Method development using ICP-MS and LA-ICP-MS and their application in environmental and material science

Within this PhD thesis several methods were developed and validated which can find applicationare suitable for environmental sample and material science and should be applicable for monitoring of particular radionuclides and the analysis of the chemical composition of construction materials in the frame of ESS project. The study demonstrated that ICP-MS is a powerful analytical technique for ultrasensitive determination of 129I, 90Sr and lanthanides in both artificial and environmental samples such as water and soil. In particular ICP-MS with collision cell allows measuring extremely low isotope ratios of iodine. It was demonstrated that isotope ratios of 129I/127I as low as 10-7 can be measured with an accuracy and precision suitable for distinguishing sample origins. ICP-MS with collision cell, in particular in combination with cool plasma conditions, reduces the influence of isobaric interferences on m/z = 90 and is therefore well-suited for 90Sr analysis in water samples. However, the applied ICP-CC-QMS in this work is limited for the measurement of 90Sr due to the tailing of 88Sr+ and in particular Daly detector noise. Hyphenation of capillary electrophoresis with ICP-MS was shown to resolve atomic ions of all lanthanides and polyatomic interferences. The elimination of polyatomic and isobaric ICP-MS interferences was accomplished without compromising the sensitivity by the use of a high resolution mode as available on ICP-SFMS. Combination of laser ablation with ICP-MS allowed direct micro and local uranium isotope ratio measurements at the ultratrace concentrations on the surface of biological samples. In particular, the application of a cooled laser ablation chamber improves the precision and accuracy of uranium isotopic ratios measurements in comparison to the non-cooled laser ablation chamber by up to one order of magnitude. In order to reduce the quantification problem, a mono gas on-line solution-based calibration was built based on the insertion of a microflow nebulizer DS-5 directly into the laser ablation chamber. A micro local method to determine the lateral element distribution on NiCrAlY-based alloy and coating after oxidation in air was tested and validated. Calibration procedures involving external calibration, quantification by relative sensitivity coefficients (RSCs) and solution-based calibration were investigated. The analytical method was validated by comparison of the LA-ICP-MS results with data acquired by EDX.

Characterisation and field deployment of a novel quantitative Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer (ToF-AMS)

Das Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer (ToF-AMS) der Firma Aerodyne ist eine Weiterentwicklung des Aerodyne Aerosolmassenspektrometers (Q-AMS). Dieses ist gut charakterisiert und kommt weltweit zum Einsatz. Beide Instrumente nutzen eine aerodynamische Linse, aerodynamische Partikelgrößenbestimmung, thermische Verdampfung und Elektronenstoß-Ionisation. Im Gegensatz zum Q-AMS, wo ein Quadrupolmassenspektrometer zur Analyse der Ionen verwendet wird, kommt beim ToF-AMS ein Flugzeit-Massenspektrometer zum Einsatz. In der vorliegenden Arbeit wird anhand von Laborexperimenten und Feldmesskampagnen gezeigt, dass das ToF-AMS zur quantitativen Messung der chemischen Zusammensetzung von Aerosolpartikeln mit hoher Zeit- und Größenauflösung geeignet ist. Zusätzlich wird ein vollständiges Schema zur ToF-AMS Datenanalyse vorgestellt, dass entwickelt wurde, um quantitative und sinnvolle Ergebnisse aus den aufgenommenen Rohdaten, sowohl von Messkampagnen als auch von Laborexperimenten, zu erhalten. Dieses Schema basiert auf den Charakterisierungsexperimenten, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden. Es beinhaltet Korrekturen, die angebracht werden müssen, und Kalibrationen, die durchgeführt werden müssen, um zuverlässige Ergebnisse aus den Rohdaten zu extrahieren. Beträchtliche Arbeit wurde außerdem in die Entwicklung eines zuverlässigen und benutzerfreundlichen Datenanalyseprogramms investiert. Dieses Programm kann zur automatischen und systematischen ToF-AMS Datenanalyse und –korrektur genutzt werden.

Design, Synthese und biochemische/biologische Evaluierung bioisosterer Oligopyrrolcarboxamide mit aliphatisch-amidisch verknüpften DNA-Interkalatoren

Die DNA stellt aufgrund der genetischen Krankheitsursache nach wie vor ein überaus attraktives Target für das Design antitumoraktiver Zytostatika dar. Ein wesentlicher Schwerpunkt der heutigen Forschung besteht vor allem in der Entwicklung niedermolekularer, sequenzspezifischer DNA-Liganden zur gezielten Ausschaltung defekter Gene. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte daher in Anlehnung an die antitumoral wirksame Leitsubstanz Netropsin - ein AT-selektiver Minor Groove Binder mit Bispyrrolcarboxamid-Grundstruktur - erstmals der systematische Aufbau einer neuen Serie bioisosterer Hybridmoleküle, bestehend aus einem interkalierenden Strukturelement (Acridon, Naphthalimid, 5-Nitronaphthalimid, Anthrachinon, 11H-Pyrido[2,3-a]carbazol) und Thiophenpyrrol-, Imidazolpyrrol-, Thiazolpyrrol- bzw. Bisimidazolcarboxamid als rinnenbindende Oligoamid-Einheit (sog. Combilexine). Die chromophoren Systeme am N-Terminus wurden hierbei über aliphatische Linker variabler Kettenlänge mit der Carboxamid-Kette verknüpft. Als C-terminale Funktion kam sowohl die N,N-Dimethyl-1,3-diaminopropan- als auch die um ein C-Atom kürzere Dimethylaminoethylamin-Seitenkette zum Einsatz. Unter Verwendung modernster Reagenzien aus der Peptidkupplungschemie ist es gelungen, ein präparativ gut zugängliches, reproduzierbares Verfahren zur Synthese dieser bioisosteren Combilexine zu entwickeln. Anhand biophysikalischer/biochemischer, zellbiologischer und physikochemischer (1H-NMR-spektroskopischer und röntgenstrukturanalytischer) Methoden sowie Molecular Modelling Studien wurden erstmals bezüglich der DNA-Bindung, der Topoisomerase-Hemmung und der Antitumor-Zellzytotoxizität in einem breiten Rahmen vororientierende Struktur-Wirkungsbeziehungen an bioisosteren Liganden erstellt. Wenngleich zwischen den in vitro und in silico ermittelten Befunden keine konkreten Gesetzmäßigkeiten zu erkennen waren, so ließ die Summation der Ergebnisse dennoch darauf schließen, dass es sich bei den Naphthalimidpropion- und Acridonbuttersäure-Derivaten mit C-terminaler Propylendiamin-Funktion um die aussichtsreichsten Kandidaten in Bezug auf die DNA-Affinität bzw. Zytotoxizität handelte.

Entwicklung, Aufbau und Charakterisierung eines neuartigen Ionenfallen-Massenspektrometers für Aerosolpartikel (AIMS)

Im Rahmen der Arbeit wurde ein neuartiges Aerosol-Ionenfallen-Massenspektrometer (AIMS) aufgebaut und umfassend charakterisiert. Mit dem AIMS kann die chemische Zusammensetzung der verdampfbaren Komponente (bei etwa 600 °C) von Aerosolpartikeln quantitativ und on-line bestimmt werden. Die Durchmesser der Teilchen, die analysiert werden können, liegen zwischen etwa 30 und 500 nm. Der experimentelle Aufbau greift auf ein bereits gut charakterisiertes Einlasssystem des Aerodyne Aerosol-Massenspektrometers (AMS) zurück, das einen Partikeleinlass, bestehend aus einer kritischen Düse und einer aerodynamischen Linse, einen Verdampfer für die Aerosolteilchen und eine Elektronenstoß-Ionenquelle enthält. Das kommerzielle AMS verwendet entweder ein lineares Quadrupol-Massenfilter (Q-AMS) oder ein Flugzeit-Massenspektrometer (ToF-AMS). Im AIMS hingegen wird eine dreidimensionale Ionenfalle als Massenanalysator eingesetzt. Dadurch eröffnen sich unter anderem Möglichkeiten zur Durchführung von MSn-Studien und Ionen/Molekül-Reaktionsstudien. Das Massenspektrometer und wichtige Teile der Steuerungselektronik wurden am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz entworfen und hergestellt. Das AIMS wird von einem PC und einer Software, die in der Programmiersprache LabVIEW verfasst ist, gesteuert. Aufgrund seiner Kompaktheit ist das Instrument auch für den Feldeinsatz geeignet. Mit der Software Simion 7.0 wurden umfangreiche Simulationsstudien durchgeführt. Diese Studien beinhalten Simulationen zur Ermittlung der optimalen Spannungseinstellungen für den Ionentransfer von der Ionenquelle in die Ionenfalle und eine Abschätzung der Sammeleffizienz der Ionenfalle, die gut mit einem gemessenen Wert übereinstimmt. Charakterisierungsstudien zeigen einige instrumentelle Merkmale des AIMS auf. Es wurde beispielsweise ein Massenauflösungsvermögen von 807 für m/z 121 gefunden, wenn eine Analyserate von 1780 amu/s verwendet wird. Wird die Analyserate verringert, dann lässt sich das Massenauflösungsvermögen noch erheblich steigern. Bei m/z 43 kann dann ein Wert von > 1500 erzielt werden, wodurch sich Ionenfragmente wie C2H3O+ (m/z 43.0184) und C3H7+ (m/z 43.0548) voneinander trennen lassen. Der Massenbereich des AIMS lässt sich durch resonante Anregung erweitern; dies wurde bis zu einer Masse von 1000 amu getestet. Kalibrationsmessungen mit laborgenerierten Partikeln zeigen eine hervorragende Linearität zwischen gemessenen Signalstärken und erzeugten Aerosol-Massenkonzentrationen. Diese Studien belegen im Zusammenhang mit den gefundenen Nachweisgrenzen von Nitrat (0.16 μg/m³) und Sulfat (0.65 μg/m³) aus Aerosolpartikeln, dass das AIMS für quantitative Messungen von atmosphärischem Aerosol geeignet ist. Ein Vergleich zwischen dem AIMS und dem Q-AMS für Nitrat in städtischem Aerosol zeigt eine gute Übereinstimmung der gefundenen Messwerte. Für laborgenerierte Polystyren-Latexpartikel wurde eine MS/MS-Studie unter der Anwendung von collision induced dissociation (CID) durchgeführt. Das Verhältnis von Fragmentionen zu Analytionen wurde zu einem Wert von > 60% bestimmt. In der Zukunft können ähnliche MS/MS-Studien auch für atmosphärische Aerosolpartikel angewandt werden, wodurch sich neue Perspektiven für die Speziation von Aerosolbestandteilen eröffnen. Dann sollen vor allem Kondensationsprozesse, das heißt die Bildung von sekundärem Aerosol, detailliert untersucht werden.

Entwicklung und Charakterisierung eines Laserablationsmassenspektrometers zur Echtzeit-Analyse von atmosphärischen Aerosolpartikeln

Das Aerosolmassenspektrometer SPLAT (Single Particle Laser Ablation Time-of-Flight Mass Spectrometer) ist in der Lage, die Größe einzelner Aerosolpartikel in einem Größenbereich von 0,3 µm bis 3 µm zu bestimmen und gleichzeitig chemisch zu analysieren. Die Größenbestimmung erfolgt durch Streulichtmessung und Bestimmung der Flugzeit der Partikel zwischen zwei kontinuierlichen Laserstrahlen. Durch Kalibrationsmessungen kann auf den aerodynamischen Durchmesser der Partikel geschlossen werden. Kurzzeitig nach der Streulichtdetektion werden die Partikel durch einen hochenergetischen gepulsten UV-Laser verdampft und ionisiert. Die Flugzeit der Partikel zwischen den kontinuierlichen Laserstrahlen wird dazu benutzt, die Ankunftszeit der Partikel in der Ionenquelle zu berechnen und den UV-Laserpuls zu zünden. Die entstandenen Ionen werden in einem bipolaren Flugzeitmassen¬spektrometer nachgewiesen. Durch die Laserablation/Ionisation ist das SPLAT in der Lage, auch schwer verdampfbare Komponenten des atmosphärischen Aerosols - wie etwa Minerale oder Metalle - nachzuweisen. Das SPLAT wurde während dieser Arbeit vollständig neu entwickelt und aufgebaut. Dazu gehörten das Vakuum- und Einlasssystem, die Partikeldetektion, die Ionenquelle und das Massen-spektrometer. Beim Design des SPLAT wurde vor allem auf den späteren Feldeinsatz Wert gelegt, was besondere Anforderungen an Mechanik und Elektronik stellte. Die Charakterisierung der einzelnen Komponenten sowie des gesamten Instruments wurde unter Laborbedingungen durchgeführt. Dabei wurde u.a. Detektionseffizienzen des Instruments ermittelt, die abhängig von der Größe der Partikel sind. Bei sphärischen Partikeln mit einem Durchmesser von 600 nm wurden ca. 2 % der Partikel die in das Instrument gelangten, detektiert und chemisch analysiert. Die Fähigkeit zum Feldeinsatz hat das SPLAT im Februar/März 2006 während einer internationalen Messkampagne auf dem Jungfraujoch in der Schweiz bewiesen. Auf dieser hochalpinen Forschungsstation in einer Höhe von ca. 3580 m fand das SPLAT mineralische und metallische Komponenten in den Aerosolpartikeln. Das SPLAT ist ein vielfältig einsetzbares Instrument und erlaubt vor allem in Kombination mit Aerosolmassenspektrometern, die mit thermischer Verdampfung und Elektronenstoßionisation arbeiten, einen Erkenntnisgewinn in der Analytik atmosphärischer Aerosolpartikel.

Diffusion of laser polarized gases in MRI

The use of Magnetic Resonance Imaging (MRI) as a diagnostic tool is increasingly employing functional contrast agents to study or contrast entire mechanisms. Contrast agents in MRI can be classified in two categories. One type of contrast agents alters the NMR signal of the protons in its surrounding, e.g. lowers the T1 relaxation time. The other type enhances the Nuclear Magnetic Resonance (NMR) signal of specific nuclei. For hyperpolarized gases the NMR signal is improved up to several orders of magnitude. However, gases have a high diffusivity which strongly influences the NMR signal strength, hence the resolution and appearance of the images. The most interesting question in spatially resolved experiments is of course the achievable resolution and contrast by controlling the diffusivity of the gas. The influence of such diffusive processes scales with the diffusion coefficient, the strength of the magnetic field gradients and the timings used in the experiment. Diffusion may not only limit the MRI resolution, but also distort the line shape of MR images for samples, which contain boundaries or diffusion barriers within the sampled space. In addition, due to the large polarization in gaseous 3He and 129Xe, spin diffusion (different from particle diffusion) could play a role in MRI experiments. It is demonstrated that for low temperatures some corrections to the NMR measured diffusion coefficient have to be done, which depend on quantum exchange effects for indistinguishable particles. Physically, if these effects can not change the spin current, they can do it indirectly by modifying the velocity distribution of the different spin states separately, so that the subsequent collisions between atoms and therefore the diffusion coefficient can eventually be affected. A detailed study of the hyperpolarized gas diffusion coefficient is presented, demonstrating the absence of spin diffusion (different from particle diffusion) influence in MRI at clinical conditions. A novel procedure is proposed to control the diffusion coefficient of gases in MRI by admixture of inert buffer gases. The experimental measured diffusion agrees with theoretical simulations. Therefore, the molecular mass and concentration enter as additional parameters into the equations that describe structural contrast. This allows for setting a structural threshold up to which structures contribute to the image. For MRI of the lung this allows for images of very small structural elements (alveoli) only, or in the other extreme, all airways can be displayed with minimal signal loss due to diffusion.

Nanoscale effects and applications of self-organized nanostructured thin films

A nanostructured thin film is a thin material layer, usually supported by a (solid) substrate, which possesses subdomains with characteristic nanoscale dimensions (10 ~ 100 nm) that are differentiated by their material properties. Such films have captured vast research interest because the dimensions and the morphology of the nanostructure introduce new possibilities to manipulating chemical and physical properties not found in bulk materials. Block copolymer (BCP) self-assembly, and anodization to form nanoporous anodic aluminium oxide (AAO), are two different methods for generating nanostructures by self-organization. Using poly(styrene-block-methyl methacrylate) (PS-b-PMMA) nanopatterned thin films, it is demonstrated that these polymer nanopatterns can be used to study the influence of nanoscale features on protein-surface interactions. Moreover, a method for the directed assembly of adsorbed protein nanoarrays, based on the nanoscale juxtaposition of the BCP surface domains, is also demonstrated. Studies on protein-nanopattern interactions may inform the design of biomaterials, biosensors, and relevant cell-surface experiments that make use of nanoscale structures. In addition, PS-b-PMMA and AAO thin films are also demonstrated for use as optical waveguides at visible wavelengths. Due to the sub-wavelength nature of the nanostructures, scattering losses are minimized, and the optical response is amenable to analysis with effective medium theory (EMT). Optical waveguide measurements and EMT analysis of the films’ optical anisotropy enabled the in situ characterization of the PS-b-PMMA nanostructure, and a variety of surface processes within the nanoporous AAO involving (bio)macromolecules at high sensitivity.

Effect of drug physicochemical properties on the release from liposomal systems in vitro and in vivo

Liposomes were discovered about 40 years ago by A. Bangham and since then they became very versatile tools in biology, biochemistry and medicine. Liposomes are the smallest artificial vesicles of spherical shape that can be produced from natural untoxic phospholipids and cholesterol. Liposome vesicles can be used as drug carriers and become loaded with a great variety of molecules, such as small drug molecules, proteins, nucleotides and even plasmids. Due to the variability of liposomal compositions they can be used for a large number of applications. In this thesis the β-adrenoceptor antagonists propranolol, metoprolol, atenolol and pindolol, glucose, 18F-Fluorodeoxyglucose (FDG) and Er-DTPA were used for encapsulation in liposomes, characterization and in vitro release studies. Multilamellar vesicles (MLV), large unilamellar vesicles (LUV) and smaller unilamellar vesicles (SUV) were prepared using one of the following lipids: 1,2-Dimyristoyl-sn-Glycero-3-Phosphocholine (DMPC), 1,2-Distearoyl-sn-Glycero-3-Phosphocholine (DSPC), Phospholipone 90H (Ph90H) or a mixture of DSPC and DMPC (1:1). The freeze thawing method was used for preparation of liposomes because it has three advantages (1) avoiding the use of chloroform, which is used in other methods and causes toxicity (2) it is a simple method and (3) it gives high entrapping efficiency. The percentage of entrapping efficiencies (EE) was different depending on the type and phase transition temperature (Tc) of the lipid used. The average particle size and particle size distribution of the prepared liposomes were determined using both dynamic light scattering (DLS) and laser diffraction analyzer (LDA). The average particle size of the prepared liposomes differs according to both liposomal type and lipid type. Dispersion and dialysis techniques were used for the study of the in vitro release of β-adrenoceptor antagonists. The in vitro release rate of β-adrenoceptor antagonists was increased from MLV to LUV to SUV. Regarding the lipid type, β-adrenoceptor antagonists exhibited different in vitro release pattern from one lipid to another. Two different concentrations (50 and 100mg/ml) of Ph90H were used for studying the effect of lipid concentration on the in vitro release of β-adrenoceptor antagonists. It was found that liposomes made from 50 mg/ml Ph90H exhibited higher release rates than liposomes made at 100 mg/ml Ph90H. Also glucose was encapsulated in MLV, LUV and SUV using 1,2-Dimyristoyl-sn-Glycero-3-Phosphocholine (DMPC), 1,2-Distearoyl-sn-Glycero-3-Phosphocholine (DSPC), Phospholipone 90H (Ph90H), soybean lipid (Syb) or a mixture of DSPC and DMPC (1:1). The average particle size and size distribution were determined using laser diffraction analysis. It was found that both EE and average particle size differ depending on both lipid and liposomal types. The in vitro release of glucose from different types of liposomes was performed using a dispersion method. It was found that the in vitro release of glucose from different liposomes is dependent on the lipid type. 18F-FDG was encapsulated in MLV 1,2-Dimyristoyl-sn-Glycero-3-Phosphocholine (DMPC), 1,2-Distearoyl-sn-Glycero-3-Phosphocholine (DSPC), Phospholipone 90H (Ph90H), soybean lipid (Syb) or a mixture of DSPC and DMPC (1:1). FDG-containing LUV and SUV were prepared using Ph90H lipid. The in vitro release of FDG from the different types of lipids was accomplished using a dispersion method. Results similar to that of glucose release were obtained. In vivo imaging of FDG in both uncapsulated FDG and FDG-containing MLV was performed in the brain and the whole body of rats using PET scanner. It was found that the release of FDG from FDG-containing MLV was sustained. In vitro-In vivo correlation was studied using the in vitro release data of FDG from liposomes and in vivo absorption data of FDG from injected liposomes using microPET. Erbium, which is a lanthanide metal, was used as a chelate with DTPA for encapsulation in SUV liposomes for the indirect radiation therapy of cancer. The liposomes were prepared using three different concentrations of soybean lipid (30, 50 and 70 mg/ml). The stability of Er-DTPA SUV liposomes was carried out by storage of the prepared liposomes at three different temperatures (4, 25 and 37 °C). It was found that the release of Er-DTPA complex is temperature dependent, the higher the temperature, the higher the release. There was an inverse relationship between the release of the Er-DTPA complex and the concentration of lipid.

On the development of novel cocaine-analogues for in vivo imaging of the dopamine transporter status

The present thesis is concerned with the development of novel cocaine-derived dopamine transporter ligands for the non-invasive exploration of the striatal and extra-striatal dopamine transporter (DAT) in living systems. The presynaptic dopamine transporter acquires an important function within the mediation of dopaminergic signal transduction. Its availability can serve as a measure for the overall integrity of the dopaminergic system. The DAT is upregulated in early Parkinson’s disease (PD), resulting in an increased availability of DAT-binding sites in the striatal DAT domains. Thereby, DAT imaging has become an important routine diagnostic tool for the early diagnosis of PD in patients, as well as for the differentiation of PD from symptomatically similar medical conditions. Furthermore, the dopaminergic system is involved in a variety of psychiatric diseases. In this regard, DAT-selective imaging agents may provide detailed insights into the scientific understanding of the biochemical background of both, the progress as well as the origins of the symptoms. DAT-imaging may also contribute to the determination of the dopaminergic therapeutic response for a given medication and thereby contribute to more convenient conditions for the patient. From an imaging point of view, the former demands a high availability of the radioactive probe to facilitate broad application of the modality, whereas the latter profits from short-lived probes, suitable for multi-injection studies. Therefore, labelling with longer-lived 18F-fluoride and in particular the generator nuclide 68Ga is worthwhile for clinical routine imaging. In contrast, the introduction of a 11C-label is a prerequisite for detailed scientific studies of neuronal interactions. The development of suitable DAT-ligands for medical imaging has often been complicated by the mixed binding profile of many compounds that that interact with the DAT. Other drawbacks have included high non-specific binding, extensive metabolism and slow accumulation in the DAT-rich brain areas. However, some recent examples have partially overcome the mentioned complications. Based on the structural speciality of these leads, novel ligand structures were designed and successfully synthesised in the present work. A structure activity relationship (SAR) study was conducted wherein the new structural modifications were examined for their influence on DAT-affinity and selectivity. Two of the compounds showed improvements in in vitro affinity for the DAT as well as selectivity versus the serotonin transporter (SERT) and norepinephrine transporter (NET). The main effort was focussed on the high-affinity candidate PR04.MZ, which was subsequently labelled with 18F and 11C in high yield. An initial pharmacological characterisation of PR04.MZ in rodents revealed highly specific binding to the target brain structures. As a result of low non-specific binding, the DAT-rich striatal area was clearly visualised by autoradiography and µPET. Furthermore, the radioactivity uptake into the DAT-rich brain regions was rapid and indicated fast binding equilibrium. No radioactive metabolite was found in the rat brain. [18F]PR04.MZ and [11C]PR04.MZ were compared in the primate brain and the plasma metabolism was studied. It was found that the ligands specifically visualise the DAT in high and low density in the primate brain. The activity uptake was rapid and quantitative evaluation by Logan graphical analysis and simplified reference tissue model was possible after a scanning time of 30 min. These results further reflect the good characteristics of PR04.MZ as a selective ligand of the neuronal DAT. To pursue 68Ga-labelling of the DAT, initial synthetic studies were performed as part of the present thesis. Thereby, a concept for the convenient preparation of novel bifunctional chelators (BFCs) was developed. Furthermore, the suitability of novel 1,4,7-triazacyclononane based N3S3-type BFCs for biomolecule-chelator conjugates of sufficient lipophilicity for the penetration of the blood-brain-barrier was elucidated.

Isolation and characterization of a manganese oxidizing bacterium from the Mediterranean marine sponge Suberites domuncula

In the present study of sponge-bacterial association, the presence of a marine bacterium which has not seen to be associated previously with the Mediterranean sponge Suberites domuncula was investigated. The marine sponge S. domuncula was chosen as the subject of investigation, for the identification of potential symbiotic microorganisms, since it can be kept under controlled laboratory conditions for over five years. By the use of specialized media assisting in the growth of a metal oxidizing bacterium, the manganese oxidizing bacterium was isolated from the surface of the marine sponge. The bacterium so isolated was characterized for its growth characteristics by microbiological and biochemical techniques, a detailed analysis of which showed that the bacterium followed a life cycle where the culture showed the presence of spore forming bacteria. This was correlated to the manganese oxidation activity of the bacteria and it was found that both stages are interdependent.The action of the protein responsible for carrying out the manganese (Mn) oxidation was studied by an in-gel oxidation assay, and the presence of a multi copper oxidase was confirmed by the use of copper chelators in the buffer. In parallel the effect of addition of copper was observed on the manganese oxidation by the bacteria thus supporting the observations. The manganese oxidation reaction by the bacteria was determined in the culture medium and on the surface of the cells, and it could be concluded that the oxidation was facilitated by the presence of the polysaccharides and proteins on the surface of the cells.Thus the presence of a bacterium capable of oxidizing the manganese from the surroundings was confirmed to be symbiotically associated with the marine sponge S. domuncula by monitoring its growth in axenic cultures. The reasons behind this association were studied.This bacterium displays a crucial role in the physiology/metabolism of the sponge by acting as a reversible Mn store in S. domuncula. According to this view, the presence of SubDo-03 bacteria is required as a protection against higher, toxic concentrations of Mn in the environment; manganese (II) after undergoing oxidation to manganese (IV), becomes an insoluble ion. Since only minute levels of manganese exist in the surrounding seawater a substantial accumulation of manganese has to arise, or a release by the bacterial-precipitated manganese (IV) is implicated to maintain the reversible balance. The other possible benefits provided by the bacterial association to the sponge could be in preventing cellular oxygen toxicity, help in nutrient scavenging and detoxification.

OH- und HO 2-Radikale über dem tropischen Regenwald

Beständig werden Spurenstoffe in die Atmosphäre emittiert, die ihren Ursprung in biogenen oder anthropogenen Quellen haben. Daß es dennoch im allgemeinen nicht zu einer Anreicherung bis hin zu toxischen Konzentrationen kommt, liegt an dem Vermögen der Atmosphäre sich durch Oxidationsprozesse selbst zu reinigen. Eine wichtige Aufgabe kommt dabei dem Hydroxylradikal OH zu, welches tagsüber die Oxidationskapazität der Atmosphäre bestimmt. Hierbei spielen die tropischen Regionen mit einer der höchsten OH-Produktionsraten eine zentrale Rolle. Gleichzeitig sind die tropischen Regenwälder eine bedeutende globale Quelle für Kohlenwasserstoffe, die durch Reaktion mit OH-Radikalen dessen Konzentration und damit die Oxidationskapazität der Atmosphäre herabsetzen. Während der GABRIEL-Meßkampagne 2005 im äquatorialen Südamerika wurde der Einfluß der Regenwaldemissionen auf das HOx-Budget (HOx = OH+HO2) untersucht. Zu diesem Zweck wurde das Radikalmeßinstrument HORUS entwickelt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden unterschiedliche Komponenten des Gerätes optimiert, der Meßaufbau ins Flugzeug integriert und Methoden zur Kalibrierung entwickelt. Bei der internationalen Vergleichskampagne HOxComp2005 zeigte HORUS seine Eignung zur Messung von troposphärischen OH- und HO2-Radikalen.rnrnDie durchgeführten HOx-Messungen während der GABRIEL-Meßkampagne sind die ersten ihrer Art, die über einem tropischen Regenwald stattgefunden haben. Im Gegensatz zu den Vorhersagen globaler Modelle wurden unerwartet hohe OH- und HO2-Konzentrationen in der planetaren Grenzschicht des tropischen Regenwalds beobachtet. Der Vergleich der berechneten OH-Produktions- und Verlustraten, die aus dem umfangreichen Datensatz von GABRIEL ermittelt wurden, zeigte, daß hierbei eine wichtige OH-Quelle unberücksichtigt blieb. Mit Hilfe des Boxmodells MECCA, in welchem die gemessenen Daten als Randbedingungen in die Simulationen eingingen, wurden die modellierten OH- und HO2- Konzentrationen im Gleichgewichtszustand den beobachteten Konzentrationen gegenübergestellt. Luftmassen der freien Troposphäre und der maritimen Grenzschicht zeigten eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und Modell. Über dem tropischen Regenwald jedoch wurden die beobachteten HOx-Konzentrationen in der planetaren Grenzschicht durch das Modell, vor allem am Nachmittag, signifikant unterschätzt. Dabei lag die Diskrepanz zwischen den beobachteten und simulierten Konzentrationen bei einem mittleren Wert von OHobs/OHmod = 12.2 ± 3.5 und HO2obs/HO2mod = 4.1 ± 1.4. Die Abweichung zwischen Messung und Modell korrelieren hierbei mit der Isoprenkonzentration. Während für niedrige Isoprenmischungsverhältnisse, wie sie über dem Ozean oder in Höhen > 3 km vorherrschten, die Beobachtungen mit den Simulationen innerhalb eines Faktors 1.6±0.7 übereinstimmten, nahm die Unterschätzung durch das Modell für steigende Isoprenmischungsverhältnisse > 200 pptV über dem tropischen Regenwald zu.rnrnDer kondensierte chemische Mechanismus von MECCA wurde mit der ausführlichen Isoprenchemie des ”Master Chemical Mechanism“ überprüft, welches vergleichbare HOx-Konzentrationen lieferte. OH-Simulationen, durchgeführt mit der gemessenen HO2-Konzentration als zusätzliche Randbedingung, zeigten, daß die Konversion zwischen HO2 und OH innerhalb des Modells nicht ausreichend ist. Durch Vernachlässigung der gesamten Isoprenchemie konnte dagegen eine Übereinstimmung zwischen Modell und Messung erreicht werden. Eine OH-Quelle in der gleichen Größenordnung wie die OH-Senke durch Isopren, ist somit zur Beschreibung der beobachteten OH-Konzentration notwendig. Reaktionsmechanismen, die innerhalb der Isoprenchemie die gleiche Anzahl an OH-Radikalen erzeugen wie sie verbrauchen, könnten eine mögliche Ursache sein. Unterschiedliche zusätzliche Reaktionen wurden in die Isoprenabbaumechanismen des Modells implementiert, die zur Erhöhung der OH-Quellstärke führen sollten. Diese bewirkten eine Zunahme der simulierten HO2-Konzentrationen um einen maximalen Faktor von 5 für OH und 2 für HO2. Es wird eine OH-Zyklierungswahrscheinlichkeit r von bis zu 94% gefordert, wie sie für die GABRIEL-Messungen erreicht wurde. Die geringe OH-Zyklierungswahrscheinlichkeit von 38% des Modells zeigte, daß wichtige Zyklierungsvorgänge im chemischen Mechanismus bislang nicht berücksichtigt werden. Zusätzliche Zyklierungsreaktionen innerhalb des Isoprenmechanismus, die auch unter niedrigen NO-Konzentrationen zur Rückbildung von OHRadikalen führen, könnten eine Erklärung für die über dem Regenwald beobachteten hohen OH-Konzentration liefern.rn

Functional dextran-based hydrogels

Dextran-based polymers are versatile hydrophilic materials, which can provide functionalized surfaces in various areas including biological and medical applications. Functional, responsive, dextran based hydrogels are crosslinked, dextran based polymers allowing the modulation of response towards external stimuli. The controlled modulation of hydrogel properties towards specific applications and the detailed characterization of the optical, mechanical, and chemical properties are of strong interest in science and further applications. Especially, the structural characteristics of swollen hydrogel matrices and the characterization of their variations upon environmental changes are challenging. Depending on their properties hydrogels are applied as actuators, biosensors, in drug delivery, tissue engineering, or for medical coatings. However, the field of possible applications still shows potential to be expanded. rnSurface attached hydrogel films with a thickness of several micrometers can serve as waveguiding matrix for leaky optical waveguide modes. On the basis of highly swelling and waveguiding dextran based hydrogel films an optical biosensor concept was developed. The synthesis of a dextran based hydrogel matrix, its functionalization to modulate its response towards external stimuli, and the characterization of the swollen hydrogel films were main interests within this biosensor project. A second focus was the optimization of the hydrogel characteristics for cell growth with the aim of creating scaffolds for bone regeneration. Matrix modification towards successful cell growth experiments with endothelial cells and osteoblasts was achieved.rnA photo crosslinkable, carboxymethylated dextran based hydrogel (PCMD) was synthesized and characterized in terms of swelling behaviour and structural properties. Further functionalization was carried out before and after crosslinking. This functionalization aimed towards external manipulation of the swelling degree and the charge of the hydrogel matrix important for biosensor experiments as well as for cell adhesion. The modulation of functionalized PCMD hydrogel responses to pH, ion concentration, electrochemical switching, or a magnetic force was investigated. rnThe PCMD hydrogel films were optically characterized by combining surface plasmon resonance (SPR) and optical waveguide mode spectroscopy (OWS). This technique allows a detailed analysis of the refractive index profile perpendicular to the substrate surface by applying the Wentzel Kramers Brillouin (WKB) approximation. rnIn order to perform biosensor experiments, analyte capturing units such as proteins or antibodies were covalently coupled to the crosslinked hydrogel backbone by applying active ester chemistry. Consequently, target analytes could be located inside the waveguiding matrix. By using labeled analytes, fluorescence enhancement was achieved by fluorescence excitation with the electromagnetic field in the center of the optical waveguide modes. The fluorescence excited by the evanescent electromagnetic field of the surface plasmon was 2 3 orders of magnitude lower. Furthermore, the signal to noise ratio was improved by the fluorescence excitation with leaky optical waveguide modes.rnThe applicability of the PCMD hydrogel sensor matrix for clinically relevant samples was proofed in a cooperation project for the detection of PSA in serum with long range surface plasmon spectroscopy (LRSP) and fluorescence excitation by LRSP (LR SPFS). rn

Das wasserlösliche Chlorophyll-Protein (WSCP): biochemische Charakterisierung und Untersuchungen zur biologischen Funktion

Das WSCP (water-soluble chlorophyll protein) der Brassicaceen ist das einzig bekannte Chlorophyll-bindende Protein, welches keine Carotinoide bindet. Es ist ein wasserlösliches, ca. 80 kDa großes Homotetramer mit 1-4 gebundenen Chlorophyllen. Das Protein ist äußerst stabil und vermag die gebundenen Chlorophylle vor Photooxidation zu schützen. Seine Funktion in der Pflanze ist bis heute ein Rätsel und sollte in dieser Arbeit zusammen mit seinen biochemischen Eigenschaften weiter aufgeklärt werden. Es wurden Versuche durchgeführt mit nativem und rekombinantem WSCP aus Blumenkohl (BoWSCP bzw. BoWSCPhis) und aus Arabidopsis thaliana (AtWSCP bzw. AtWSCPhis). Die Expressionsausbeute von BoWSCPhis konnte verbessert werden und zusätzlich wurde die Rekonstitutionsmethode für das rekombinante WSCP optimiert, sodass das pigmentierte Protein mit hoher Ausbeute und großer Reinheit gewonnen werden konnte. Zudem wurde ein neuer WSCP-Klon hergestellt, mBoWSCPhis, der in seiner Sequenz dem maturen nativen BoWSCP entspricht und weitaus weniger Aggregationsprobleme zeigte als BoWSCPhis. Weiterführende Versuche zur Stabilität und dem Oligomerisierungsgrad von WSCP haben die neue Erkenntnis erbracht, dass die Phytolschwänze der von WSCP gebundenen Chlorophylle zwar essentiell sind für die Stabilität von WSCP-Oligomeren, nicht aber für die Oligomerisierung selbst, wie es in der Literatur bislang postuliert wurde. Zusätzlich zu ihrer außerordentlichen Hitzestabilität erwiesen sich die Chl-WSCP-Komplexe als stabil in einem breiten pH-Spektrum. AtWSCPhis besaß eine vergleichbare Stabilität, und auch das Oligomerisierungsverhalten zeigte Ähnlichkeiten zu BoWSCPhis. Im Rahmen einer Forschungskooperation mit dem Institut für Optik und Atomare Physik der TU Berlin wurden zeitaufgelöste Absorptionsspektren sowie Tieftemperatur-Fluoreszenzspektren an Chl-WSCP-Komplexen gemessen. Die Ergebnisse zeigten deutlich, dass die WSCP-gebundenen Chlorophylle excitonisch gekoppelt sind und wiesen zudem auf unterschiedliche Chl-Bindungsmodi hin. Aufgrund seines einfachen Aufbaus und seines geringen Chlorophyllgehalts hat sich WSCP bei diesen Versuchen als sehr geeignetes Modellsystem erwiesen, um Messungen zur Chlorophyllbindung mit Vorhersagen aus theoretischen Modellen zu vergleichen. Bei den Experimenten zur biologischen Funktion wurden einerseits Arabidopsis thaliana WSCP-„knock-out“-Pflanzen unter verschiedenen Bedingungen charakterisiert, andererseits wurden Experimente mit rekombinantem WSCP durchgeführt, um eine mögliche Interaktion mit anderen Proteinen zu detektieren. Die vegetativen Stadien der Mutante zeigten keinen Phänotyp; das native Arabidopsis-WSCP konnte später bei der Wildtyp-Pflanze ausschließlich in jungen Schoten lokalisiert werden, was eine Erklärung hierfür lieferte. Rekombinantes WSCP konnte Chlorophylle aus nativem LHCII entfernen, eine Interaktion mit Chlorophyllase konnte jedoch nicht nachgewiesen werden; daher konnte auch die Hypothese, WSCP sei ein Chl-Carrier beim Chl-Abbau, nicht untermauert werden. Bei den durchgeführten Enzym-Assays wurde eine geringfügige Inhibition der Cysteinprotease Papain beobachtet, aber keine Inhibition der Serinprotease Trypsin, obwohl Blumenkohl-WSCP N-proximal das Motiv der Künitz-Proteaseinhibitoren besitzt. Die Frage nach der biologischen Funktion von WSCP bleibt also weiterhin offen.

Der enzymatische und anti-oxidative Mechanismus des anti-atherogenen Enzyms Paraoxonase-2

Das humane Enzym PON2 ist in eine Vielzahl pathophysiologischer Prozesse involviert und ist durch zwei Funktionen gekennzeichnet - eine enzymatische Laktonase-Aktivität und eine anti-oxidative Aktivität. Durch die Laktonase-Aktivität hydrolysiert PON2 vorwiegend das bakterielle Signalmolekül 3oxoC12. PON2 ist als Bestandteil des angeborenen Immunsystems anzusehen und trägt wahrscheinlich zur Immunabwehr gegen Infektionen mit den human-pathogenen Pseudomonas aeruginosa Bakterien bei. Durch die anti-oxidative Aktivität vermindert PON2 oxidative Schäden und verringert redox-abhängige pro-apoptotische Stimulation. Diese einzigartige Funktion von PON2 ist jedoch ambivalent zu betrachten, da hohe PON2-Spiegel zwar Arteriosklerose reduzieren können, aber im Verdacht stehen Tumorzellen zu stabilisieren.rnIn dieser Arbeit wurden die noch unbekannten Mechanismen und der Zusammenhang der enzymatischen und der anti-oxidativen Aktivität analysiert. In diesem Rahmen wurde gezeigt, dass PON2 spezifisch die Superoxidfreisetzung an Komplex I und III der Atmungskette in der inneren Mitochondrienmembran reduzieren kann. PON2 veränderte dabei weder die Aktivitäten der Superoxiddismutasen noch die Cytochrom C-Expression. Weiterhin konnte in dieser Arbeit erstmals gezeigt werden, dass PON2 O2- nicht direkt abbaut, sondern vielmehr dessen Bildung verhindert. Diese Erkenntnisse implizieren, dass PON2 die anti-oxidative Aktivität über eine Beeinflussung des Quinon-Pools vermittelt. Anhand von verschiedenen Punktmutationen konnte gezeigt werden, dass die Histidinreste-114 und -133 für die Laktonase-Aktivität essentiell sind. Weiterhin wurden die Glykosylierungsstellen von PON2 identifiziert und gezeigt, dass die Glykosylierung, nicht aber der natürliche Polymorphismus Ser/Cys311 für die Laktonase-Aktivität von Bedeutung ist. Von besonderer Bedeutung ist, dass keine dieser Mutationen die anti-oxidative Aktivität beeinflusste, wodurch erstmals die Unabhängigkeit der beiden Funktionen von PON2 gezeigt werden konnte. rnEs war bekannt, dass PON2 gegen intrinsische und ER-Stress-induzierte Apoptose schützt. Die Spezifität der anti-oxidativen / anti-apoptotischen Wirkung wurde hier an einem weiteren pathophysiologischen Modell untersucht. 7-Ketocholesterol (7-KC) ist der Hauptbestandteil des pro-arteriosklerotischen oxLDL und verursacht in Zellen des Gefäßsystems ER-Stress, oxidativen Stress und Apoptose. Unerwarteterweise konnte PON2 Endothelzellen nicht gegen den 7-KC-induzierten Zelltod schützen. Mehrere unabhängige experimentelle Ansätze belegen, dass 7-KC in Endothelzellen im Gegensatz zu Gefäßmuskelzellen den Zelltod über Autophagie und nicht über ER-Stress oder intrinsische Apoptose bewirkt. Weiterhin führt 7-KC, wie auch 3oxoC12 und Thapsigargin zu einem Abbau der PON2-mRNA, die über die 5’UTR der PON2-mRNA vermittelt wird. Diese Arbeit vermittelt detaillierte mechanistische Einsichten in die Funktionen von PON2, die für ihre Rolle bei Arteriosklerose, in der körpereigenen Immunabwehr und bei Krebs entscheidend sind.rn

Response of nutrient cycles of an old-growth montane forest in Ecuador to experimental low-level nutrient amendments

Atmospheric nitrogen (N) and phosphorus (P) depositions are expected to increase in the tropicsrnas a consequence of increasing human activities in the next decades. Furthermore, a possiblernshortened El Niño Southern Oscillation cycle might come along with more frequent calcium (Ca)rndepositions on the eastern slope of the Ecuadorian Andes originating from Saharan dust. It isrncrucial to understand the response of the old-growth montane forest in Ecuador to increasedrnnutrient deposition to predict the further development of this megadiverse ecosystem.rnI studied experimental additions of N, P, N+P and Ca to the forest and an untreatedrncontrol, all in a fourfold replicated randomized block design. These experiments were conductedrnin the framework of a collaborative research effort, the NUtrient Manipulation EXperimentrn(NUMEX). I collected litter leachate, mineral soil solution (0.15 and 0.30 m depths), throughfallrnand fine litterfall samples and determined N, P and Ca concentrations and fluxes. This approachrnalso allowed me to assess whether N, P and/or Ca are limiting nutrients for forest growth.rnFurthermore, I evaluated the response of fine root biomass, leaf area index, leaf area and specificrnleaf area, tree diameter growth and basal area increment contributed from a cooperating group inrnthe Ca applied and control treatments.rnDuring the observation period of 16 months after the first fertilizer application, less thanrn10, 1 and 5% of the applied N, P and Ca, respectively, leached below the organic layer whichrncontained almost all roots but no significant leaching losses occurred to the deeper mineral soil.rnDeposited N, P and Ca from the atmosphere in dry and wet form were, on balance, retained in therncanopy in the control treatment. Retention of N, P and Ca in the canopy in their respectiverntreatments was reduced resulting in higher concentrations and fluxes of N, P and Ca inrnthroughfall and litterfall. Up to 2.5% of the applied N and 2% of the applied P and Ca werernrecycled to the soil with throughfall. Fluxes of N, P and Ca in throughfall+litterfall were higher inrnthe fertilized treatments than in the control; up to 20, 5 and 25% of the applied N, P and Ca,rnrespectively, were recycled to the soil with throughfall+litterfall.rnIn the Ca-applied plots, fine root biomass decreased significantly. Also the leaf area of thernfour most common tree species tended to decrease and the specific leaf area increasedrnsignificantly in Graffenrieda emarginata Triana, the most common tree species in the study area.rnThese changes are known plant responses to reduced nutrient stress. Reduced aluminium (Al)rntoxicity as an explanation of the Ca effect was unlikely, because of almost complete organocomplexationrnof Al and molar Ca:Al concentration ratios in solution above the toxicity threshold.rnThe results suggest that N, P and Ca co-limit the forest ecosystem functioning in thernnorthern Andean montane forests in line with recent assumptions in which different ecosystemrncompartments and even different phenological stages may show different nutrient limitationsrn(Kaspari et al. 2008). I conclude that (1) the expected elevated N and P deposition will bernretained in the ecosystem, at least in the short term and hence, quality of river water will not bernendangered and (2) increased Ca input will reduce nutrient stress of the forest.