically, radiologically, biomechanically (removal torque), histomorphometrically and histologically. Results Cobalt-Chrome screws showed significantly (p = 0.031) lower removal torque values than pure titanium screws and also a tendency towards lower values compared to the other materials, except for steel. Steel screws showed no significant differences, in comparison to cobalt-chrome and TANST, however also a trend towards lower torque values than the remaining materials. The results of the fluorescence sections agreed with those of the biomechanical test. Histomorphometrically, there were no significant differences of bone area between the groups. The BIC (bone-to-implant-contact), used for the assessment of the osseointegration, was significantly lower for cobalt-chrome, compared to steel (p = 0.001). Steel again showed a lower ratio (p = 0.0001) compared to the other materials. Conclusion This study demonstrated that cobalt-chrome and steel show less osseointegration than the other metals and metal-alloys. However, osseointegration of cobalt-chrome was improved by zirconium and/or titanium based coatings (CCTC, TANST, TAN, TANNEW) being similar as pure titanium in their osseointegrative behavior.

The Influence of Different Metal-Chelators on the Biological Profil of Nanoparticles for Gallium-68 Based Molecular Imaging

The use of metal chelators is becoming increasingly important in the development of new tracers for molecular imaging. With the rise of the field of nanotechnology, the fusion of both technologies has shown great potential for clinical applications. The pharmacokinetcs of nanoparticles can be monitored via positron emission tomography (PET) after surface modification and radiolabeling with positron emitting radionuclides. Different metal ion chelators can be used to facilitate labeling of the radionuclides and as a prerequisite, optimized radiolabeling procedure is necessary to prevent nanoparticle aggregation and degradation. However, the effects of chelator modification on nanoparticle pharmacokinetic properties have not been well studied and currently no studies to date have compared the biological effects of the use of different chelators in the surface modification of nanoparticles.

Synthesis of PDMS-metal oxide hybrid nanocomposites using an in situ sol-gel route

Organic-inorganic hybrid nanocomposites are widely studied and applied in broad areas because of their ability to combine the flexibility, low density of the organic materials with the hardness, strength, thermal stability, good optical and electronic properties of the inorganic materials. Polydimethylsiloxane (PDMS) due to its excellent elasticity, transparency, and biocompatibility has been extensively employed as the organic host matrix for nanocomposites. For the inorganic component, titanium dioxide and barium titanate are broadly explored as they possess outstanding physical, optical and electronic properties. In our experiment, PDMS-TiO2 and PDMS-BaTiO3 hybrid nanocomposites were fabricated based on in-situ sol-gel technique. By changing the amount of metal precursors, transparent and homogeneous PDMS-TiO2 and PDMS-BaTiO3 hybrid films with various compositions were obtained. Two structural models of these two types of hybrids were stated and verified by the results of characterization. The structures of the hybrid films were examined by a conjunction of FTIR and FTRaman. The morphologies of the cross-sectional areas of the films were characterized by FESEM. An Ellipsometer and an automatic capacitance meter were utilized to evaluate the refractive index and dielectric constant of these composites respectively. A simultaneous DSC/TGA instrument was applied to measure the thermal properties. For PDMS-TiO2 hybrids, the higher the ratio of titanium precursor added, the higher the refractive index and the dielectric constant of the composites are. The highest values achieved of refractive index and dielectric constant were 1.74 and 15.5 respectively for sample PDMS-TiO2 (1-6). However, when the ratio of titanium precursor to PDMS was as high as 20 to 1, phase separation occurred as evidenced by SEM images, refractive index and dielectric constant decreased. For PDMS-BaTiO3 hybrids, with the increase of barium and titanium precursors in the system, the refractive index and dielectric constant of the composites increased. The highest value was attained in sample PDMS-BaTiO3 (1-6) with a refractive index of 1.6 and a dielectric constant of 12.2. However, phase separation appeared in SEM images for sample PDMS-BaTiO3 (1-8), the refractive index and dielectric constant reduced to lower values. Different compositions of PDMS-TiO2 and PDMS-BaTiO3 hybrid films were annealed at 60 °C and 100 °C, the influences on the refractive index, dielectric constant, and thermal properties were investigated.

Preparation of silicon-metal nanocomposites based on electrophoretic deposition

Silicon has long been considered as one of the most promising anode material for lithium-ion batteries. However, the poor cycle life due to stress during charge/discharge cycling has been a major concern for its practical applications. In this report, novel Si-metal nanocomposites have been explored to accommodate the stress generated in the intercalation process. Several approaches have been studied with the aim of getting uniform mixing, good mechanical stability and high Si content. Among the three approaches being investigated, Si- Galinstan nanocomposite based on electrophoretic deposition showed the best promise by achieving at least 32.3% Si theoretical weight percentage, and our in current experiments we’ve already get 13% Silicon weight percentage, which gave us an anode material 46% more capacity than the current commercial product.