Isolation and sequence determination of peptides in the venom of the spider wasp (Cyphononyx dorsalis) guided by matrix-assisted laser desorption/ionization time of flight (MALDI-TOF) mass spectrometry

Micro-scale (sub-pmol) isolation and sequence determination of three peptides from the venom of the solitary spider wasp Cyphononyx dorsalis is described. We isolated two novel peptides Cd-125 and Cd-146 and a known peptide Thr(6)-bradykinin from only two venom sacs of solitary spider wasp Cyphononyx dorsalis without bioassay-guided fractionation. but instead guided by MALDI-TOF MS. The MALDI-TOF MS analysis of each fraction showed the purity and molecular weight of the components, which led to the isolation of the peptides virtually without loss of sample amount. The sequences of the novel peptides Cd-125 (Asp-Thr-Ala-Arg-Leu-Lys-Trp-His) and Cd-146 (Ser-Glu-Thr-Gly-Asn-Thr-Val-Thr-Val-Lys-Gly-Phe-Ser-Pro-Leu-Arg) were determined by Edman degradation together with mass spectrometry. and finally corroborated by solid-phase synthesis. The known peptide Thr(6)-bradykinin (Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Thr-Pro-Phe-Arg) was identified by comparison with the synthetic authentic specimen. This is the first example for any kinins to be found in Pompilidae wasp venoms. The procedure reported here can be applicable to studies on many other components of solitary wasp venoms with limited sample availability. (C) 2001 Elsevier B.V. Ltd. All rights reserved.

Further characterization of the subunits of the giant extracellular hemoglobin of Glossoscolex paulistus (HbGp) by SDS-PAGE electrophoresis and MALDI-TOF-MS

Further characterization of hemoglobin of Glossoscolex paulistus (HbGp) subunits was performed based on SDS-PAGE, size exclusion chromatography (SEC) and MALDI-TOF-MS analysis. SDS-PAGE has shown a total of four linker chains, two quite intense and two of lower intensity. HbGp fractions (I-VI), obtained by size exclusion chromatography (SEC), from oligomeric dissociation at alkaline pH 9.6, were monitored. Fraction I is identical to the whole protein. The monomeric chains c, obtained from the trimer abc reduction, present four isoforms with MM 17,336 Da, 17,414 Da, 17,546 Da and 17,620 Da. Furthermore, the trimer subunit presents two isoforms, T 1 and T 2, with MM 51,200 ± 60 and 51,985 ± 50 Da, respectively. Based on SDS-PAGE, the linker chains seem to be distributed along the different fractions of the SEC chromatogram, appearing along the peaks corresponding to fractions I-V. The fraction IV contains, predominantly, trimers with some linkers contamination. The strong interaction of linker chains L with the trimers abc, makes it difficult to obtain these subunits in pure form. The monomer d in fraction VI appears to be quite pure, in agreement with previous studies. © 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Peptídeos cíclicos hepatotóxicos: MALDI-TOF como uma ferramenta analítica

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Interaction of giant extracellular Glossoscolex paulistus hemoglobin (HbGp) with ionic surfactants: A MALDI-TOF-MS study

The giant extracellular hemoglobin of Glossoscolex paulistus (HbGp) is constituted by approximately 144 subunits containing heme groups with molecular masses in the range of 16-19 kDa forming a monomer (d) and a trimer (abc), and around 36 non-heme structures, named linkers (L). Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight (MALDI-TOF-MS) analysis was performed recently, to obtain directly information on the molecular masses of the different subunits from HbGp in the oxy-form. This technique demonstrated structural similarity between HbGp and the widely studied hemoglobin of Lumbricus terrestris (HbLt). Indeed, two major isoforms (d(1) and d(2)) of identical proportions with masses of 16,355+/-25 and 16,428+/-24 Da, respectively, and two minor isoforms (d(3) and d(4)) with masses around 16.6 kDa were detected for monomer d of HbGp. In the present work, the effects of anionic sodium dodecyl sulfate (SDS) and cationic cethyltrimethyl ammonium chloride (CTAC) on the oligomeric structure of HbGp have been studied by MALDI-TOF-MS in order to evaluate the interaction between ionic surfactants and HbGp. The data obtained with this technique show an effective interaction of cationic surfactant CTAC with the two isoforms of monomer d, d(1) and d(2), both in the whole protein as well as in the pure isolated monomer. The results show that up to 10 molecules of CTAC are bound to each isoform of the monomer. Differently, the mass spectra obtained for SDS-HbGp system showed that the addition of the anionic surfactant SDS does not originate any mass increment of the monomeric subunits, indicating that SDS-HbGp interaction is, probably, significantly less effective as compared to CTAC-HbGp one. The acid pI of the protein around 5.5 is, probably, responsible for this behavior. The results of this work suggest also some interaction of both surfactants with linker chains as well as with trimers, as judged from observed mass increments. Our data are consistent with a recent spectroscopic study showing a strong interaction between CTAC and HbGp at physiological pH [P.S.Santiago, et al, Biochim. Biophys. Acta. 1770 (2007) 506-517.]. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Cooking Effects on Iron and Proteins Content of Beans (Phaseolus Vulgaris L.) by GF AAS and MALDI-TOF MS

The effects of domestic cooking on proteins, organic compounds and Fe distribution in beans (Phaseolus vulgaris L.) were investigated. Sequential extraction with different extractant solutions (mixture of methanol and chloroform 1:2 v/v, water, 0.5 mol L-1 NaCl, 70% v/v ethanol and 0.5 mol L-1 NaOH) were used for extracting lipids, albumins, globulins, prolamins and glutelins, respectively. Iron determination by graphite furnace atomic absorption spectrometry (GF AAS), proteins by Bradford method and organic compounds by matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) were carried out in this work. High concentration of albumins, globulins and glutelins were found in raw beans, while in the cooked beans, albumins and glutelins are main proteins types. The MALDI-TOF MS spectra of raw and cooked beans revealed that the domestic cooking altered the molecular weight of the organic compounds, since that in the cooked beans were found compounds between 2 and 3.5 kDa, which were not presented in the raw beans. Besides this, in cooked beans were also observed the presence of four compounds of high molecular weight (12-16 kDa), being that in the raw grains there is only one (ca. 15.2 kDa). In raw grains is possible to observe that Fe is mainly associated to albumins, globulins and glutelins. For cooked grains, Fe is associated to albumins and globulins.

Cooking effects on iron and proteins content of beans (Phaseolus Vulgaris L.) by GF AAS and MALDI-TOF MS

The effects of domestic cooking on proteins, organic compounds and Fe distribution in beans (Phaseolus vulgaris L.) were investigated. Sequential extraction with different extractant solutions (mixture of methanol and chloroform 1:2 v/v, water, 0.5 mol L-1 NaCl, 70% v/v ethanol and 0.5 mol L-1 NaOH) were used for extracting lipids, albumins, globulins, prolamins and glutelins, respectively. Iron determination by graphite furnace atomic absorption spectrometry (GF AAS), proteins by Bradford method and organic compounds by matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) were carried out in this work. High concentration of albumins, globulins and glutelins were found in raw beans, while in the cooked beans, albumins and glutelins are main proteins types. The MALDI-TOF MS spectra of raw and cooked beans revealed that the domestic cooking altered the molecular weight of the organic compounds, since that in the cooked beans were found compounds between 2 and 3.5 kDa, which were not presented in the raw beans. Besides this, in cooked beans were also observed the presence of four compounds of high molecular weight (12-16 kDa), being that in the raw grains there is only one (ca. 15.2 kDa). In raw grains is possible to observe that Fe is mainly associated to albumins, globulins and glutelins. For cooked grains, Fe is associated to albumins and globulins.

Methodische Entwicklung der MALDI-TOF-Massenspektrometrie für Grenzbereiche der Polymeranalytik

Zusammenfassung der DoktorarbeitDie MALDI-TOF-Massenspektrometrie (Matrix Assisted Laser Desorption and Ionisation–Time Of Flight) ist in der Lage, Moleküle mit einem Molekulargewicht bis zu mehreren Hunderttausend Da intakt in die Gasphase zu überführen. Dabei wird die Fragmentierung des Analyten stark eingeschränkt bzw. gänzlich vermieden. Diese Methode findet daher zunehmend Verwendung für die Charakterisierung von Biopolymeren und synthetischen Polymeren. Ziel dieser Arbeit war, die MALDI-TOF-Massenspektrometrie zur Charakterisierung von Makromolekülen einzusetzen, bei denen die konventionellen polymeranalytischen Methoden nur unzureichende Informationen oder gar falsche bzw. gar keine Ergebnisse liefern. Mittels einer methodischen Entwicklung der MALDI-TOF-Massenspektrometrie gelang es, die bisherigen Grenzen der Methode zu erweitern und neue Anwendungsbereiche der Polymeranalytik aufzuzeigen. Anhand der erzielten Ergebnisse wurden darüber hinaus neue Erklärungsansätze formuliert, die zu einem besseren Verständnis des noch immer ungeklärten MALDI-Prozesses beitragen können. Besonders vielversprechend sind zum einen die Ergebnisse der Fragmentionenanalyse synthetischer Polymere und zum anderen die Charakterisierung von unlöslichen PAHs (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons). Die Möglichkeiten und Aussagekraft der Fragmentionenanalyse wurde an synthetischen Polymeren getestet. Mit Hilfe dieser neuen Technik konnte die komplizierte Endgruppenverteilung einer Polycarbonat-Probe sowie die Zusammensetzung eines Poly-para-phenylenethynylen-b-Polyethylenoxid-Diblock-Copolymers eindeutig bestimmen werden, während die konventionellen MALDI-Massenspektren nur über einen wesentlich geringeren Informationsgehalt verfügten. Auf dem Gebiet der Analytik von unlöslichen PAHs wurde mit der Entwicklung einer neuen MALDI-Probenvorbereitung eine Methode gefunden, die über die PAH Analytik hinaus von großem Nutzen ist. Diese erstmalig angewendete Probenvorbereitung unterscheidet sich von den üblichen MALDI-Probenpräparationen, indem sie auf die Beteiligung eines Lösungsmittels vollkommen verzichtet. Damit konnte speziell ein unlöslicher, zuvor nicht nachweisbarer PAH von ca. 2700 Da mit MALDI eindeutig charakterisiert werden.

Methodische Entwicklung der MALDI-TOF-Massenspektrometrie für Grenzbereiche der Makromolekülanalytik

Ziel dieser Arbeit war die methodische Entwicklung der Matrix-unterstützten Laserdesorptions/Ionisations- (MALDI-) Time-of-Flight- (TOF-) Massenspektrometrie (MS) zur Charakterisierung von Makromolekülen. Durch geeignete Experimente und unter Berücksichtigung der Ergebnisse ergänzender analytischer Methoden wurden neue Möglichkeiten der MALDI-TOF-MS-Methode erarbeitet, deren bisherige Grenzen genauer definiert und auf Basis eines besseren Verständnisses der limitierenden Faktoren in vielen Fällen auch überwunden.Die MALDI-Probenpräparation gestaltet sich generell sehr komplex. Es konnte gezeigt werden, dass die lösungsmittelfreie Probenpräparation die MALDI-Analytik in der Art verbessert, dass erzielte Ergebnisse qualitativ (z.B. Auflösung, Genauigkeit) und quantitativ (z.B. Reproduzierbarkeit) zuverlässiger sind. Wichtige Vorteile der lösungsmittelfreien MALDI-TOF-MS konnten bei einem breiten Spektrum unterschiedlicher Analyten herausgearbeitet werden. Fragmentierungslabile Analyte waren charakterisierbar, da weniger Laserleistung für den Desorptionsschritt in das Probengemisch eingebracht werden musste. Oxidationslabile bzw. thermolabile Substanzen (z.B. Pigmente) konnten charakterisiert werden, da auf den Löseschritt verzichtet werden konnte, der zu unerwünschten Veränderungen des Analyten führen kann. Generell konnte gezeigt werden, dass diese Probenpräparation geeignet ist, um schwer- und unlösliche Substanzen wie z.B. Poly(dithiathianthren)e und Poly(fluoren)e zu charakterisieren. Entmischungseffekte (z.B. bei Poly(etherimid)en und Poly(dimethylsiloxan)en), die in der konventionellen Probenpräparation während des Verdampfungsschrittes des Lösungsmittels zu einer inhomogenen Kristallisation des MALDI-Probengemisches führen, können überwunden werden, da vollständig auf Lösungsmittel verzichtet wird. So konnten beispielsweise nur durch den gezielten Einsatz der lösungsmittelfreien MALDI-TOF-MS Polystyrol-Proben analysiert werden, bei denen trotz optimierter Bedingungen die lösungsmittelbasierende MALDI-TOF-MS aufgrund unerwünschter Lösungsmitteleinflüsse fälschliche Ergebnisse lieferte. Die lösungsmittelfreie Probenpräparation ist eine wichtige Ergänzung zur Charakterisierung von Makromolekülen und erschließt neue Bereiche der Analytik, insbesondere bei unlöslichen Verbindungen und bei Analyt Matrix-Entmischungsphänomenen. Das bisherige Verständnis des zugrundeliegenden MALDI-Prozesses postuliert den homogenen Einbau des Analyten in den Matrixkristall. Die äußerst positiven experimentellen Ergebnisse der lösungsmittelfreien MALDI-TOF-MS widersprechen jedoch dieser Modellvorstellung, da bei der angewendeten Probenpräparation eine Homogenisierung auf molekularer Ebene auszuschließen ist. Durch die lösungsmittelfreie MALDI-TOF-MS am Modellanalyten Cytochrom C konnte nachgewiesen werden, dass der Einbau eines Analyten in einen Matrixkristall nicht zwingend notwendig, sondern aufgrund der erhöhten einzubringenden Laserleistung sogar eher von Nachteil ist. Der MALDI-Prozess verläuft umso effektiver, je geringer die (Rest)-Kristallinität und je inniger der Kontakt zwischen Analyt und Matrix sind. Methodische Aspekte der Fragmentionenanalyse wurden zunächst an einfachen Homopolymeren erarbeitet. Durch den gezielten Einsatz der MALDI-Fragmentionenanalytik konnte im Folgenden z.B. erstmals direkt die Sequenzanalyse eines statistischen Copolymers und eines Triblockcopolymers durchgeführt werden. Abschließend wurden bei anwendungsorientierten Untersuchungen zur Charakterisierung problematischer Analyten mittels MALDI-TOF-MS zunächst die individuellen Schwachstellen festgelegt. Durch geeignete Probenpräparations- und Messbedingungen wurde dann die MALDI-TOF-MS-Methode zur direkten Analyse schwer charakterisierbarer, labiler bzw. unlöslicher Analyten und Substanzgemische ermöglicht (z.B. Dendrimere, Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe, umweltrelevantes Poly(vinylpyrrolidon)). Dabei wurden qualitative und quantitative Aspekte berücksichtigt. Außerdem wurden die analytischen Möglichkeiten und Limitierungen zur Charakterisierung von supramolekularen Komplexen anhand geeigneter Modellsysteme (z.B. Cyclodextrine) ermittelt.

Untersuchungen zur Position der MALDI-TOF Massenspektrometrie in der Analytik von synthetischen Polymeren

Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Anwendung der MALDI-TOF Massenspektrometrie auf annähernd monodisperse und eng verteilte Verbindungen polymerer Gestalt beschrieben. Dazu werden mit Polyphenylendendrimeren, Polybutadien-Sternpolymeren, Propionylethyleniminen und Polyethylmethylsiloxanen weniger gängige Verbindungen ausgewählt, für deren Analyse keine Standardmethodik vorliegt. Dabei wird gezeigt, dass andere Analysemethoden (wie z.B. GPC oder NMR) der MALDI-TOF Massenspektrometrie oftmals deutlich unterlegen sind - in einigen Fällen werden deren Ergebnisse gar widerlegt. In anderen Fällen wird allerdings auch festgestellt, dass diese Methoden die Massenspektrometrie unterstützen oder ergänzen können. Im darauf folgenden Teil werden durch Mischen eng verteilter Polymerstandards breite Verteilung simuliert, um so die Gründe für die Limitierung der Anwendbarkeit der MALDI-TOF Massenspektrometrie auf breite Verteilungen zu ermitteln. Die Problematik der Messung von breiten Verteilungen wird oftmals durch eine vorherige Fraktionierung mit der GPC gelöst. Auch dieses Verfahren wird in dieser Arbeit an Hand von simulierten breiten Verteilungen untersucht und bewertet. Neben qualitativen Untersuchungen mit der MALDI-TOF Massenspektrometrie wird in dieser Arbeit abgeschätzt, inwieweit diese Methode auch zur quantitativen Analyse eingesetzt werden kann. Dazu werden die Untersuchungen von Oligo(para-phenylene) (OPP) und von Cyclodehydrierungsprodukten sehr großer Dendrimere (C385, C474) beschrieben. Dabei stellt sich heraus, das neben der direkten UV-Absorption (im Falle der OPPs) auch die zunehmende Ionisierungswahrscheinlichkeit und die sinkende Desorptionswahrscheinlichkeit mit fortschreitender Cyclodehydrierung eine Quantifizierung problematisch gestalten. In einem abschließenden Kapitel wird der Versuch beschrieben, aus polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAHs) durch den Beschuss mit den UV-Strahlen des MALDI-TOF Massenspektrometers Fullerene zu erzeugen. Der Einsatz von NaCl als sogenannte Inertmatrix führt zu vielversprechenden ersten Ergebnissen.

From MALDI-TOF mass spectrometry to soft-landing for electronics

Within this PhD thesis matrix assisted laser desorption/ionization mass spectrometry (MALDI-MS) has been used as a reliable tool for the quantitative characterization of giant molecules, such as alkyl substituted and unsubstituted large polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), which cannot be characterized by conventional analytic techniques due to their lack of solubility. The use of the MALDI solvent-free technique for the sample preparation and the application of the standard addition method have allowed the quantitative characterization of synthetic PAH mixtures. The knowledge, acquired by studying these representative systems, has been then transferred to the quantitative analyses of complex and slightly soluble natural PAH mixtures, such as mesophase pitch. Moreover, the possibility to ionize intractable and insoluble molecules via mass spectrometry has been recognized to be not only a powerful analytical method, but also to represent a unique change to handle giant aromatic systems and to deposit them on a surface for further investigations, in a process, which is defined as “soft-landing”. Within this novel deposition technique, ions of the desired analytes or analyte mixtures are generated by means of an MS ionization source, discriminated by their different mass to charge ratios via a mass analyzer and landed with retention of their structure on a desired surface. This soft-deposition is guaranteed by the use of decelerating potentials, which have in this work been recognized to influence the final packing of the analyte molecules reaching the landing surface. For a more detailed study of the electrical field action on disc-like and rod-like molecules, soft-landing-independent experiments have been additionally carried out. As a result unidirectionally ordered films of the analyte molecules have been obtained due to the application of an external electrical strength. This versatile alignment technique has then been used for obtaining ordered layers of semiconducting materials for the fabrication of organic field effect transistors (OFET) with improved performances.

Sensitive and rapid detection of ganciclovir resistance by PCR based MALDI-TOF analysis

Cytomegalovirus (CMV) infection is associated with significant morbidity and mortality in transplant recipients. Resistance against ganciclovir is increasingly observed. According to current guidelines, direct drug resistance testing is not always performed due to high costs and work effort, even when resistance is suspected.

Identification of animal Pasteurellaceae by MALDI-TOF mass spectrometry

Species of the family Pasteurellaceae play an important role as primary or opportunistic animal pathogens. In veterinary diagnostic laboratories identification of this group of bacteria is mainly done by phenotypic assays while genetic identification based on housekeeping genes is mostly used for research and particularly important diagnostic samples. MALDI-TOF MS seems to represent a promising alternative to the currently practiced cumbersome, phenotypic diagnostics carried out in many veterinary diagnostic laboratories. We therefore assessed its application for animal associated members of the family Pasteurellaceae. The Bruker Biotyper 3.0 database was complemented with reference spectra of clinically relevant as well as commensal animal Pasteurellaceae species using generally five strains per species or subspecies and tested for its diagnostic potential with additional, well characterized field isolates. About 250 strains comprising 15 genera and more than 40 species and subspecies were included in the study, covering most representatives of the family. A high discrimination at the genus and species level was observed. Problematic discrimination was only observed with some closely related species and subspecies. MALDI-TOF MS was shown to represent a highly potent method for the diagnosis of this group of animal pathogens, combining speed, precision and low running costs.

Identification of animal Pasteurellaceae by MALDI-TOF mass spectrometry

Species of the family Pasteurellaceae play an important role as primary or opportunistic, predominantly respiratory, pathogens in domestic and wild animals. Some of them cause severe disease with high economic losses in commercial animal husbandry. Hence, rapid and accurate differentiation of Pasteurellaceae is important and signifies a particular challenge to diagnostic laboratories. Identification and differentiation of Pasteurellaceae is mostly done using phenotypic tests or genetic identification based on sequence similarity of housekeeping genes, such as the rrs gene encoding the 16S ribosomal RNA (16S rRNA). Both approaches are time consuming, laborious, and costly, therefore often delaying the final diagnosis of disease or epidemics. Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight (MALDI-TOF) mass spectrometry represents an alternative rapid and reliable method for the differentiation of most members of the family Pasteurellaceae. It is able to differentiate within a few minutes the currently known 18 genera and most of the over 60 species and subspecies of Pasteurellaceae including many members encountered in veterinary diagnostic laboratories. A few closely related species and subspecies that cannot be discriminated by MALDI-TOF are easily identified further by complementary simple tests, such as hemolysis done simultaneously or routinely during pathogen isolation.