Purification and characterization of Hb 98-114: A novel hemoglobin-derived antimicrobial peptide from the midgut of Rhipicephalus (Boophilus) microplus

The antimicrobial activity of hemoglobin fragments (hemocidins) has been reported in a variety of models. The cattle tick Rhipicephalus (Boophilus) microplus is a blood sucking arthropod from where the first in vivo-generated hemocidin was characterized (Hb 33-61). In the present work we identified a novel antimicrobial peptide from the midgut of fully engorged R. (B.) microplus females, which comprises the amino acids 98-114 of the alpha subunit of bovine hemoglobin, and was designated Hb 98-114. This peptide was active against several yeast and filamentous fungi, although no activity was detected against bacteria up to 50 mu M of the synthetic peptide. Hb 98-114 was capable of permeabilizing Candida albicans cell membrane and had a fungicidal effect against this yeast. Circulardichroism (CD) and nuclear magnetic resonance (NMR) experiments showed that Hb 98-114 has a random conformation in aqueous solution but switches to an alpha-helical conformation in the presence of sodium dodecyl sulfate (SDS). This alpha helix adopts an amphipathic structure which may be the mechanism of cell membrane permeabilization. Importantly, Hb 98-114 may play an important role in defending the tick midgut against fungal pathogens and is the first hemocidin with specific antifungal activity to be characterized. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Properties and secretory mechanism of Musca domestica digestive chymotrypsin and its relation with Drosophila melanogaster homologs

Musca domestica larvae present two different digestive chymotryptic activities found in the posterior midgut (PMG): one major soluble activity in the lumen and another minor present in cell membrane fractions. Both soluble and membrane-bound chymotryptic activities have different half lives of thermal inactivation (46 degrees C) in the presence and absence of 10 mM Triton X-100, indicating that they are two different molecular species. Purified soluble chymotryptic activity has pH optimum 7.4 and a molecular mass of 28 kDa in SDS-PAGE. It does not cleave short substrates, such as Suc-F-MCA, preferring longer substrates, such as Suc-AAPF-MCA, with a primary specificity (kcat/Km) for Phe rather than Tyr and Leu residues. In-gel activity revealed a unique band against S-AAPF-MCA with the same migration as purified chymotrypsin. One chymotrypsinogen-like sequence (MdChy1) was sequenced, cloned and recombinantly expressed in Escherichia coli (DE3) Star. MdChy1 is expressed in the proximal posterior midgut (PMG1), as seen by RT-PCR. Expression analysis of other chymotrypsin genes revealed genes expressed at the anterior midgut (AMG) and PMG. Western blot of M. domestica midgut tissues using anti-MdChy1 antiserum showed a single band in samples from AMG and PMG, co-migrating with recombinant and purified enzymes. Immunogold labeling corresponding to Mdchy1 was found in small vesicles (thus indicating exocytosis) and in the lumen of AMG and PMG, corroborating the existence of two similar groups of chymotrypsins. Transcriptomes of M. domestica AMG and whole midgut prepared by pyrosequencing disclosed 41 unique sequences of chymotrypsin-like enzymes (19 probably functional), from which MdChy1 is highly expressed. Phylogenetic reconstruction of Drosophila melanogaster and M. domestica chymotrypsin-like sequences revealed that the chymotrypsin genes expanded before the evolutionary separation of Musca and Drosophila. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Anticancer Effects of Synthetic Phosphoethanolamine on Ehrlich Ascites Tumor: An Experimental Study

Background: Antineoplastic phospholipids (ALPs) represent a promising class of drugs with a novel mode of action undergoes rapid turnover in the cell membrane of tumors, interfering with lipid signal transduction, inducing cell death. The aim of this study was to investigate the synthetic phosphoethanolamine (Pho-s) as a new anticancer agent. Materials and Methods: Cell viability and morphology were assessed by (3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT), Hoechst and rhodamine staining. Apoptosis was assessed by Annexin V and propidium iodide (PI) staining, caspase-3 activity, mitochondrial membrane potential (Delta m psi) and cell cycle analysis, combined with evaluation of tumor growth in Ehrlich Ascites Tumor (EAT) bearing mice. Results: We found that Pho-s 2.30 mg/ml induced cytotoxicity in all tumor cell lines studied without affecting normal cells. In vitro studies with EAT cells indicated that Pho-s induced apoptosis, demonstrated by an increase in Annexin-V positive cells, loss of mitochondrial potential (Delta m psi) and increased caspase-3 activity. It was also shown to increase the sub-G(1) apoptotic fraction and inhibit progression to the S phase of the cell cycle. Additionally, antitumor effects on the EAT-bearing mice showed that Pho-s, at a concentration of 35 and 70 mg/kg, inhibited tumor growth and increased the lifespan of animals without causing liver toxicity. Conclusion: These findings suggest that Pho-s is a potential anticancer candidate drug.

Purification and characterization of a surfactin-like molecule produced by Bacillus sp. H2O-1 and its antagonistic effect against sulfate reducing bacteria

Abstract Background Bacillus sp. H2O-1, isolated from the connate water of a Brazilian reservoir, produces an antimicrobial substance (denoted as AMS H2O-1) that is active against sulfate reducing bacteria, which are the major bacterial group responsible for biogenic souring and biocorrosion in petroleum reservoirs. Thus, the use of AMS H2O-1 for sulfate reducing bacteria control in the petroleum industry is a promising alternative to chemical biocides. However, prior to the large-scale production of AMS H2O-1 for industrial applications, its chemical structure must be elucidated. This study also analyzed the changes in the wetting properties of different surfaces conditioned with AMS H2O-1 and demonstrated the effect of AMS H2O-1 on sulfate reducing bacteria cells. Results A lipopeptide mixture from AMS H2O-1 was partially purified on a silica gel column and identified via mass spectrometry (ESI-MS). It comprises four major components that range in size from 1007 to 1049 Da. The lipid moiety contains linear and branched β-hydroxy fatty acids that range in length from C13 to C16. The peptide moiety contains seven amino acids identified as Glu-Leu-Leu-Val-Asp-Leu-Leu. Transmission electron microscopy revealed cell membrane alteration of sulfate reducing bacteria after AMS H2O-1 treatment at the minimum inhibitory concentration (5 μg/ml). Cytoplasmic electron dense inclusions were observed in treated cells but not in untreated cells. AMS H2O-1 enhanced the osmosis of sulfate reducing bacteria cells and caused the leakage of the intracellular contents. In addition, contact angle measurements indicated that different surfaces conditioned by AMS H2O-1 were less hydrophobic and more electron-donor than untreated surfaces. Conclusion AMS H2O-1 is a mixture of four surfactin-like homologues, and its biocidal activity and surfactant properties suggest that this compound may be a good candidate for sulfate reducing bacteria control. Thus, it is a potential alternative to the chemical biocides or surface coating agents currently used to prevent SRB growth in petroleum industries.

Adhesion molecules of detrusor muscle cells are influenced by a hypercholesterolemic diet or bladder outlet obstruction in a wistar rat model

Abstract Background Cell adhesion molecules (CAMs) are essential for maintaining tissue integrity by regulating intercellular and cell to extracellular matrix interactions. Cadherins and catenins are CAMs that are located on the cell membrane and are important for adherens junction (AJ) function. This study aims to verify if hypercholesterolemic diet (HCD) or bladder outlet obstruction (BOO) promotes structural bladder wall modifications specific to alterations in the expression of cadherins and catenins in detrusor muscle cells. Methods Forty-five 4-week-old female Wistar rats were divided into the following three groups: group 1 was a control group that was fed a normal diet (ND); group 2 was the BOO model and was fed a ND; and group 3 was a control group that was fed a HCD (1.25% cholesterol). Initially, serum cholesterol, LDL cholesterol and body weight were determined. Four weeks later, groups 1 and 3 underwent a sham operation; whereas group 2 underwent a partial BOO procedure that included a suture tied around the urethra. Six weeks later, all rats had their bladders removed, and previous exams were repeated. The expression levels of N-, P-, and E-cadherin, cadherin-11 and alpha-, beta- and gamma-catenins were evaluated by immunohistochemistry with a semiquantitative analysis. Results Wistar rats fed a HCD (group 3) exhibited a significant increase in LDL cholesterol levels (p=0.041) and body weight (p=0.017) when compared to both groups that were fed a normal diet in a ten-week period. We found higher β- and γ-catenin expression in groups 2 and 3 when compared to group 1 (p = 0.042 and p = 0.044, respectively). We also observed Cadherin-11 overexpression in group 3 when compared to groups 1 and 2 (p = 0.002). Conclusions A HCD in Wistar rats promoted, in addition to higher body weight gain and increased serum LDL cholesterol levels, overexpression of β- and γ-catenin in the detrusor muscle cells. Similar finding was observed in the BOO group. Higher Cadherin-11 expression was observed only in the HCD-treated rats. These findings may be associated with bladder dysfunctions that occur under such situations.

Langmuir films containing ibuprofen and phospholipids

This study shows the incorporation of ibuprofen, an anti-inflammatory drug, in Langmuir monolayers as cell membrane models. Significant effects were observed for dipalmitoyl phosphatidyl choline (DPPC) monolayers with relevant changes in the elasticity of the monolayer. Dipalmitoyl phosphatidyl glycerol (DPPG) monolayers were affected by small concentrations of ibuprofen, from 1 to 5 mol%. For both types of monolayer, ibuprofen could penetrate into the hydrophobic part of the monolayer, which was confirmed with polarization-modulated infrared reflection–absorption spectroscopy (PM-IRRAS). Brewster angle microscopy (BAM) images showed that ibuprofen prevents the formation of large domains of DPPC. The pharmacological action should occur primarily with penetration of ibuprofen via electrically neutral phospholipid headgroups of the membrane.

Doxorubicina coniugata alla albumina umana lattosaminata: azione antineoplastica sui carcinomi epatocellulari indotti nel ratto dalla dietilnitrosammina

The experiments described in the thesis for my PhD were addressed to the study of the anticancer activity of a conjugate of doxorubicin (DOXO) with lactosaminated human albumin (L-HSA) on hepatocellular carcinomas (HCCs) induced in rats by diethylnitrosamine. L-HSA is a neoglycoprotein exposing galactosyl residues. The conjugate was prepared to improve the chemo therapeutic index of DOXO in the treatment of the well differentiated (WD) HCCs whose cells mantain the receptor for galactosyl terminating glycoproteins and consequently can actively internalize L-HSA. In my first experiments I found that L-HSA coupled DOXO produced concentrations of DOXO higher than those raised by an equal dose of free drug, not only in WD HCCs, but also in the poorly differentiated forms (PD) of these tumors which do no express the receptor for galactosyl terminating glycoproteins. Subsequently I provided evidence that penetration of L-HSA-DOXO in PD HCCs was due to a non-specific adsorption mediated by the DOXO residues of the conjugate which interact with the cell surface mainly because at physiological pH they are positively charged and bind to anionic phospholipids of the cell membrane. In subsequent experiments, by ultrasound technique, I studied the action of free and L-HSA coupled DOXO on the growth of rat HCCs. I found that L-HSA coupled DOXO hindered the development of new neoplastic nodules and inhibited the growth of the established tumors. In contrast, the free drug neither inhibited the development of HCCs nor prevented the growth of the established tumors. Moreover, the free drug produced a severe loss of weight of rats, a sign of severe toxicity, which was not caused by the conjugate. In conclusion assuming that the results obtained in rats can be applied to patients, the results of my thesis suggest that the conjugate by increasing the efficacy and tolerability of DOXO could improve the value of this drug in the treatment of human HCCs.

Evaluation of glycoconjugate antigens as vaccine candidates against group A Streptococcus and human immunodeficiency virus infections

This PhD thesis discusses the rationale for design and use of synthetic oligosaccharides for the development of glycoconjugate vaccines and the role of physicochemical methods in the characterization of these vaccines. The study concerns two infectious diseases that represent a serious problem for the national healthcare programs: human immunodeficiency virus (HIV) and Group A Streptococcus (GAS) infections. Both pathogens possess distinctive carbohydrate structures that have been described as suitable targets for the vaccine design. The Group A Streptococcus cell membrane polysaccharide (GAS-PS) is an attractive vaccine antigen candidate based on its conserved, constant expression pattern and the ability to confer immunoprotection in a relevant mouse model. Analysis of the immunogenic response within at-risk populations suggests an inverse correlation between high anti-GAS-PS antibody titres and GAS infection cases. Recent studies show that a chemically synthesized core polysaccharide-based antigen may represent an antigenic structural determinant of the large polysaccharide. Based on GAS-PS structural analysis, the study evaluates the potential to exploit a synthetic design approach to GAS vaccine development and compares the efficiency of synthetic antigens with the long isolated GAS polysaccharide. Synthetic GAS-PS structural analogues were specifically designed and generated to explore the impact of antigen length and terminal residue composition. For the HIV-1 glycoantigens, the dense glycan shield on the surface of the envelope protein gp120 was chosen as a target. This shield masks conserved protein epitopes and facilitates virus spread via binding to glycan receptors on susceptible host cells. The broadly neutralizing monoclonal antibody 2G12 binds a cluster of high-mannose oligosaccharides on the gp120 subunit of HIV-1 Env protein. This oligomannose epitope has been a subject to the synthetic vaccine development. The cluster nature of the 2G12 epitope suggested that multivalent antigen presentation was important to develop a carbohydrate based vaccine candidate. I describe the development of neoglycoconjugates displaying clustered HIV-1 related oligomannose carbohydrates and their immunogenic properties.

Untersuchungen zur Zell-Transistor-Kopplung mittels der Voltage-Clamp-Technik

Untersuchungen zur Zell-Transistor Kopplung mittels der Voltage-Clamp TechnikIn der vorliegenden Arbeit wird die extrazelluläre Einkopplung elektrischer Signale von Zellen in Transistoren hinsichtlich der an der Kopplung beteiligten Parameter untersucht. Dafür werden Zellen aus Primärkulturen und von Zell-Linien direkt auf den aktiven Sensorflächen der hergestellten Chips kultiviert. Für die Experimente werden n- und p-Kanal Feldeffekttransistoren (FET) sowie Extended-Gate-Elektroden (EGE) mit Gold- und Titanoberflächen entwickelt.Zur Untersuchung der Kopplungseigenschaften werden die neuronale Zell-Linie SH-SY5Y, die humane Endothel Zell-Linie EA.hy-926 sowie als Primärzellen hippocampale Neuronen und Kardiomyozyten embryonaler und neonataler Ratten eingesetzt. Die Voltage-Clamp Technik erlaubt die Untersuchung spannungsgesteuerter Ionenkanäle in der Zellmembran. Maßgebend für den Signalverlauf des extrazellulär eingekoppelten Signals ist der Ionenstrom von Na+, K+ und Ca2+ durch die Membran im Kontaktbereich zwischen Zelle und Sensor.Die Kopplung kann elektrisch mithilfe eines Ersatzschaltkreises beschrieben werden, der alle beteiligten elektrischen Größen der Membran und der Ionenströme, sowie die Parameter des Kontaktbereichs und des Sensors enthält.Die Simulation der extrazellulären Signale zeigt, dass die beobachteten Signalformen nur durch eine Erhöhung der Ionenkanaldichten und dadurch einer deutlich vergrößerten Leitfähigkeit der Ionenarten im Kontaktbereich gegenüber der freien Membran erklärt werden können.

Netzwerke von Nervenzellen auf strukturierten Oberflächen charakterisiert mit optischen und elektrophysiologischen Methoden

Das Wachstum von Nervenzellen und deren Verbindungen im zentralen und peripheren Nervensystem wird durch Proteine der extrazellulären Matrix kontrolliert. In dieser Arbeit wurde das Matrixprotein Laminin verwendet, um Netzwerke von Nervenzellen auf künstlichen Substraten in vitro zu erzeugen. Zu diesem Zweck wurden Lamininstrukturen mit Mikrostempeln aus Polydimethylsiloxan auf Zellkultursubstrate übertragen. Die Mikrostempel wurden in einem mehrstufigen Verfahren durch Abformung von photolithographisch hergestellten Masken angefertigt. Nach Vorversuchen mit neuronal differenzierten Zellen der Zellinien MzN und P19 zur Identifizierung geeigneter Abmessungen der Mikrotrukturen, gelang die Realisierung von Linien- und Gitternetzwerken sowie von komplexeren Schaltungen. Eine morphologische Charakterisierung der erzeugten Netzwerke erfolgte durch Phasenkontrast- und Fluoreszenzmikroskopie.Elektrophysiologische Messungen wurden mit der Patch-Clamp Technik an einer Kultur von Nervenzellen aus primär isolierten Hirnschnitten durchgeführt. Der Erhalt des intakten Zellverbundes im Hirnschnitt sollte Bedingungen möglichst nahe zur Situation in vivo schaffen, um die Bildung von Synapsen zu begünstigen. In Patch-Clamp Messungen an bis zu drei Neuronen gleichzeitig, gelang der Nachweis synaptischer Kopplung in strukturierten Netzwerken solcher Hirnschnitt-Kulturen. Sowohl funktionale chemische Synapsen, als auch Ohm'sche Kopplung über Gap-Junctions wurde beobachtet. Es wurde ein elektrisches Kopplungsmodell abgeleitet. Die Signalleitung in den Nervenfasern erfolgt demnach wie in einem zylindrischen, durch die Zellmembran von der Umgebung isolierten Kabel.

Ektopische Expression schwer exprimierbarer nikotinischer Acetylcholinrezeptoren in Zellinien

Deutsch:In dieser Arbeit wurden Versuche zur funktionellen Expression von schwer ektopisch exprimierbaren nAChR in HEK-293/a1-Zellen durchgeführt: a7 nAChR und a6-enthaltenden nAChR. Die Probleme lagen dabei nicht auf dem Niveau der Transfektion, Transkription, Translation oder der Assemblierung, sondern beim Transport der Rezeptoren zur Zellmembran.Die Expression von a7 nAChR in der Plasmamembran von HEK-293/a1-Zellen konnte durch verbesserte Expressionsbedingungen (Koexpression des Faltungshelfers Calnexin oder weiterer nAChR-Untereinheiten, Erniedrigung der Expressionstemperatur, Expression in Gegenwart nikotinischer Antagonisten) nicht erreicht werden. Auch in anderen Zellinien mit neuronalem oder nicht-neuronalem Ursprung (QT6, GH4C1, S2 und PCC7-Mz1) war die EGFP-gekoppelte a7 nAChR-Untereinheit nur im Zellinneren lokalisiert.Eine intrazelluläre Lokalisation verhinderte auch eine funktionelle Expression homomerer a6 sowie heteromerer a6b2 und a6b3 nAChR in HEK-293/a1-Zellen. Im Gegensatz dazu führte eine Expression von stabil mit den nAChR-Untereinheiten a6 und b4 transfizierten HEK-293/a1-Zellen in Gegenwart von Calciumphosphat-Transfektionslösung und anschließend bei 30°C zu einem verbesserten Transport der Rezeptoren zur Zellmembran und damit zum erfolgreichen Expression funktioneller a6b4 nAChR. Die Wirkung der Transfektionslösung kann durch die erhöhte Calciumkonzentration erklärt werden, da in Ganzzellableitungen eine potenzierende Wirkung von Calciumionen auf den a6b4 nAChR bewiesen wurde. Somit konnte erstmalig der humane a6b4 nAChR in einer Säugerzellinie stabil und funktionell exprimiert werden.

Strukturelle und molekulare Charakterisierung des Asialoglykoprotein-Rezeptors aus humaner Leber

Der Asialoglykoprotein-Rezeptor (ASGPR) vermittelt als integraler Bestandteil der Leberzellmembran die Endozytose von zirkulierenden Asialoglykoproteinen. Ziele dieser Arbeit waren proteinchemische Untersuchungen von funktionellem ASGPR aus humaner Leber aufgrund einer verbesserten Präparationsmethode und die rekombinante Darstellung der beiden Untereinheiten H1 und H2. In der denaturierenden SDS-PAGE erschienen H1 und H2 überwiegend als Monomere bei 46 und 50kD; nach Deglykosylierung ergaben sich Banden bei 34 und 32kD, wonach der Glykosidanteil etwa 28% beträgt. In der nicht-denaturierenden Größenausschluß-Chromatographie wurden im nativen ASGPR ausschließlich Trimere und Dimere gefunden. In Gegenwart von 2-Mercaptoethanol konnten funktionell eine aktive von einer nicht-aktiven Fraktion getrennt werden, wobei H2 in der nicht-aktiven Fraktion angereichert war, während sich H1 zu etwa gleichen Teilen in beiden Fraktionen befand. Durch zweidimensionale Auftrennung des deglykosylierten Rezeptors wurden auf Proteinebene vier Isoformen von H1 und zwei von H2 mit unterschiedlichen pI-Werten identifiziert. Der Vergleich von funktionellem ASGPR aus normaler Leber und den hepatischen Tumorzellinien HepG2 und Huh7 in der SDS-PAGE brachte Größenunterschiede von etwa sechs und vier Kilodalton hervor. Bei H1 konnte dies auf einen höheren Glykosylierungsgrad zurückgeführt werden, während H2 auch nach Behandlung mit N-GlykosidaseF ein größeres Molekulargewicht aufwies. Ein Antikörper gegen das Insertionspeptid im cytoplasmatischen Bereich einer Splice-Variante von H2 zeigte eine deutlich erhöhte Expression von H2 mit Insertion in Huh7-Zellen gegenüber natürlichem ASGPR. Da bisherige Kenntnisse über den humanen ASGPR vorwiegend aus kultivierten Hepatomzelllinien stammen, scheinen sie nicht ohne weiteres auf die Situation in normaler Leber übertragbar. Die Präparation von funktionellem H1 aus transfizierten cos7- und 293-Zellen führte zum gleichen Bandenmuster wie beim natürlichen ASGPR. Mit einem Enzymimmunoassay wurde die Eignung von rekombinantem H1 zur Detektion von Antikörpern gegen ASGPR in 177 von 178 Patientenseren gezeigt. Da durch Präinkubation mit rekombinantem Antigen die Reaktivität mit natürlichem Rezeptor inhibiert werden konnte, trägt H1 hauptsächlich die antigenen Stellen des ASGPR.

Sensibilisierung hitzeevozierter Ionenströme an nozizeptiven Spinalganglienneuronen der Ratte

Die freien Endigungen von Spinalganglienneuronen sind für die Detektion schmerzhafter Reize verantwortlich. Dabei rufen thermische, chemische oder mechanische Reize Ionenströme über die Membran und dadurch Membranpotentialänderungen hervor. Diese noxisch induzierten Ströme sind in großem Ausmaß durch chemische Substanzen und andere Reize modulierbar. Der Ionenkanal TRPV1 ist für die Detektion zahlreicher chemischer Reize und zumindest eines Teils der noxischen Hitzereize verantwortlich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden einige der Mechanismen geklärt, die zur schnellen Sensibilisierung hitzeevozierter Ionenströme führen. Hierfür wurden akut dissoziierte Spinalganglienneurone der Ratte als Modell ihrer peripheren Endigung verwendet und mittels Ganzzellableitung in der patch-clamp-Technik untersucht. Die Verwendung von Trypsin während der Präparation von Spinalganglienneuronen hat keinen funktionellen Einfluss auf hitze- oder capsaicininduzierte Ströme, verbessert aber die Untersuchungsbedingungen für das patch-clamp-Verfahren. Bei 144 akut dissoziierten Spinalganglienneuronen wurden die Stromantworten auf drei im Abstand von 40 s durch Überspülen mit 45,3 bis 46,3°C heißer Extrazellularlösung applizierte einsekündige Hitzereize gemessen. Dabei ließen sich repetitiv reproduzierbare hitzeinduzierte Einwärtsströme von etwa 160 pA erzielen; es konnte keine Tachyphylaxie und nahezu keine Inaktivierung beobachtet werden. Direkt vor dem zweiten Hitzereiz wurden die Neurone für zwei Sekunden mit Extrazellularlösung überspült, die Kontrolllösung, 0,5 μM Capsaicin, 10 μM Natriumnitroprussid oder 10 μM YC-1 enthielt. Es fand sich kein Hinweis, dass Stickstoffmonoxid oder die Guanylatzyklase einen signifikanten Beitrag zur Sensibilisierung von hitzeinduzierten Strömen in Spinalganglienneuronen leisten, wobei ein durch den Versuchsaufbau bedingtes Auswaschen zytosolischer Faktoren, die für den Signalweg notwendig sind, nicht ausgeschlossen werden kann. Bei einer Konzentration von 0,5 μM löst Capsaicin für zwei Sekunden einen sehr kleinen Einwärtsstrom von etwa 33 pA aus und führt innerhalb von zwei Sekunden zu einer schnell reversiblen Sensibilisierung von hitzeinduzierten Einwärtsströmen in Spinalganglienneuronen (p<0,01). Das Ausmaß der Sensibilisierung ist proportional zur Größe des capsaicininduzierten Stromes (r=−0,7, p<0,001). Konstant halten der intrazellulären Calciumkonzentration mittels des Calciumchelators BAPTA verhindert die capsaicininduzierte Sensibilisierung hitzeinduzierter Ströme an Spinalganglienneuronen. Demzufolge beruht die capsaicininduzierte Sensibilisierung trotz der schnellen Kinetik nicht auf einer synergistischen Wirkung der beiden Agonisten Capsaicin und Hitze auf ihren gemeinsamen Rezeptor; vielmehr ist sie von einer Erhöhung der intrazellulären freien Calciumkonzentration abhängig. Funktionelle Änderungen der zellulären Funktion werden häufig durch Proteinkinasen vermittelt. Die zur Gruppe der MAP-Kinasen gehörende ERK (extracellular signal related kinase) wird bei Membrandepolarisation und Calciumeinstrom in die Zelle durch MEK (MAPK/extracellular signal related kinase kinase) aktiviert. Blockade der MEK/ERK-Kaskade durch den spezifischen MEK-Hemmstoff U0126 führt ebenfalls zu einer Aufhebung der Sensibilisierung der Hitzeantworten durch Capsaicin. Applikation von Capsaicin führt innerhalb von zwei Sekunden zu einer schnell reversiblen Sensibilisierung hitzeevozierter Ionenströme an nozizeptiven Spinalganglienneuronen. Diese Sensibilisierung wird durch einen Calciumeinstrom in die Zelle und die dadurch eintretende Aktivierung von Proteinkinasen hervorgerufen. Die MEK/ERK-Kaskade ist ein sehr schnell (deutlich unter 2 s) aktivierbares intrazelluläres Signalsystem, welches bei der Regulation der Empfindlichkeit nozizeptiver Spinalganglienneurone eine entscheidende Rolle spielt; die schnelle Kinetik ist dabei nur durch eine membranständige oder zumindest membrannahe Lokalisation dieser Proteinkinasen erklärbar. Durch Applikation zehnsekündiger Hitzereize lässt sich ebenfalls eine Sensibilisierung hitzeevozierter Ionenströme auslösen, die ebenso ausgeprägt ist, wie die Sensibilisierung durch 0,5 μM Capsaicin (p<0,005). Durch das immer größere Verständnis der Funktionsweise des nozizeptiven Systems ergeben sich ständig neue Ansätze für die Entwicklung neuer Analgetika. So könnte durch Modulation spezifischer intrazellulärer Proteinkinasen der Phosphorylierungszustand und damit die Aktivierbarkeit von Ionenkanälen, die der Transduktion noxischer Reize dienen, positiv beeinflusst werden. Neuere, noch spezifischere Inhibitoren der MEK können der Forschung und später auch der Therapie neue Möglichkeiten eröffnen.

A molecular approach towards tethered bilayer lipid membranes: synthesis and characterization of novel anchor lipids

Tethered bilayer lipid membranes (tBLMs) are a promising model system for the natural cell membrane. They consist of a lipid bilayer that is covalently coupled to a solid support via a spacer group. In this study, we developed a suitable approach to increase the submembrane space in tBLMs. The challenge is to create a membrane with a lower lipid density in order to increase the membrane fluidity, but to avoid defects that might appear due to an increase in the lateral space within the tethered monolayers. Therefore, various synthetic strategies and different monolayer preparation techniques were examined. Synthetical attempts to achieve a large ion reservoir were made in two directions: increasing the spacer length of the tether lipids and increasing the lateral distribution of the lipids in the monolayer. The first resulted in the synthesis of a small library of tether lipids (DPTT, DPHT and DPOT) characterized by 1H and 13C NMR, FD-MS, ATR, DSC and TGA. The synthetic strategy for their preparation includes synthesis of precursor with a double bond anchor that can be easily modified for different substrates (e.g. metal and metaloxide). Here, the double bond was modified into a thiol group suitable for gold surface. Another approach towards the preparation of homogeneous monolayers with decreased two-dimensional packing density was the synthesis of two novel anchor lipids: DPHDL and DDPTT. DPHDL is “self-diluted” tether lipid containing two lipoic anchor moieties. DDPTT has an extended lipophylic part that should lead to the preparation of diluted, leakage free proximal layers that will facilitate the completion of the bilayer. Our tool-box of tether lipids was completed with two fluorescent labeled lipid precursors with respectively one and two phytanyl chains in the hydrophobic region and a dansyl group as a fluorophore. The use of such fluorescently marked lipids is supposed to give additional information for the lipid distribution on the air-water interface. The Langmuir film balance was used to investigate the monolayer properties of four of the synthesized thiolated anchor lipids. The packing density and mixing behaviour were examined. The results have shown that mixing anchor with free lipids can homogeneously dilute the anchor lipid monolayers. Moreover, an increase in the hydrophylicity (PEG chain length) of the anchor lipids leads to a higher packing density. A decrease in the temperature results in a similar trend. However, increasing the number of phytanyl chains per lipid molecule is shown to decrease the packing density. LB-monolayers based on pure and mixed lipids in different ratio and transfer pressure were tested to form tBLMs with diluted inner layers. A combination of the LB-monolayer transfer with the solvent exchange method accomplished successfully the formation of tBLMs based on pure DPOT. Some preliminary investigations of the electrical sealing properties and protein incorporation of self-assembled DPOT and DDPTT-based tBLMs were conducted. The bilayer formation performed by solvent exchange resulted in membranes with high resistances and low capacitances. The appearance of space beneath the membrane is clearly visible in the impedance spectra expressed by a second RC element. The latter brings the conclusion that the longer spacer in DPOT and the bigger lateral space between the DDPTT molecules in the investigated systems essentially influence the electrical parameters of the membrane. Finally, we could show the functional incorporation of the small ion carrier valinomycin in both types of membranes.

Spectroscopic signatures from first principles calculations: from surface adsorbates to liquids and polymers

In dieser Arbeit werden drei wasserstoffverbrückte Systeme in der kondensierten Phase mit Hilfe von first-principles-Elektronenstruktur-Rechnungen untersucht, die auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) unter periodischen Randbedingungen basieren. Ihre lokalen Konformationen und Wasserstoffbrückenbindungen werden mittels ab-initio Molekulardynamiksimulationen berechnet und weiterhin durch die Bestimmung ihrer spektroskopischen Parameter charakterisiert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf lokalen Strukturen und auf schnellen Fluktuationen der Wasserstoffbrückenbindungen, welche von zentraler Bedeutung für die physikalischen und chemischen Eigenschaften der betrachteten Systeme sind. Die für die lokalen, instantanen Konformationen berechneten Spektren werden verwendet, um die physikalischen Prozesse, die hinter den untersuchten Phänomenen stehen, zu erklären: die Wasseradsorption auf metallischen Oberflächen, die Ionensolvatisierung in wässrigen Lösungen und der Protonentransport in protonleitenden Polymeren, welche Prototypen von Membranen für Brennstoffzellen sind. Die Möglichkeit der Vorhersage spektroskopischer Parameter eröffnet vielfältige Möglichkeiten des Dialogs zwischen Experimenten und numerischen Simulationen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass die Zuverlässigkeit dieser theoretischen Berechnungen inzwischen für viele experimentell relevante Systeme ein quantitatives Niveau erreicht hat.