Functional characterization and oligomerization of a recombinant xyloglucan-specific endo-beta-1,4-glucanase (GH12) from Aspergillus niveus

Xyloglucan is a major structural polysaccharide of the primary (growing) cell wall of higher plants. It consists of a cellulosic backbone (beta-1,4-linked glucosyl residues) that is frequently substituted with side chains. This report describes Aspergillus nidulans strain A773 recombinant secretion of a dimeric xyloglucan-specific endo-beta-1,4-glucanohydrolase (XegA) cloned from Aspergillus niveus. The ORF of the A. niveus xegA gene is comprised of 714 nucleotides, and encodes a 238 amino acid protein with a calculated molecular weight of 23.5 kDa and isoelectric point of 4.38. The optimal pH and temperature were 6.0 and 60 degrees C, respectively. XegA generated a xyloglucan-oligosaccharides (XGOs) pattern similar to that observed for cellulases from family GH12, i.e., demonstrating that its mode of action includes hydrolysis of the glycosidic linkages between glucosyl residues that are not branched with xylose. In contrast to commercial lichenase, mixed linkage beta-glucan (lichenan) was not digested by XegA, indicating that the enzyme did not cleave glucan beta-1,3 or beta-1,6 bonds. The far-UV CD spectrum of the purified enzyme indicated a protein rich in beta-sheet structures as expected for GH12 xyloglucanases. Thermal unfolding studies displayed two transitions with mid-point temperatures of 51.3 degrees C and 81.3 degrees C respectively, and dynamic light scattering studies indicated that the first transition involves a change in oligomeric state from a dimeric to a monomeric form. Since the enzyme is a predominantly a monomer at 60 degrees C. the enzymatic assays demonstrated that XegA is more active in its monomeric state. (c) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Characterization and optimization of ArtinM lectin expression in Escherichia coli

Background ArtinM is a D-mannose-specific lectin from Artocarpus integrifolia seeds that induces neutrophil migration and activation, degranulation of mast cells, acceleration of wound healing, induction of interleukin-12 production by macrophages and dendritic cells, and protective T helper 1 immune response against Leishmania major, Leishmania amazonensis and Paracoccidioides brasiliensis infections. Considering the important biological properties of ArtinM and its therapeutic applicability, this study was designed to produce high-level expression of active recombinant ArtinM (rArtinM) in Escherichia coli system. Results The ArtinM coding region was inserted in pET29a(+) vector and expressed in E. coli BL21(DE3)-Codon Plus-RP. The conditions for overexpression of soluble ArtinM were optimized testing different parameters: temperatures (20, 25, 30 or 37°C) and shaking speeds (130, 200 or 220 rpm) during induction, concentrations of the induction agent IPTG (0.01-4 mM) and periods of induction (1-19 h). BL21-CodonPlus(DE3)-RP cells induced under the optimized conditions (incubation at 20°C, at a shaking speed of 130 rpm, induction with 0.4 mM IPTG for 19 h) resulted in the accumulation of large amounts of soluble rArtinM. The culture provided 22.4 mg/L of rArtinM, which activity was determined by its one-step purification through affinity chromatography on immobilized D-mannose and glycoarray analysis. Gel filtration showed that rArtinM is monomeric, contrasting with the tetrameric form of the plant native protein (jArtinM). The analysis of intact rArtinM by mass spectrometry revealed a 16,099.5 Da molecular mass, and the peptide mass fingerprint and esi-cid-ms/ms of amino acid sequences of peptides from a tryptic digest covered 41% of the total ArtinM amino acid sequence. In addition, circular dichroism and fluorescence spectroscopy of rArtinM indicated that its global fold comprises β-sheet structure. Conclusions Overall, the optimized process to express rArtinM in E. coli provided high amounts of soluble, correctly folded and active recombinant protein, compatible with large scale production of the lectin.

Expression, purification and molecular analysis of the human ZNF706 protein

Background: The ZNF706 gene encodes a protein that belongs to the zinc finger family of proteins and was found to be highly expressed in laryngeal cancer, making the structure and function of ZNF706 worthy of investigation. In this study, we expressed and purified recombinant human ZNF706 that was suitable for structural analysis in Escherichia coli BL21(DH3). Findings: ZNF706 mRNA was extracted from a larynx tissue sample, and cDNA was ligated into a cloning vector using the TOPO method. ZNF706 protein was expressed according to the E. coli expression system procedures and was purified using a nickel-affinity column. The structural qualities of recombinant ZNF706 and quantification alpha, beta sheet, and other structures were obtained by spectroscopy of circular dichroism. ZNF706's structural modeling showed that it is composed of α-helices (28.3%), β-strands (19.4%), and turns (20.9%), in agreement with the spectral data from the dichroism analysis. Conclusions: We used circular dichroism and molecular modeling to examine the structure of ZNF706. The results suggest that human recombinant ZNF706 keeps its secondary structures and is appropriate for functional and structural studies. The method of expressing ZNF706 protein used in this study can be used to direct various functional and structural studies that will contribute to the understanding of its function as well as its relationship with other biological molecules and its putative role in carcinogenesis.

Membrane interactions of S100A12 (calgranulin C)

S100A12 (Calgranulin C) is a small acidic calcium-binding peripheral membrane protein with two EF-hand structural motifs. It is expressed in macrophages and lymphocytes and highly up-regulated in several human inflammatory diseases. In pigs, S100A12 is abundant in the cytosol of granulocytes, where it is believed to be involved in signal modulation of inflammatory process. In this study, we investigated the interaction of the porcine S100A12 with phospholipid bilayers and the effect that ions (Ca2+, Zn2+ or both together) have in modifying protein-lipid interactions. More specifically, we intended to address issues such as: (1) is the protein-membrane interaction modulated by the presence of ions? (2) is the protein overall structure affected by the presence of the ions and membrane models simultaneously? (3) what are the specific conformational changes taking place when ions and membranes are both present? (4) does the protein have any kind of molecular preferences for a specific lipid component? To provide insight into membrane interactions and answer those questions, synchrotron radiation circular dichroism spectroscopy, fluorescence spectroscopy, and surface plasmon resonance were used. The use of these combined techniques demonstrated that this protein was capable of interacting both with lipids and with ions in solution, and enabled examination of changes that occur at different levels of structure organization. The presence of both Ca2+ and Zn2+ ions modify the binding, conformation and thermal stability of the protein in the presence of lipids. Hence, these studies examining molecular interactions of porcine S100A12 in solution complement the previously determined crystal structure information on this family of proteins, enhancing our understanding of its dynamics of interaction with membranes.

Optically active photoresponsive multifunctional polymeric materials

In the last year [1], Angiolini and co-workers have synthesized and investigated methacrylic polymers bearing in the side chain the chiral cyclic (S)-3-hydroxypyrrolidine moiety interposed between the main chain and the trans-azoaromatic chromophore, substituted or not in the 4’ position by an electron-withdrawing group. In these materials, the presence of a rigid chiral moiety of one prevailing absolute configuration favours the establishment of a chiral conformation of one prevailing helical handedness, at least within chain segments of the macromolecules, which can be observed by circular dichroism (CD). The simultaneous presence of the azoaromatic and chiral functionalities allows the polymers to display both the properties typical of dissymmetric systems (optical activity, exciton splitting of dichroic absorptions), as well as the features typical of photochromic materials (photorefractivity, photoresponsiveness, NLO properties). The first part of this research was to synthesize analogue homopolymers and copolymers based on bisazoaromatic moiety and compare their properties to those of the above mentioned analogue derivatives bearing only one azoaromatic chromophore in the side chain. We focused also the attention on the effects induced on the thermal and chiroptical behaviours by the insertion of particulars achiral comonomers characterized by different side-chain mobility and grown hindrance (MMA, tert-BMA and TrMA). On the other hand carbazole containing polymers [2] have attracted much attention because of their unique features. The use of these materials in advanced micro- and nanotechnologies spreads in many different applications such as photoconductive and photorefractive polymers, electroluminescent devices, programmable optical interconnections, data storage, chemical photoreceptors, NLO, surface relief gratings, blue emitting materials and holographic memory. The second part of the work was focused on the synthesis and the characterization polymeric derivatives bearing in the side chain carbazole or phenylcarbazole moieties linked to the (S)- 2-hydroxy succinimide or the (S)-3-hydroxy pyrrolidinyl ring as chiral groups covalently linked to the main chain through ester bonds. The last objective of this research was to design, synthesize, and characterize multifunctional methacrylic homopolymers and copolymers bearing three distinct functional groups (i.e. azoaromatic, carbazole and chiral group of one single configuration) directly linked in the side chain. This polymeric derivatives could be of potential interest for several advanced application fields, such as optical storage, waveguides, chiroptical switches, chemical photoreceptors, NLO, surface relief gratings, photoconductive materials, etc.

Materiali Politiofenici Otticamente Attivi

Much effort has been devoted in the recent years to the investigation of optically active polythiophenes characterized by the presence of a chiral moiety linked to the 3-position of the aromatic ring. In addition to their potential technological applications as materials for enantioselective electrodes and membranes, chiral poly(thiophene)s offer the possibility of studying the structural changes accompanying the transition from the disordered state by following the variation of their chiroptical properties by circular dichroism (CD). In solution of a good solvent, that kind of polythiophenes doesn’t display any optical activity arising from the presence of dissymmetric conformation of the backbone, as shown by circular dichroism (CD) spectra. When the macromolecules begin to aggregate, as it occurs e.g. by addition of a poor solvent, or lowering the solution temperature, or when the macromolecules are assembled in the solid state as thin films obtained by solution casting or spin coating, significant CD bands are observed in the spectral region related to the electronic absorptions of the aromatic polythiophene chromophore. These CD bands are indicative of a chiral macromolecule arrangement of one prevailing chirality. The synthesis of -substituted polythiophenes can be carried out starting from the corresponding -substituted mono- or oligomeric thiophenic monomers under regioselective or regiospecific conditions in order to minimize or avoid the formation of head-to-head dyads unfavourably affecting the presence of coplanar conformations of thiophene rings as a consequence of steric interactions between the side-chain substituents, both in solution and in the solid state. To this regard, non-symmetrically substituted monomers require therefore to perform the polymerization in the presence of highly demanding catalysts and reaction condition, whereas with symmetrically substituted oligothiophenic monomers containing the -substituents located far apart from the reacting sites, it is instead possible to obtain regioregular macromolecules by adopting more simple and economic polymerization methods, such as, e. g., the chemical oxidative polymerization with iron (III) trichloride. In order to verify how the polymer structure affects its optical activity, further poly-3-alkylthiophenes, substituted by an enantiomerically pure chiral alkyl group, namely poli[3,3”-di[2((S)-(+)-2-methylbutoxy)ethyl]-2,2’:5’,2”-terthiophene] (PDMBOETT), poli[3,3’di[2((S)-(+)-2-methylbutoxy)ethyl]-2,2’-bitiofene] (PDMBOEBT), poli[3,3””-didodecyl-4’,3”’-di(S)-(+)-2-methylbutyl-2,2’:5’,2”:5”,2”’:5”’,2””-quinquethiophene (PDDDMBQT) have been synthesized and characterized by instrumental techniques. The spectroscopic behaviour of thin films of poly(DDDMBQT) has been investigated in the solid state under different sample preparation procedures. It was also compared with the behaviour of polymers previously made. The experimental results are interpreted in terms of influence of the side-chain substituents on the extent of planarity of the polymeric chains and the formation of optically active chiral aggregates. In recent years conjugated block copolymers have received considerable attention. It is well known that conjugated block copolymers composed of two electronically different blocks can have morphologic and optical properties, that differ from those of their homopolymers. A recent study has also shown that the electronic properties and the supramolecular organization of one conjugated block can also be influenced by the other block. In order to study better this behavior, a new conjugated block copolymers, composed of a regioregular hydrophylic block and a regioregular hydrophobic block namely poli[3[2-(2-metossietossi)etossi]metiltiofene]-co- poli[3(1-octilossi)tiofene], has been synthesized and characterized.

Neuartige Polyelektrolytstrukturen auf der Basis von L-Lysin

In der vorliegenden Arbeit werden drei Polyelektrolyt-Architekturen zunehmender Verzweigung auf der Basis von L-Lysin vorgestellt. Zunächst wird auf das Aggregationsverhalten des linearen Blockpolyelektrolyten Polystyrol-b-Poly(L-Lysin) eingegangen. Dabei wird der Einfluss der Lysinblocklänge (NLys = 10…70) bei gleich bleibendem, sehr kurzem hydrophobem Polystyrolsegment untersucht. Wie sich der Polystyrolblock auf die Helixbildung auswirkt, kann mit Hilfe von Zirkulardichroismus nachgewiesen werden. Nach Bestimmung der kritischen Mizellenkonzentration über Fluoreszenzspektroskopie wird mittels statischer Streumethoden (SLS, SANS) eine zylinderförmige Mizelle mit einem Kernradius von 4,4 nm charakterisiert. Im zweiten Abschnitt werden die optischen Eigenschaften von sternförmigen, rot fluoreszierenden Perylendiimid-Poly(L-lysin)-Konjugaten mit variierender Armzahl (n = 4, 8, 16) und Kettenlänge (NLys = 10, 50, 100) beschrieben. Die guten Absorptionseigenschaften und schlechten Fluoreszenzeigenschaften zeigen weder eine Abhängigkeit von der Sekundärstruktur der Poly(L-lysin)-Arme noch von deren Zahl oder Kettenlänge. Der dritte Teil der Arbeit handelt von amin- (Fmoc-, TFAA- oder Z-) geschützten L-Lysindendrone bis zur dritten Generation, welche durch Verknüpfung der Carboxylfunktion der Dendrone mit der Amingruppe von Vinylbenzylamin in Makromonomere überführt werden. Das Polymerisationsverhalten der Makromonomere wird in Abhängigkeit der Dendrongeneration und der Monomerkonzentration zu Beginn der Polymerisation untersucht. Anhand von AFM-Aufnahmen kann nachgewiesen werden, dass das Polystyrolrückgrat der dendronisierten Polymere der ersten Z-geschützten Generation eine Streckung erfährt.

Hsp90 characterization and inhibition: a multi-methodological study

Many physiological and pathological processes are mediated by the activity of proteins assembled in homo and/or hetero-oligomers. The correct recognition and association of these proteins into a functional complex is a key step determining the fate of the whole pathway. This has led to an increasing interest in selecting molecules able to modulate/inhibit these protein-protein interactions. In particular, our research was focused on Heat Shock Protein 90 (Hsp90), responsible for the activation and maturation and disposition of many client proteins [1], [2] [3]. Circular Dichroism (CD) spectroscopy, Surface Plasmon Resonance (SPR) and Affinity Capillary Electrophoresis (ACE) were used to characterize the Hsp90 target and, furthermore, its inhibition process via C-terminal domain driven by the small molecule Coumermycin A1. Circular Dichroism was used as powerful technique to characterize Hsp90 and its co-chaperone Hop in solution for secondary structure content, stability to different pHs, temperatures and solvents. Furthermore, CD was used to characterize ATP but, unfortunately, we were not able to monitor an interaction between ATP and Hsp90. The utility of SPR technology, on the other hand, arises from the possibility of immobilizing the protein on a chip through its N-terminal domain to later study the interaction with small molecules able to disrupt the Hsp90 dimerization on the C-terminal domain. The protein was attached on SPR chip using the “amine coupling” chemistry so that the C-terminal domain was free to interact with Coumermycin A1. The goal of the experiment was achieved by testing a range of concentrations of the small molecule Coumermycin A1. Despite to the large difference in the molecular weight of the protein (90KDa) and the drug (1110.08 Da), we were able to calculate the affinity constant of the interaction that was found to be 11.2 µm. In order to confirm the binding constant calculated for the Hsp90 on the chip, we decided to use Capillary Electrophoresis to test the Coumermycin binding to Hsp90. First, this technique was conveniently used to characterize the Hsp90 sample in terms of composition and purity. The experimental conditions were settled on two different systems, the bared fused silica and the PVA-coated capillary. We were able to characterize the Hsp90 sample in both systems. Furthermore, we employed an application of capillary electrophoresis, the Affinity Capillary Electrophoresis (ACE), to measure and confirm the binding constant calculated for Coumermycin on Optical Biosensor. We found a KD = 19.45 µM. This result compares favorably with the KD previously obtained on biosensor. This is a promising result for the use of our novel approach to screen new potential inhibitors of Hsp90 C-terminal domain.

Synthesis, characterization and conformational studies of arylbenzylmaleimides

From the discoveries of Pasteur, stereochemistry has played an increasingly important role in the chemical sciences. In particular conformational study of molecules with axial chirality is object of intense research. Through Dynamic-NMR analysis and simulation of the spectra, the energy rotational barriers value of conformers are obtained. When this barrier is high sufficiently, atropisomeric stable compounds can be reached. They can be separated and used in stereo-synthesis and in packing processes. 3,4-bis-aryl maleimides, in which the aromatic groups are sufficiently bulky, generate atropisomeric stable configurations, that can be isolated at room temperature. The assignment of absolute configurations is performed through ECD analysis and comparison with computational calculations. The biological activities of maleimide derivatives widen the field of atropisomers application also in biological systems.

Aktivierung von Hämocyanin zur Tyrosinase

Ziel der Arbeit war die enzymatische Aktivierung von Cheliceraten-Hämocyanin zur Erforschung ihrer Phenoloxidase-Aktivität. Hierzu wurden zwei Hämocyanine in vergleichenden Untersuchungen herangezogen: Das bekannte 24-mer aus der Spinne Eurypelma californicum und das ebenfalls 24-mere Hämocyanin des Skorpions Pandinus imperator, dessen Struktur hier aufgeklärt wurde. Elektronenmikroskopisch und in der dynamischer Lichtstreuung sind sich beide Hämocyanine sehr ähnlich und sedimentieren bei analytischer Ultrazentrifugation ebenfalls in gleicher Weise (Sedimentationskoeffizient von 37 S (S20, W)). Durch Dissoziation im alkalischen Milieu gewinnt man bis zu zwölf Untereinheiten, von denen sich neun immunologisch unterscheiden lassen. Das absorptionsspektroskopische Verhalten von P. imperator- und E. californicum-Hämocyanin sowie Sekundärstrukturanalyse mittels CD-Spektroskopie ist nahezu identisch. Die Stabilität des Hämocyanins gegenüber Temperatur und Denaturierungsmitteln wurde mit Circulardichroismus- und Fluoreszenzspektroskopie sowie durch die enzymatische Aktivität untersucht. Erstmals konnten die Hämocyanine von P. imperator und E. californicum nicht nur zu einer stabilen Diphenoloxidase umgewandelt werden, sondern auch eine Monophenolhydroxylase-Aktivität induziert und reguliert werden. Für letztere Aktivität ist dabei die Präsenz von Tris- oder Hepes-Puffer wesentlich. Während sich die Monophenolhydroxylase-Aktivität nur auf Ebene der oligomeren Zustände beobachten lässt, erkennt man bei den isolierten Untereinheiten-Typen lediglich eine Diphenoloxidase-Aktivität. Bei dem Spinnen-Hämocyanin zeigen die Untereinheiten bc die stärkste katalytische Aktivität auf, bei P. imperator-Hämocyanin findet man drei bis vier Untereinheiten, die enzymatisch aktiv sind. Die Aktivierung mit SDS liefert den Hinweis, dass die Quartärstruktur in eine andere Konformation gebracht und nicht durch SDS denaturiert wird. Zugabe von Mg2+ reguliert die Phenoloxidase-Aktivität und verschiebt bei P. imperator-Hämocyanin die enzymatische Aktivität zugunsten der Diphenoloxidase. Mit keiner der zur Verfügung stehenden Methoden konnte jedoch ein Konformationsübergang eindeutig nachgewiesen werden. Die Stabilität scheint durch die niedrigen SDS-Konzentrationen nicht beeinträchtigt zu werden. Die sehr lange “Verzögerungsphase“ bei der Monophenolhydroxylase-Aktivität konnte durch Zugabe von katalytischem Diphenol drastisch verkürzt werden, was ein Hinweis auf die echte Tyrosinase-Aktivität des aktivierten Hämocyanins ist. Ein in vivo-Aktivator konnte bis jetzt noch nicht gefunden werden. Trotzdem scheinen die Hämocyanine in der Immunologie von Cheliceraten eine bedeutende Rolle zu spielen, indem sie die Rolle der Tyrosinasen / Phenoloxidasen beziehungsweise Catecholoxidasen übernehmen, die bei Cheliceraten nicht vorkommen. Weitere Möglichkeiten des Cheliceraten-Immunsystems, eindringende Fremdorganismen abzuwehren, wurden untersucht. Das Fehlen einer ´echten` Phenoloxidase-Aktivität bei den Cheliceraten, mit der Fähigkeit, sowohl mono- als auch diphenolische Substrate umzusetzen, stützt die Hypothese, dass aktiviertes Hämocyanin in vivo an die Stelle der Phenoloxidase tritt.

Numerische und analytische Untersuchungen stark korrelierter fermionischer Mehrbandsysteme

In dieser Arbeit werden vier unterschiedliche, stark korrelierte, fermionische Mehrbandsysteme untersucht. Es handelt sich dabei um ein Mehrstörstellen-Anderson-Modell, zwei Hubbard-Modelle sowie ein Mehrbandsystem, wie es sich aus einer ab initio-Beschreibung für ein korreliertes Halbmetall ergibt.rnrnDie Betrachtung des Mehrstörstellen-Anderson-Modells konzentriert sich auf die Untersuchung des Einflusses der Austauschwechselwirkung und der nicht-lokalen Korrelationen zwischen zwei Störstellen in einem einfach-kubischen Gitter. Das zentrale Resultat ist die Abstandsabhängigkeit der Korrelationen der Störstellenelektronen, welche stark von der Gitterdimension und der relativen Position der Störstellen abhängen. Bemerkenswert ist hier die lange Reichweite der Korrelationen in der Diagonalrichtung des Gitters. Außerdem ergibt sich, dass eine antiferromagnetische Austauschwechselwirkung ein Singulett zwischen den Störstellenelektronen gegenüber den Kondo-Singuletts der einzelnen Störstellen favorisiert und so den Kondo-Effekt der einzelnen Störstellen behindert.rnrnEin Zweiband-Hubbard-Modell, das Jz-Modell, wird im Hinblick auf seine Mott-Phasen in Abhängigkeit von Dotierung und Kristallfeldaufspaltung auf dem Bethe-Gitter untersucht. Die Entartung der Bänder ist durch eine unterschiedliche Bandbreite aufgehoben. Wichtigstes Ergebnis sind die Phasendiagramme in Bezug auf Wechselwirkung, Gesamtfüllung und Kristallfeldparameter. Im Vergleich zu Einbandmodellen kommen im Jz-Modell sogenannte orbital-selektive Mott-Phasen hinzu, die, abhängig von Wechselwirkung, Gesamtfüllung und Kristallfeldparameter, einerseits metallischen und andererseits isolierenden Charakter haben. Ein neuer Aspekt ergibt sich durch den Kristallfeldparameter, der die ionischen Einteilchenniveaus relativ zueinander verschiebt, und für bestimmte Werte eine orbital-selektive Mott-Phase des breiten Bands ermöglicht. Im Vergleich mit analytischen Näherungslösungen und Einbandmodellen lassen sich generische Vielteilchen- und Korrelationseffekte von typischen Mehrband- und Einteilcheneffekten differenzieren.rnrnDas zweite untersuchte Hubbard-Modell beschreibt eine magneto-optische Falle mit einer endlichen Anzahl Gitterplätze, in welcher fermionische Atome platziert sind. Es wird eine z-antiferromagnetische Phase unter Berücksichtigung nicht-lokaler Vielteilchenkorrelationen erhalten, und dabei werden bekannte Ergebnisse einer effektiven Einteilchenbeschreibung verbessert.rnrnDas korrelierte Halbmetall wird im Rahmen einer Mehrbandrechnung im Hinblick auf Korrelationseffekte untersucht. Ausgangspunkt ist eine ab initio-Beschreibung durch die Dichtefunktionaltheorie (DFT), welche dann durch die Hinzunahme lokaler Korrelationen ergänzt wird. Die Vielteilcheneffekte werden an Hand einer einfachen Wechselwirkungsnäherung verdeutlicht, und für ein Wechselwirkungsmodell in sphärischer Symmetrie präzisiert. Es ergibt sich nur eine schwache Quasiteilchenrenormierung. Besonders für röntgenspektroskopische Experimente wird eine gute Übereinstimmung erzielt.rnrnDie numerischen Ergebnisse für das Jz-Modell basieren auf Quanten-Monte-Carlo-Simulationen im Rahmen der dynamischen Molekularfeldtheorie (DMFT). Für alle anderen Systeme wird ein Mehrband-Algorithmus entwickelt und implementiert, welcher explizit nicht-diagonale Mehrbandprozesse berücksichtigt.rnrn

Chiroptical properties of bioactive molecules: sensitivity to conformation and solvation

Chiroptical spectroscopies play a fundamental role in pharmaceutical analysis for the stereochemical characterisation of bioactive molecules, due to the close relationship between chirality and optical activity and the increasing evidence of stereoselectivity in the pharmacological and toxicological profiles of chiral drugs. The correlation between chiroptical properties and absolute stereochemistry, however, requires the development of accurate and reliable theoretical models. The present thesis will report the application of theoretical chiroptical spectroscopies in the field of drug analysis, with particular emphasis on the huge influence of conformational flexibility and solvation on chiroptical properties and on the main computational strategies available to describe their effects by means of electronic circular dichroism (ECD) spectroscopy and time-dependent density functional theory (TD-DFT) calculations. The combination of experimental chiroptical spectroscopies with state-of-the-art computational methods proved to be very efficient at predicting the absolute configuration of a wide range of bioactive molecules (fluorinated 2-arylpropionic acids, β-lactam derivatives, difenoconazole, fenoterol, mycoleptones, austdiol). The results obtained for the investigated systems showed that great care must be taken in describing the molecular system in the most accurate fashion, since chiroptical properties are very sensitive to small electronic and conformational perturbations. In the future, the improvement of theoretical models and methods, such as ab initio molecular dynamics, will benefit pharmaceutical analysis in the investigation of non-trivial effects on the chiroptical properties of solvated systems and in the characterisation of the stereochemistry of complex chiral drugs.

Structure and properties of quaternary and tetragonal Heusler compounds for spintronics and spin transfer torque applications

Diese Dissertation ist in zwei Teile aufgeteilt: Teil 1 befasst sich mit der Vorhersage von Halb-Metallizität in quarternären Heuslerverbindungen und deren Potential für Spintronik-Anwendungen. Teil 2 befasst sich mit den strukturellen Eigenschaften der Mn2-basierenden Heuslerverbindungen und dem Tuning von ihrer magnetischen Eigenschaften bzgl. Koerzitivfeldstärke und Remanenz. Diese Verbindungen sind geeignet für Spin-Transfer Torque-Anwendungen.rnrnIn Teil 1 wurden die folgenden drei Probenserien quarternärer Heuslerverbindungen untersucht: XX´MnGa (X = Cu, Ni und X´ = Fe, Co), CoFeMnZ (Z = Al, Ga, Si, Ge) und Co2−xRhxMnZ (Z = Ga, Sn, Sb). Abgesehen von CuCoMnGa wurden alle diese Verbindungen mittels ab-initio Bandstrukturrechnungen als halbmetallische Ferromagnete prognostiziert. In der XX´MnGa-Verbindungsklasse besitzt NiFeMnGa zwar eine zu niedrige Curie-Temperatur für technologische Anwendungen, jedoch NiCoMnGa mit seiner hohen Spinpolarisation, einem hohen magnetischen Moment und einer hohen Curie-Temperatur stellt ein neues Material für Spintronik-Anwendungen dar. Alle CoFeMnZ-Verbindungen kristallisieren in der kubischen Heuslerstruktur und ihre magnetischen Momente folgen der Slater-Pauling-Regel, was Halbmetalizität und eine hohe Spinpolarisation impliziert. Die ebenfalls hohen Curie-Temperaturen ermöglichen einen Einsatz weit über Raumtemperatur hinaus. In der strukturellen Charakterisierung wurde festgestellt, dass sämtliche Co2−xRhxMnZ abgesehen von CoRhMnSn verschiedene Typen von Unordnung aufweisen; daher war die ermittelte Abweichung von der Slater-Pauling-Regel sowie von der 100%-igen Spinpolarisation dieser Verbindungen zu erwarten. Die Halbmetallizität der geordneten CoRhMnSn-Verbindung sollte nach den durchgeführten magnetischen Messungen vorhanden sein.rnrnIm zweiten Teil wurden Mn3−xCoxGa und Mn2−xRh1+xSn synthetisiert und charakterisiert. Es wurde gezeigt, dass Mn3−xCoxGa im Bereich x = 0.1 − 0.4 in einer tetragonal verzerrten inversen Heuslerstruktur kristallisiert und im Bereich x = 0.6−1 in einer kubisch inversen Heuslerstruktur. Während die tetragonalen Materialien hartmagnetisch sind und Charakeristika aufweisen, die typischerweise für Spin-Transfer Torque-Anwengungen attraktiv sind, repräsentieren die weichmagnetischen kubischen Vertreter die 100% spinpolarisierten Materialien, die der Slater-Pauling-Regel folgen. Mn2RhSn kristallisiert in der inversen tetragonal verzerrten Heuslerstruktur, weist einernhartmagnetische Hystereseschleife auf und folgt nicht der Slater-Pauling-Regel. Bei hohen Rh-Gehalt wird die kubische inverse Heuslerstruktur gebildet. Alle kubischen Proben sind weichmagnetisch und folgen der Slater-Pauling-Regel.

Formation of DNA complexes in aqueous and organic solvents

From a physical-chemical point of view, it is challenging to form complexes with polyelectrolytes, consisting of only molecule of the largest component, i.e. the component with the highest number of charges. In this study, complexes are formed with DNA because of its potential applications as an artificial vector for gene delivery. The aim of this work is to prepare complexes in aqueous solutions as well as in organic solvents containing only one DNA molecule. For this purpose, the topology, equilibrium and conformation of complexes between a supercoiled DNA pUC19 (2686 base pairs) and spermine containing hydrophilic and/or hydrophobic moieties or a polylysine with a hydrophilic block are determined by means of dynamic (DLS) and static light scattering (SLS), atomic force microscopy (AFM), and circular dichroism (CD) spectroscopy. It is demonstrated that all of these complexes consisted of only one molecule of the polyanion. Only the polylysine-b-polyethylene glycol copolymer satisfied the conditions: 1) 100% neutralization of DNA charges and with a small excess of the cation (lower than 30%) and 2) form stable complexes at every charge ratio. rnDNA complex formation is also investigated in organic solvents. Precipitation is induced by neutralizing the charge of the supercoiled DNA pUC19 with the surfactants dodecyltrimethylammonium bromide (DTAB) and tetradecyltrimethylammonium bromide (TTAB). After isolation and drying of the solids, the complexes are dissolved in organic solvents. DNA-TTA complexes are only soluble in methanol and DNA-DTA in DMF. The complexes again consisted of only one DNA molecule. The final topology of the complexes is different in methanol than in DMF. In the former case, DNA seems to be compacted whereas in the latter case, the DNA-DTA complexes seem to have an expanded conformation. Upon complex formation with polycations in organic solvents (with polyvilylpyridine brush (b-PVP) in methanol and with a protected polylysine in DMF), DNA aggregates and precipitates. rnDNA is linearized with an enzyme (SmaI) to investigate the influence of the initial topology of the polyanion on the final conformation of the complexes in organic solvents. Two main differences are evidenced: 1. Complexes in organic solvents formed with linear DNA have in general a more expanded conformation and a higher tendency to aggregate. 2. If a polycation, i.e. the b-PVP, is added to the linear DNA-TTA complexes in methanol, complexes with the polycation are formed at a higher charge ratio. In DMF, the addition of the same b-PVP and of b-PLL did not lead to the formation of complexes.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.