Cloning and characterization of bifunctional enzyme farnesyl diphosphate/geranylgeranyl diphosphate synthase from Plasmodium falciparum

Abstract Background Isoprenoids are the most diverse and abundant group of natural products. In Plasmodium falciparum, isoprenoid synthesis proceeds through the methyl erythritol diphosphate pathway and the products are further metabolized by farnesyl diphosphate synthase (FPPS), turning this enzyme into a key branch point of the isoprenoid synthesis. Changes in FPPS activity could alter the flux of isoprenoid compounds downstream of FPPS and, hence, play a central role in the regulation of a number of essential functions in Plasmodium parasites. Methods The isolation and cloning of gene PF3D7_18400 was done by amplification from cDNA from mixed stage parasites of P. falciparum. After sequencing, the fragment was subcloned in pGEX2T for recombinant protein expression. To verify if the PF3D7_1128400 gene encodes a functional rPfFPPS protein, its catalytic activity was assessed using the substrate [4-14C] isopentenyl diphosphate and three different allylic substrates: dimethylallyl diphosphate, geranyl diphosphate or farnesyl diphosphate. The reaction products were identified by thin layer chromatography and reverse phase high-performance liquid chromatography. To confirm the product spectrum formed of rPfFPPS, isoprenic compounds were also identified by mass spectrometry. Apparent kinetic constants KM and Vmax for each substrate were determined by Michaelis–Menten; also, inhibition assays were performed using risedronate. Results The expressed protein of P. falciparum FPPS (rPfFPPS) catalyzes the synthesis of farnesyl diphosphate, as well as geranylgeranyl diphosphate, being therefore a bifunctional FPPS/geranylgeranyl diphosphate synthase (GGPPS) enzyme. The apparent KM values for the substrates dimethylallyl diphosphate, geranyl diphosphate and farnesyl diphosphate were, respectively, 68 ± 5 μM, 7.8 ± 1.3 μM and 2.06 ± 0.4 μM. The protein is expressed constitutively in all intra-erythrocytic stages of P. falciparum, demonstrated by using transgenic parasites with a haemagglutinin-tagged version of FPPS. Also, the present data demonstrate that the recombinant protein is inhibited by risedronate. Conclusions The rPfFPPS is a bifunctional FPPS/GGPPS enzyme and the structure of products FOH and GGOH were confirmed mass spectrometry. Plasmodial FPPS represents a potential target for the rational design of chemotherapeutic agents to treat malaria.

Functional characterisation of the non-essential protein kinases and phosphatases regulating Aspergillus nidulans hydrolytic enzyme production

Abstract Background Despite recent advances in the understanding of lignocellulolytic enzyme regulation, less is known about how different carbon sources are sensed and the signaling cascades that result in the adaptation of cellular metabolism and hydrolase secretion. Therefore, the role played by non-essential protein kinases (NPK) and phosphatases (NPP) in the sensing of carbon and/or energetic status was investigated in the model filamentous fungus Aspergillus nidulans. Results Eleven NPKs and seven NPPs were identified as being involved in cellulase, and in some cases also hemicellulase, production in A. nidulans. The regulation of CreA-mediated carbon catabolite repression (CCR) in the parental strain was determined by fluorescence microscopy, utilising a CreA: GFP fusion protein. The sensing of phosphorylated glucose, via the RAS signalling pathway induced CreA repression, while carbon starvation resulted in derepression. Growth on cellulose represented carbon starvation and derepressing conditions. The involvement of the identified NPKs in the regulation of cellulose-induced responses and CreA derepression was assessed by genome-wide transcriptomics (GEO accession 47810). CreA:GFP localisation and the restoration of endocellulase activity via the introduction of the ∆creA mutation, was assessed in the NPK-deficient backgrounds. The absence of either the schA or snfA kinase dramatically reduced cellulose-induced transcriptional responses, including the expression of hydrolytic enzymes and transporters. The mechanism by which these two NPKs controlled gene transcription was identified, as the NPK-deficient mutants were not able to unlock CreA-mediated carbon catabolite repression under derepressing conditions, such as carbon starvation or growth on cellulose. Conclusions Collectively, this study identified multiple kinases and phosphatases involved in the sensing of carbon and/or energetic status, while demonstrating the overlapping, synergistic roles of schA and snfA in the regulation of CreA derepression and hydrolytic enzyme production in A. nidulans. The importance of a carbon starvation-induced signal for CreA derepression, permitting transcriptional activator binding, appeared paramount for hydrolase secretion.

A serological follow-up of toxocariasis patients after chemotherapy based on the detection of IgG, IgA, and IgE antibodies by enzyme-linked immunosorbent assay.

A serological follow-up study was carried out on 27 children (1–12 years old) with visceral and/or ocular toxocariasis, after treatment with thiabendazole. A total of 159 serum samples were collected in a period ranging from 22–116 months. Enzyme-linked immunosorbent assays (IgG, IgA, and IgE ELISA) were standardized, using excretory–secretory antigens obtained from the second-stage larvae of a Toxocara canis culture. The sensitivity found for the IgG, IgA, and IgE ELISA, as determined in visceral toxocariasis patients, was 100%, 47.8%, and 78.3%, respectively. Approximately 84% of the patients presented single or multiple parasitosis, as diagnosed by stool examination, yet such variables did not appear to affect the anti-Toxocara immune response. Titers of specific IgE antibody showed a significant decrease during the first year after treatment, followed by a decrease in the IgA titers in the second year, and in the IgG titers from the fourth year onwards. Sera from all patients presented high avidity IgG antibodies, indicating that they were in the chronic phase of the disease. Moreover, 1 year after treatment, the level of leukocytes, eosinophils, and anti-A isohemagglutinin in patients decreased significantly. The present data suggest that IgE antibodies plus eosinophil counts are helpful parameters for patient followup after chemotherapy.

Renal GLUT1 reduction depends on angiotensin-converting enzyme inhibition in diabetic hypertensive rats

Aims: Angiotensin-converting enzyme (ACE) inhibitors are used in diabetic kidney disease to reduce systemic/intra-glomerular pressure. The objective of this study was to investigate whether reducing blood pressure (BP) could modulate renal glucose transporter expression, and urinary markers of diabetic nephropathy in diabetic hypertensive rats treated with ramipril or amlodipine. Main methods: Diabetes was induced in spontaneously-hypertensive rats (~210 g) by streptozotocin (50 mg/kg). Thirty days later, animals received ramipril 15 μg/kg/day (R, n =10), or amlodipine 10 mg/kg/day (A, n= 8,) or water (C, n = 10) by gavage. After 30-day treatment, body weight, glycaemia, urinary albumin and TGF-β1 (enzyme-linked immunosorbent assay) and BP (tail-cuff pressure method) were evaluated. Kidneys were removed for evaluation of renal cortex glucose transporters (Western blotting) and renal tissue ACE activity (fluorometric assay). Key findings: After treatments, body weight (p = 0.77) and glycaemia (p = 0.22) were similar among the groups. Systolic BP was similarly reduced (p < 0.001) in A and R vs. C (172.4 ± 3.2; 186.7 ± 3.7 and 202.2 ± 4.3 mm Hg; respectively). ACE activity (C: 0.903 ± 0.086; A: 0.654 ± 0.025, and R: 0.389 ± 0.057 mU/mg), albuminuria (C: 264.8 ± 15.4; A: 140.8 ± 13.5 and R: 102.8 ± 6.7 mg/24 h), and renal cortex GLUT1 content (C: 46.81 ± 4.54; A: 40.30 ± 5.39 and R: 26.89 ± 0.79 AU) decreased only in R (p < 0.001, p < 0.05 and p < 0.001; respectively). Significance:We concluded that the blockade of the renin–angiotensin systemwith ramipril reduced earlymarkers of diabetic nephropathy, a phenomenon that cannot be specifically related to decreased BP levels.

Characterization of polysaccharides from Hypnea spinella (Gigartinales) and Halopithys incurva (Ceramiales) and their effect on RAW 264.7 macrophage activity

[EN] Red algae have been reported to be an important source of polysaccharides with potential immunomodulatory properties. The objective of this study was to characterize the polysaccharides from Halopithys incurva and Hypnea spinella and to evaluate their effect on the synthesis of cytokines by murine cell line RAW 264.7 macrophages. Polysaccharides were obtained by N-cetylpyridiniumbromide precipitation and characterized by Fourier transform-infrared spectroscopy. Their effect on the activity of RAW 264.7 macrophages was examined by quantification of tumor necrosis factor (TNF)-α, interleukin (IL)-6, and nitric oxide (NO) production using enzyme-linked immunosorbent assays. The activation of the cytokine IL-6 and NO increased linearly as the concentration of polysaccharides from H. incurva and Hy. spinella increased. In general, the activation of IL-6 and NO was tenfold greater when macrophages were exposed to polysaccharides from H. incurva than when exposed to polysaccharides from Hy. spinella. In contrast, TNF-α concentration did not increase when macrophages were exposed to increasing polysaccharide levels. These results indicate that polysaccharides are strong cytokine IL-6 inducers.

Modeling physiological processes in plankton on enzyme kinetic principles

[EN] Many ecologically important chemical transformations in the ocean are controlled by biochemical enzyme reactions in plankton. Nitrogenase regulates the transformation of N2 to ammonium in some cyanobacteria and serves as the entryway for N2 into the ocean biosphere. Nitrate reductase controls the reduction of NO3 to NO2 and hence new production in phytoplankton. The respiratory electron transfer system in all organisms links the carbon oxidation reactions of intermediary metabolism with the reduction of oxygen in respiration. Rubisco controls the fixation of CO2 into organic matter in phytoplankton and thus is the major entry point of carbon into the oceanic biosphere. In addition to these, there are the enzymes that control CO2 production, NH4 excretion and the fluxes of phosphate. Some of these enzymes have been recognized and researched by marine scientists in the last thirty years. However, until recently the kinetic principles of enzyme control have not been exploited to formulate accurate mathematical equations of the controlling physiological expressions. Were such expressions available they would increase our power to predict the rates of chemical transformations in the extracellular environment of microbial populations whether this extracellular environment is culture media or the ocean. Here we formulate from the principles of bisubstrate enzyme kinetics, mathematical expressions for the processes of NO3 reduction, O2 consumption, N2 fixation, total nitrogen uptake.

Organismi acquatici e ambiente: meccanismi biochimici di interazione, risposta e adattamento

The research is focused on the relationship between some Mg2+-dependent ATPase activities of plasma- and mitochondrial membranes from tissues of cultured marine bivalve molluscs and potentially stressful environmental conditions, such as the exposure to contaminants both of natural origin (ammonia nitrogen, the main contaminant of aquaculture plants) and of anthropic source (alkyltins). The two filter-feeding bivalve species selected colonize different habitats: the common mussel Mytilus galloprovincialis binds to hard substrates and the Philippine clam Tapes philippinarum burrows into sea bottom sandy beds. The choice of typical species of coastal waters, extremely suitable for environmental studies due to their features of poor motility, resistance to transport and great filtering efficiency, may constitute a model to evaluate responses to contaminants of membrane-bound enzyme activities involved in key biochemical mechanisms, namely cell ionic regulation and mitochondrial energy production. In vitro and in vitro approaches have been pursued. In vitro assays were carried out by adding the contaminants (NH4Cl and alkyltins) directly to the ATPase reaction media. In vivo experiments were carried out by exposing mussels to various tributyl tin (TBT) concentrations under controlled conditions in aquaria. ATPase activities were determined spectrophotometrically according to the principles of the method of Fiske and Subbarow (1925). The main results obtained are detailed below. In Tapes philippinarum the interaction of NH4 +, the main form of ammonia nitrogen at physiological and seawater pHs, with the Na,K-ATPase and the ouabaininsensitive Na-ATPase was investigated in vitro on gill and mantle microsomal membranes. The proven replacement by NH4 +of K+ in the activation of the Na,KATPase and of Na+ in the activation of the ouabain-insensitive ATPase displayed similar enzyme affinity for the substituted cation. on the one hand this finding may represent one of the possible mechanisms of ammonia toxicity and, on the other, it supports the hypothesis that NH4 + can be transported across the plasma membrane through the two ATPases. In this case both microsomal ATPases may be involved and co-operate, at least under peculiar circumstances, to nitrogen excretion and ammonia detoxification mechanisms in bivalve molluscs. The two ATPase activities stimulated by NH4 + maintained their typical response to the glycoside ouabain, specific inhibitor of the Na,K-ATPase, being the Na++ NH4 +-activated ATPase even more susceptive to the inhibitor and the ouabain-insensitive ATPase activity activated indifferently by Na+ or NH4 + unaffected by up to 10-2 M ouabain. In vitro assays were carried out to evaluate the response of the two Na-dependent ATPases to organotins in clams and mussels and to investigate the interaction of TBT with mussel mitochondrial oligomycin-sensitive Mg-ATPase. Since no literature data were available, the optimal assay conditions and oligomycin sensitivity of mussel mitochondrial MgATPase were determined. In T. philippinarum the ouabain-insensitive Na-ATPase was found to be refractory to TBT both in the gills and in the mantle, whereas the Na,K-ATPase was progressively inhibited by increasing TBT doses; the enzyme inhibition was more pronounced in the gills than in the mantle. In both tissues of M. galloprovincialis the Na,K-ATPase inhibition by alkyltins decreased in the order TBT>DBT(dibutyltin)>>MBT(monobutyltin)=TeET(tetraethyltin) (no effect). Mussel Na-ATPase confirmed its refractorimess to TBT and derivatives both in the gills and in the mantle. These results indicate that the Na,K-ATPase inhibition decreases as the number of alkyl chains bound to tin decreases; however a certain polarity of the organotin molecule is required to yield Na,K-ATPase inhibition, since no enzyme inhibition occurred in the presence of tetraalkyl-substituted derivatives such as TeET . Assays carried out in the presence of the dithioerythritol (DTE) pointed out that the sulphhydrylic agent is capable to prevent the Na,K-ATPase inhibition by TBT, thus suggesting that the inhibitor may link to -SH groups of the enzyme complex.. Finally, the different effect of alkyltins on the two Na-dependent ATPases may constitute a further tool to differentiate between the two enzyme activities. These results add to the wealth of literature data describing different responses of the two enzyme activities to endogenous and exogenous modulators . Mussel mitochondrial Mg-ATPase was also found to be in vitro inhibited by TBT both in the gills and in the mantle: the enzyme inhibition followed non competitive kinetics. The failed effect of DTE pointed out that in this case the interaction of TBT with the enzyme complex is probably different from that with the Na,K-ATPase. The results are consistent with literature data showing that alkyltin may interact with enzyme structures with different mechanisms. Mussel exposure to different TBT sublethal doses in aquaria was carried out for 120 hours. Two samplings (after 24 and 120 hrs) were performed in order to evaluate a short-term response of gill and mantle Na,K-ATPase, ouabain-insensitive Na-ATPase and Mg-ATPase activities. The in vivo response to the contaminants of the enzyme activities under study was shown to be partially different from that pointed out in the in vitro assays. Mitochondrial Mg-ATPase activity appeared to be activated in TBTexposed mussels with respect to control ones, thus confirming the complexity of evaluating in vivo responses of the enzyme activities to contaminants, due to possible interactions of toxicants with molluscan metabolism. Concluding, the whole of data point out that microsomal and mitochondrial ATPase activities of bivalve molluscs are generally responsive to environmental contaminants and suggest that in some cases membrane-bound enzyme activities may represent the molecular target of their toxicity. Since the Na,K-ATPase, the Na-ATPase and the Mg-ATPase activities are poorly studied in marine bivalves, this research may contribute to enlarge knowledge in this quite unexplored field.

Composti organostannici nell'ambiente marino e membrane biologiche: risposte molecolari e biochimiche nei molluschi bivalvi

Organotin compounds are worldwide diffused environmental contaminants, mainly as consequence of their extensive past use as biocides in antifouling paints. In spite of law restrictions, due to unwanted effects, organotin still persist in waters, being poorly degraded, easily resuspended from sediments and bioaccumulated in exposed organisms. The widespread toxicity and the possible threat to humans, likely to be organotin-exposed through contaminated seafood, make organotin interactions with biomolecules an intriguing biochemical topic, apart from a matter of ecotoxicological concern. Among organotins, tributyltin (TBT) is long known as the most dangerous and abundant chemical species in the Mediterranean Sea. Due to its amphiphilic nature, provided by three lipophilic arms and an electrophilic tin core, TBT can be easily incorporated in biomembranes and affect their functionality. Accordingly, it is known as a membrane-active toxicant and a mitochondrial poison. Up to now the molecular action modes of TBT are still partially unclear and poorly explored in bivalve mollusks, even if the latter play a not neglectable role in the marine trophic chain and efficiently accumulate organotins. The bivalve mollusk Mytilus galloprovincialis, selected for all experiments, is widely cultivated in the Mediterranean and currently used in ecotoxicological studies. Most work of this thesis was devoted to TBT effects on mussel mitochondria, but other possible targets of TBT were also considered. A great deal of literature points out TBT as endocrine disrupter and the masculinization of female marine gastropods, the so-called imposex, currently signals environmental organotin contamination. The hormonal status of TBT-exposed mussels and the possible interaction between hormones and contaminants in modulating microsomal hydroxilases, involved in steroid hormone and organotin detoxification, were the research topics in the period spent in Barcelona (Marco Polo fellowship). The variegated experimental approach, which consisted of two exposure experiments and in vitro tests, and the choice of selected tissues of M. galloprovincialis, the midgut gland for mitochondrial and microsomal preparations for subsequent laboratory assays and the gonads for the endocrine evaluations, aimed at drawing a clarifying pattern on the molecular mechanisms involved in organotin toxicity. TBT was promptly incorporated in midgut gland mitochondria of adult mussels exposed to 0.5 and 1.0 μg/L TBT, and partially degraded to DBT. TBT incorporation was accompanied by a decrease in the mitochondrial oligomycin-sensitive Mg-ATPase activity, while the coexistent oligomycin-insensitive fraction was unaffected. Mitochondrial fatty acids showed a clear rise in n-3 polyunsaturated fatty acids after 120 hr of TBT exposure, mainly referable to an increase in 22:6 level. TBT was also shown to inhibit the ATP hydrolytic activity of the mitochondrial F1FO complex in vitro and to promote an apparent loss of oligomycin sensitivity at higher than 1.0 μM concentration. The complex dose-dependent profile of the inhibition curve lead to the hypothesis of multiple TBT binding sites. At lower than 1.0 μM TBT concentrations the non competitive enzyme inhibition by TBT was ascribed to the non covalent binding of TBT to FO subunit. On the other hand the observed drop in oligomycin sensitivity at higher than 1.0 μM TBT could be related to the onset of covalent bonds involving thiolic groups on the enzyme structure, apparently reached only at high TBT levels. The mitochondrial respiratory complexes were in vitro affected by TBT, apart from the cytocrome c oxidase which was apparently refractory to the contaminant. The most striking inhibitory effect was shown on complex I, and ascribed to possible covalent bonds of TBT with –SH groups on the enzyme complexes. This mechanism, shouldered by the progressive decrease of free cystein residues in the presence of increasing TBT concentrations, suggests that the onset of covalent tin-sulphur bonds in distinct protein structures may constitute the molecular basis of widespread TBT effects on mitochondrial complexes. Energy production disturbances, in turn affecting energy consuming mechanisms, could be involved in other cellular changes. Mussels exposed to a wide range of TBT concentrations (20 - 200 and 2000 ng/L respectively) did not show any change in testosterone and estrogen levels in mature gonads. Most hormones were in the non-biologically active esterified form both in control and in TBT-treated mussels. Probably the endocrine status of sexually mature mussels could be refractory even to high TBT doses. In mussel digestive gland the high biological variability of microsomal 7-benzyloxy-4-trifluoromethylcoumarin-O-Debenzyloxylase (BFCOD) activity, taken as a measure of CYP3A-like efficiency, probably concealed any enzyme response to TBT exposure. On the other hand the TBT-driven enhancement of BFCOD activity in vitro was once again ascribed to covalent binding to thiol groups which, in this case, would stimulate the enzyme activity. In mussels from Barcelona harbour, a highly contaminated site, the enzyme showed a decreased affinity for the 7-benzyloxy-4-trifluoromethylcoumarin (BCF) substrate with respect to mussel sampled from Ebro Delta, a non-polluted marine site. Contaminant exposure may thus alter the kinetic features of enzymes involved in detoxification mechanisms. Contaminants and steroid hormones were clearly shown to mutually interact in the modulation of detoxification mechanisms. The xenoestrogen 17α-ethylenyl estradiol (EE2) displayed a non-competitive mixed inhibition of CYP3A-like activity by a preferential bond to the free enzyme both in Barcelona harbour and Ebro Delta mussels. The possible interaction with co-present contaminants in Barcelona harbour mussels apparently lessened the formation of the ternary complex enzyme-EE2-BCF. The whole of data confirms TBT as membrane toxicant in mussels as in other species and stresses TBT covalent binding to protein thiols as a widespread mechanism of membrane-bound-enzyme activity modulation by the contaminant.

Isolierung, Reinigung und Expression zentraler Enzyme der Biosynthese des pflanzlichen Antiarrhythmikums Ajmalin

Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wurden im Zuge derAjmalinbiosynthese in Rauvolfia serpentina die NADPH2abhängigen Reduktionsschritte des Alkaloids Vomilenin zu 17O Acetylnorajmalin genauer untersucht.Dabei konnte erstmals die exakte Reaktionsreihenfolgeaufgedeckt und die daran beteiligten Enzyme ausPflanzenzellsuspensionskulturen isoliert und aufgereinigtwerden. Die ausgearbeiteten, optimierten Reinigungsprotokolleführten in wenigen Stufen gezielt zu den voneinandergetrennten Reduktase Fraktionen. Durch die Trennung derReduktase Aktivitäten war der Grundstein gelegt, dasZwischenprodukt der Reaktion anzureichern und mitverschiedenen analytischen Verfahren als 2?-(R)-1.2Dihydrovomilenin zu identifizieren. Die daraufhin vergebenenBezeichnungen Vomilenin Reduktase (EC.1.5.1.32) und 1.2Dihydrovomilenin Reduktase (EC.1.3.1.73) zielen auf dasumzusetzende Substrat ab.Für die Vomilenin Reduktase konnte eine 4 stufige Reinigungüber (NH4)2SO4 Fällung, Anionen-austauschchromatographie mitSOURCE 30Q, Hydrophobe Interaktionschromatographie an SOURCE15Phe und Affinitätschromatographie mit 2’,5’ ADP Sepharoseausgearbeitet werden. Hierbei konnte die 1.2Dihydrovomilenin Reduktase schon nach dem erstensäulenchromatogra-phischen Schritt (S 30Q) abgetrenntwerden. Das am Ende der Proteinreinigung angefertigte SDSGel zeigte nur noch 3 Banden, von denen die beiden bei ca.40 und 43 kDa gelegenen Banden mit dem Aktivitätsverlaufder Vomilenin Reduktase korrelierten. Diese wurden einempartiellen Verdau mit der Endoproteinase LysC unterworfen,wobei jeweils 2 Spaltpeptide erhalten werden konnten.Die 1.2 Dihydrovomilenin Reduktase Reinigung umfaßte 6Reinigungsschritte mit (NH4)2SO4-Fällung, SOURCE 30QAnionenaustauschchromatographie, HydroxylapatitChromatographie, 2’,5’ ADP Sepharose-Chromatographie,Anionenaustausch an DEAE Sepharose und abschließen-denAnionenaustausch über MonoQ. Die resultierendeProteinfraktion wies eine ca. 200 fache Anreicherung an 1.2Dihydrovomilenin Reduktase auf. Auch hierbei wurde die nachSDS Gelelek-trophorese als 1.2 Dihydrovomilenin Reduktasebestimmte Proteinbande (bei ca. 48 kDa) sequen-ziert. Eskonnten vier Peptidfragmente erhalten werden, die ebenso wiedie sequenzierten Peptidstücke der 40 und 43 kDa Bande einehohe Homologie zu Oxidoreduktasen, im einzelnen zuCinnamoylalcohol- und Mannitol Dehydrogenasen, aufwiesen.Um die Identität der sequenzierten Proteinbanden zubestätigen, wurde über „reverse genetics“ die jeweilscodierende cDNA eruiert. Dafür wurden - ausgehend von denPeptidstücken der Mikro-sequenzierung - degenerierte Primerentwickelt und über PCR Teilbereiche der cDNA amplifiziert.Diese konnten für eine radioaktive Durchmusterung einerRauvolfia cDNA Bank herangezogen werden. Alternativ botallein die Kenntnis der spezifischen Nukleotidabfolge dieMöglichkeit der Gewinnung von 5’ und 3’ Ende derVollängenklone durch RACE PCR.Nach Abschluß dieser Arbeiten konnten für die 40 und 48 kDaBande je ein Vollängenklon und für die 43 kDa Bande 2Vollängenklone (Isoformen) gefunden werden. SämtlicheVollängenklone besitzen einen offenen Leserahmen, der durchnicht zu translatierende Bereiche am 5’ und 3‘ Endeeingefaßt wird. Um die entsprechenden Proteine produzierenzu können, mußten die dafür codierenden cDNA Bereiche dereinzelnen Klone in ein geeignetes Vektor Wirt-System(Expressionssystem) eingebracht werden.Nach erfolgreicher Umklonierung wurde die Expression durchIPTG Zugabe kontrolliert und Proteinrohextrakte aus denBakterienstämmen isoliert. Als Substrate wurden Vomilenin,das strukturisomere Alkaloid Perakin und aufgrund derHomologien zu Cinnamoylalcohol und Mannitol Dehydrogenasen Zimtaldehyd, Dihydrozimtaldehyd und D(-)Fructose getestet. In allen E. coli Stämmen konnte ein unspezifischesReduktionspotential nachgewiesen werden, ohne daß jedochVomilenin reduziert wurde. Die Testung der 1.2Dihydrovomilenin Reduktase Klone mußte wegen Substratmangelentfallen.Die weitere Charakterisierung der pflanzlichen Enzymeerbrachte eine enorm hohe Substratspezifität mit einer sichauf Rauvolfia beschränkenden taxonomischen Verbreitung.Die Molekulargewichtsbestimmung für die Vomilenin Reduktaseergab nach Größenausschluß-chromatographie an Superdex 75ein Gewicht von etwa 43 kDa. Das ebenfalls über Superdex 75ermittelte Molekulargewicht für die 1.2 DihydrovomileninReduktase lag bei ca. 49.8 kDa. Weiterhin wurde eine Metallionenabhängigkeit für dieVomilenin Reduktase aufgezeigt und die Cofaktorspezifitätsowie die pH und Temperatur Optima für beide Reduktasenbestimmt.

An evolutionary approach to the design of experiments for combinatorial optimization with an application to enzyme engineering

In a large number of problems the high dimensionality of the search space, the vast number of variables and the economical constrains limit the ability of classical techniques to reach the optimum of a function, known or unknown. In this thesis we investigate the possibility to combine approaches from advanced statistics and optimization algorithms in such a way to better explore the combinatorial search space and to increase the performance of the approaches. To this purpose we propose two methods: (i) Model Based Ant Colony Design and (ii) Naïve Bayes Ant Colony Optimization. We test the performance of the two proposed solutions on a simulation study and we apply the novel techniques on an appplication in the field of Enzyme Engineering and Design.

Kristallisation der Arbutin-Synthase und der Strictosidin Glukosidase - zwei Enzyme aus dem sekundären Glykosidstoffwechsel von Rauvolfia serpentina

Kristallisation der Arbutin-Synthase und der Strictosidin Glukosidase - zwei Enzyme aus dem sekundären Glykosidstoffwechsel von Rauvolfia serpentina Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Kristallisation und der strukturellen Auswertung der Arbutin-Synthase (AS) und der Strictosidin Glukosidase (SG). Beide Enzyme stammen aus der Medizinalpflanze Rauvolfia serpentina. Für die Kristallisation der Arbutin-Synthase wurden ca. 2500 verschiedene Beding-ungen experimentell untersucht. Für einige dieser Experimente wurde das Enzym molekularbiologisch und chemisch verändert. Trotzdem konnten keine Kristalle erhalten werden. Die bei diesen Veränderungen erhaltenen Ergebnisse wurden anhand von Vergleichen mit Strukturen anderer Glykosyltransferasen der gleichen Familie analysiert. Bei der Reinigung der AS konnte mit verschiedenen Trennsystemen nie eine homogene Lösung produziert werden. Der wahrscheinliche Grund für diese schlechte Isolierbarkeit, und damit der wahrscheinliche Grund für die schwierige Kris-tallisation, liegt in der überdurchschnittlich hohen Anzahl an Cysteinen in der Proteinsequenz. Mit den Aminosäuren Cys171, Cys253 und Cys461 wurden drei Cysteine gefunden, die einem Strukturvergleich nach an der Proteinoberfläche liegen und möglicherweise durch Quervernetzungen mit anderen Proteinmolekülen ein heterogenes Gemisch bilden, das nicht geordnet kristallisieren kann. Durch gezielte Mutationen dieser drei Aminosäuren könnte die Kristallisation zukünftig ermöglicht werden. Für die SG waren bereits Bedingungen bekannt bei denen nicht vermessbare Enzymkristalle (Nadeln) wuchsen. In weit gefächerten Versuchen konnten diese Kristalle jedoch nicht zu 3D-Wachstum angeregt werden. Es wurden mit einem HTS-Screening neue Bedingungen zur Kristallisation gefunden. Anschließend konnten die native Struktur und der Strictosidin/Enzym-Komplex vermessen und aufgeklärt werden. Die SG gehört zur Familie 1 der Glukosidasen (GH-1) und besitzt die in dieser Familie konservierte (beta/alpha)8-Barrel-Faltung. Im Vergleich mit 16 bekannten Glykosidasen der Familie GH-1 wurde die Substratbindung untersucht. Dabei wurde die in der Familie konservierte Zuckerbindung vorgefunden, jedoch große Unterschiede in der Aglykonbindung entdeckt. Es wurden Bedingungen für die Konformationsänderung des Trp388 erkannt. Diese Konformationsänderung dirigiert den Aglykonteil des Substrates auf verschiedene Seiten der Substratbindungstasche und teilt so die Familie GH-1 in zwei Gruppen.

Charakterisierung zentraler Enzyme des Ajmalin-Biosynthesewegs aus Rauvolfia serpentina

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Enzyme des Ajmalin-Biosynthesewegs aus der Arzneipflanze Rauvolfia serpentina charakterisiert. Dabei handelt es sich einerseits um die Vomilenin-Reduktase und die 2β-(R)-1.2-Dihydrovomilenin-Reduktase. Es wurden Versuche unternommen, diese Enzyme heterolog zu exprimieren. Eine aktive Expression konnte nicht durchgeführt werden, was mit großer Wahrscheinlichkeit auf Modifikationen in der Ursprungspflanze zurückzuführen ist. Allerdings bestehen auch Zweifel, ob es sich bei den Volllängenklonen um die cDNAs der Reduktasen handelte. Zum anderen sollte eine Strukturaufklärung der Vinorin-Synthase im Komplex mit Liganden vorgenommen werden. Die erhaltenen Proteinkristalle stellten sich als derart empfindlich gegenüber Schwankungen ihrer Umgebung und dem Eindringen von Liganden in den Kristall dar, dass eine erfolgreiche Komplexierung und strukturelle Beschreibung durch Röntgenstrukturanalyse nicht möglich war. Weiterhin wurden Mutagenesestudien mit der Vinorin-Synthase durchgeführt. Eine Asparaginsäure bildet eine Salzbrücke mit einem Arginin. Alle durchgeführten Mutationen dieser Asparaginsäure führten zu einem absoluten Aktivitätsverlust. Eine Funktion des Asparagins 277, als mitverantwortliche Aminosäure zur Bindung des Co-Substrats Acetyl-CoA, konnte anhand der Mutagenesestudien ausgeschlossen werden. Weiterhin ist es erstmals gelungen die Polyneuridinaldehyd-Esterase aus Rauvolfia serpentina zu kristallisieren. Schließlich konnte die dreidimensionale Struktur der Polyneuridinaldehyd-Esterase aufgeklärt werden. Es folgte eine Beschreibung struktureller Eigenschaften der Polyneuridinaldehyd-Esterase im Vergleich zu einem Modell, welches durch ein „Molecular Modelling“ erstellt wurde.

Untersuchungen zur Regulation der Trehalaseaktivität bei der Wanderheuschrecke Locusta migratoria

Flugfähige Insekten sind äußerst leistungsfähige Tiere. Ihre Flugmuskulatur ist das Gewebe mit der höchsten ATP-Umsatzrate im Tierreich. Der hohe Energieumsatz ist möglich durch einen vollständig aeroben Stoffwechsel der Flugmuskulatur, der durch die effiziente Sauerstoffversorgung über das Tracheensystem gewährleistet wird. Andererseits haben Insekten einen offenen Blutkreislauf, d.h. ihre Gewebe werden nicht über Kapillaren mit Substraten versorgt, sondern von der Hämolymphe umspült, die daher eine hohe Konzentration an energieliefernden Substraten haben muss. Als schnell verfügbares Substrat nutzen Wanderheuschrecken bei Beginn eines Fluges als Hauptsubstrat Trehalose, die in hoher Konzentration als Hämolymphzucker vorliegt (20 bis 40mal höhere Konzentration als Glucose). Trehalose ist, anders als Glucose, ein nicht-reduzierender Zucker und daher nicht toxisch. Allerdings muss das Disaccharid Trehalose zu Glucose hydrolysiert werden, bevor sie im Zellstoffwechsel verwertet werden kann. Diese Funktion erfüllt die Trehalase (EC 3.2.1.28), ein Enzym, das membrangebunden ist und nach Zellfraktionierung in der Mikrosomenfraktion erscheint. Es ist schon lange offensichtlich, dass die Aktivität der Trehalase regulierbar sein muss und zwar reversibel (eine Eigenschaft, die für Hydrolasen ungewöhnlich ist), der Mechanismus ist allerdings bislang nicht klar, da alle üblichen Typen von Aktivitätsregulation nicht verwirklicht zu sein scheinen. Die meisten Autoren vermuten, dass die Regulation über den Transport des Substrats erfolgt. Ein Trehalosetransporter konnte allerdings bisher in der Flugmuskulatur von Locusta nicht nachgewiesen werden. In dieser Arbeit stelle ich Experimente vor, die dafür sprechen, dass Trehalase als Ektoenzym aktiv ist (overte Form), während eine inaktive Form (latente Form) in Vesikeln im Cytoplasma vorliegt und per Exocytose reversibel in die Plasmamembran transloziert werden kann. Für die Testung dieser Arbeitshypothese nutzte ich Trehazolin, einen sehr spezifischen Inhibitor der Trehalase, der äußerst fest und dauerhaft im aktiven Zentrum des Enzyms bindet. Dazu war es nötig, die Flugmuskulatur zu fraktionieren, um die Effekte von Trehazolin auf die verschiedenen Formen der Trehalase (gebunden, löslich, overt, latent) zu analysieren. Mit der Arbeitshypothese vereinbar sind die folgenden Befunde: (1) In die Hämolymphe injiziertes Trehazolin hemmt bevorzugt die overte Trehalase und erst bei höheren Dosen und nach längerer Zeit die latente Form. (2) Trehazolin wirkt in hoher Dosis (50µg pro Tier) auch nach Verfütterung, allerdings stark abgeschwächt, da nach 24 Stunden ein signifikanter Effekt nur auf die overte, aber nicht auf die latente Form sichtbar war. (3) In einem Langzeitversuch über 30 Tage führte die einmalige Injektion von 20µg Trehazolin zu einer schnellen Hemmung der overten Trehalase, der eine verzögerte Hemmung der latenten Aktivität folgte. Der Zeitverlauf von Hemmung und Erholung spricht für eine Vorläufer-Produkt-Beziehung zwischen latenter und overter Form. (4) Flugaktivität der Tiere führt zu einer starken Verminderung der latenten Aktivität, falls Trehazolin in der Hämolymphe der Tiere vorhanden war. (5) Neuropeptide könnten die Translokation fördern. Insulin hat einen entsprechenden Effekt, der aber unabhängig ist von der Flugaktivität. (6) Der PI3-Kinasehemmstoff Wortmannin stabilisiert die latente Form der Trehalase. Auch andere Organe als die Flugmuskulatur besitzen Trehalase, aber mit deutlich geringerer Aktivität. In der Sprungmuskulatur könnte auch eine latente Form vorhanden sein, für Darm und Gehirn ist das nicht wahrscheinlich.

Hyperverzweigte Lacton-Copolymere: enzymatische Synthese, Charakterisierung und Darstellung strukturierter Polymernetzwerke = (Hyperbranched lactone copolymers by enzyme catalysis: synthesis, characterization and preparation of structured polymer networks)

Hyperverzweigte Polymere erfuhren in den letzten Jahren immer mehr Beachtung, da sie im Vergleich zu ihren linearen Analoga besondere Eigenschaften besitzen. Im Jahre 2002 wurde die erste enzymkatalysierte Darstellung hyperverzweigter Poly(epsilon-caprolacton)e (hb-PCL) beschrieben. Hier ermöglichte das Konzept der konkurrierenden ringöffnenden Polymerisation und Polykondensation die Kontrolle der Eigenschaften des dargestellten Polymers. Detaillierte Untersuchungen in Hinblick auf Grenzen und Möglichkeiten, aber auch die Synthese im Technikumsmaßstab sind wesentliche Aspekte dieser Arbeit. Außerdem wird ein neues Konzept eingeführt, das Reknitting genannt wurde. Ziel desselben ist das Recycling kommerziellen, linearen PCLs mittels Umesterung zu hb-PCL durch Enzymkatalyse. Diese hb-PCLs zeigen vergleichbare Eigenschaften zu den aus den Comonomeren dargestellten. Ausgehend von hb-PCL sollte eine geeignete Route zu methacrylierten Vernetzerverbindungen entwickelt werden. Aus Mischungen derselben mit 2-Hydroxyethylmethacrylat wurden komplexe Netzwerkarchitekturen durch Copolymerisation erhalten. Diese Netzwerke wurden in Hinblick auf ihre mechanisch physikalischen Eigenschaften untersucht. Zuletzt wurden Screeningexperimente an anderen zyklischen Estern durchgeführt, da ein Transfer des oben vorgestellten Konzepts angestrebt wurde. Zwei neue hyperverzweigte Polymerklassen, hb-Poly(delta-valerolacton) und hb-Polytrimethylencarbonat wurden detaillierter untersucht und in Ihren Eigenschaften mit hb-PCL verglichen.