Urban water demand model: the case study of Emilia Romagna (Italy)

Water is the driving force in nature. We use water for washing cars, doing laundry, cooking, taking a shower, but also to generate energy and electricity. Therefore water is a necessary product in our daily lives (USGS. Howard Perlman, 2013). The model that we created is based on the urban water demand computer model from the Pacific Institute (California). With this model we will forecast the future urban water use of Emilia Romagna up to the year of 2030. We will analyze the urban water demand in Emilia Romagna that includes the 9 provinces: Bologna, Ferrara, Forli-Cesena, Modena, Parma, Piacenza, Ravenna, Reggio Emilia and Rimini. The term urban water refers to the water used in cities and suburbs and in homes in the rural areas. This will include the residential, commercial, institutional and the industrial use. In this research, we will cover the water saving technologies that can help to save water for daily use. We will project what influence these technologies have to the urban water demand, and what it can mean for future urban water demands. The ongoing climate change can reduce the snowpack, and extreme floods or droughts in Italy. The changing climate and development patterns are expected to have a significant impact on water demand in the future. We will do this by conducting different scenario analyses, by combining different population projections, climate influence and water saving technologies. In addition, we will also conduct a sensitivity analyses. The several analyses will show us how future urban water demand is likely respond to changes in water conservation technologies, population, climate, water price and consumption. I hope the research can contribute to the insight of the reader’s thoughts and opinion.

Untersuchung der Struktur und Assemblierung des Lichtsammelkomplexes II höherer Pflanzen mittels elektronenparamagnetischer Resonanz (EPR)

Der Haupt-Lichtsammelkomplex (LHCII) des Photosyntheseapparates höherer Pflanzen gehört zu den häufigsten Membranproteinen der Erde. Seine Kristallstruktur ist bekannt. Das Apoprotein kann rekombinant in Escherichia coli überexprimiert und somit molekularbiologisch vielfältig verändert werden. In Detergenzlösung besitzt das denaturierte Protein die erstaunliche Fähigkeit, sich spontan zu funktionalen Protein-Pigment-Komplexen zu organisieren, welche strukturell nahezu identisch sind mit nativem LHCII. Der Faltungsprozess findet in vitro im Zeitbereich von Sekunden bis Minuten statt und ist abhängig von der Bindung der Cofaktoren Chlorophyll a und b sowie verschiedenen Carotinoiden.rn Diese Eigenschaften machen LHCII besonders geeignet für Strukturuntersuchungen mittels der elektronenparamagnetischen Resonanz (EPR)-Spektrokopie. Diese setzt eine punktspezifische Spinmarkierung des LHCII voraus, die in dieser Arbeit zunächst optimiert wurde. Einschließlich der Beiträge Anderer stand eine breite Auswahl von über 40 spinmarkierten Mutanten des LHCII bereit, einen N-terminalen „Cys walk“ eingeschlossen. Weder der hierfür notwendige Austausch einzelner Aminosäuren noch die Anknüpfung des Spinmarkers beeinträchtigten die Funktion des LHCII. Zudem konnte ein Protokoll zur Präparation heterogen spinmarkierter LHCII-Trimere entwickelt werden, also von Trimeren, die jeweils nur ein Monomer mit einer Spinmarkierung enthalten.rn Spinmarkierte Proben des Detergenz-solubilisierten LHCII wurden unter Verwendung verschiedener EPR-Techniken strukturell analysiert. Als besonders aussagekräftig erwies sich die Messung der Wasserzugänglichkeit einzelner Aminosäurepositionen anhand der Electron Spin Echo Envelope Modulation (ESEEM). In Kombination mit der etablierten Double Electron-Electron Resonance (DEER)-Technik zur Detektion von Abständen zwischen zwei Spinmarkern wurde der membranständige Kernbereich des LHCII in Lösung eingehend untersucht und strukturell der Kristallstruktur für sehr ähnlich befunden. Die Vermessung kristallographisch nicht erfasster Bereiche nahe dem N-Terminus offenbarte die schon früher detektierte Strukturdynamik der Domäne in Abhängigkeit des Oligomerisierungsgrades. Der neue, noch zu vervollständigende Datensatz aus Abstandsverteilungen und ESEEM-Wasserzugänglichkeiten monomerer wie trimerer Proben sollte in naher Zukunft die sehr genaue Modellierung der N-terminalen Domäne des LHCII ermöglichen.rn In einem weiteren Abschnitt der Arbeit wurde die Faltung des LHCII-Apoproteins bei der LHCII-Assemblierung in vitro untersucht. Vorausgegangene fluoreszenzspektroskopi-sche Arbeiten hatten gezeigt, dass die Bindung von Chlorophyll a und b in aufeinanderfolgenden Schritten im Zeitbereich von weniger als einer Minute bzw. mehreren Minuten erfolgten. Sowohl die Wasserzugänglichkeit einzelner Aminosäurepositionen als auch Spin-Spin-Abstände änderten sich in ähnlichen Zeitbereichen. Die Daten deuten darauf hin, dass die Ausbildung der mittleren Transmembran-Helix mit der schnelleren Chlorophyll-a-Bindung einhergeht, während sich die Superhelix aus den beiden anderen Transmembranhelices erst im langsameren Schritt, zusammen mit der Chlorophyll-b-Bindung, ausbildet.rn

Oligomerisation, localisation and interaction of the sensor histidine kinases DcuS and CitA in Escherichia coli

The two-component system DcuSR of Escherichia coli regulates gene expression of anaerobic fumarate respiration and aerobic C4-dicarboxylate uptake. C4-dicarboxylates and citrate are perceived by the periplasmic domain of the membrane-integral sensor histidine kinase DcuS. The signal is transduced across the membrane by phosphorylation of DcuS and of the response regulator DcuR, resulting in activation of DcuR and transcription of the target genes.rnIn this work, the oligomerisation of full-length DcuS was studied in vivo and in vitro. DcuS was genetically fused to derivatives of the green fluorescent protein (GFP), enabling fluorescence resonance energy transfer (FRET) measurements to detect protein-protein interactions in vivo. FRET measurements were also performed with purified His6-DcuS after labelling with fluorescent dyes and reconstitution into liposomes to study oligomerisation of DcuS in vitro. In vitro and in vivo fluorescence resonance energy transfer showed the presence of oligomeric DcuS in the membrane, which was independent of the presence of effector. Chemical crosslinking experiments allowed clear-cut evaluation of the oligomeric state of DcuS. The results showed that detergent-solubilised His6-DcuS was mainly monomeric and demonstrated the presence of tetrameric DcuS in proteoliposomes and in bacterial membranes.rnThe sensor histidine kinase CitA is part of the two-component system CitAB of E. coli, which is structurally related to DcuSR. CitAB regulates gene expression of citrate fermentation in response to external citrate. The sensor kinases DcuS and CitA were fused with an enhanced variant of the yellow fluorescent protein (YFP) and expressed in E. coli under the control of an arabinose-inducible promoter. The subcellular localisation of DcuS-YFP and CitA-YFP within the cell membrane was studied by means of confocal laser fluorescence microscopy. Both fusion proteins were found to accumulate at the cell poles. The polar accumulation was slightly increased in the presence of the stimulus fumarate or citrate, respectively, but independent of the expression level of the fusion proteins. Cell fractionation demonstrated that polar accumulation was not related to inclusion bodies formation. The degree of polar localisation of DcuS-YFP was similar to that of the well-characterised methyl-accepting chemotaxis proteins (MCPs), but independent of their presence. To enable further investigations on the function of the polar localisation of DcuS under physiological conditions, the sensor kinase was genetically fused to the flavin-based fluorescent protein Bs2 which shows fluorescence under aerobic and anaerobic conditions. The resulting dcuS-bs2 gene fusion was inserted into the chromosome of various E. coli strains.rnFurthermore, a protein-protein interaction between the related sensor histidine kinases DcuS and CitA, regulating common metabolic pathways, was detected via expression studies under anaerobic conditions in the presence of citrate and by in vivo FRET measurements.

Einzelmolekül-Untersuchungen zu Faltung und Zusammenbau des Lichtsammelkomplexes LHCII

Zusammenfassungrn Der Faltungsprozess des Hauptlichtsammelkomplexes des Photosystems II aus höheren Pflanzen (light harvesting complex II, LHCII) wurde bereits mehrfach untersucht, die Experimente hierzu fanden stets im Ensemble statt. Anhand der bislang veröffentlichten Faltungskinetiken des LHCII aus höheren Pflanzen lassen sich aber keine eindeutigen Aussagen bezüglich der Diversität der Faltungswege treffen. Daher sollten im Rahmen dieser Arbeit Faltungskinetiken einzelner LHCII-Moleküle während der Komplexbildung aufgenommen werden, um weitergehende Informationen zum Faltungsmechanismus zu erhalten und zur Frage, ob hier mehrere unterschiedliche Wege eingeschlagen werden.rnHierfür war zunächst die Etablierung einer Oberflächenimmobilisierung mit Glas als Trägermaterial notwendig. Nachdem Versuche, diese Immobilisierung über einen His6-tag oder über einen heterobifunktionellen Linker zu bewerkstelligen, nicht zum Erfolg geführt haben, konnte eine Immobilisierung des Biotin-markierten Proteins an Oberflächen-gebundenes Avidin erreicht werden. Die Qualität dieser Immobilisierung wurde hierbei sowohl über Bindungsversuche mit fluoreszenzfarbstoffmarkiertem Protein als auch über eine direkte Kontrolle der Oberflächenbeschaffenheit mittels Rasterkraftmikroskopie überprüft. Die für die folgenden Versuche optimale Belegungsdichte wurde im konfokalen Fluoreszenzmikroskop ermittelt. Zudem wurde sichergestellt, dass die Proteine vereinzelt auf der Oberfläche immobilisiert vorliegen.rnAuf dieser Basis wurden LHCII-Komplexe, die zuvor in vitro rekonstituiert wurden, immobilisiert und Versuche zur kontrollierten Denaturierung unternommen, um Zerfalls-kinetiken im Verfahren der internen Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie (total internal reflection fluorescence, TIRF) aufnehmen zu können. Hierbei traten Schwierigkeiten bezüglich der Lebensdauer der Komplexe unter Laser-Belichtung auf, da sich die Löschung der Fluoreszenz durch Zerstrahlung der Pigmente einerseits oder Dissoziation der LHCII andererseits nicht unterscheiden ließen. Auch durch verschiedene Maßnahmen zur Erhöhung der Lebensdauer konnte diese nicht in dem Maße gesteigert werden, wie es experimentell notwendig gewesen wäre.rnFür das eigentliche Hauptziel dieser Arbeit – die Aufzeichnung von Einzelmolekül-Faltungskinetiken – war die Entwicklung einer Methode zur Rekonstitution oberflächen-immobilisierter LHCII-Apoproteine notwendig. Dieses Ziel wurde mithilfe einer Detergenzmisch-Rekonstitution erreicht. Der Erfolg der Rekonstitution konnte experimentell sowohl im Fluorimeter anhand des komplexinternen Energietransfers auf einen kovalent an das Protein gebundenen Infrarot-Fluorophor als auch im TIRF-Verfahren direkt beobachtet werden. Auch hier konnte nach ca. 80 Sekunden ein Ausbleichen der Komplexe während der Belichtung durch den Anregungs-Laser beobachtet werden.rnIn Versuchen zur Beobachtung des Komplexbildungsvorganges zeigte sich, dass die Rekonstitution offenbar durch die Belichtung massiv gestört wird. Ein weiteres Problem war eine sehr starke Hintergrundfluoreszenz, ausgelöst durch die zur Rekonstitution notwendige Pigmentlösung, die trotz der TIRF-Anregung von ausschließlich oberflächengebundenem Material die Fluoreszenz der Komplexe überlagerte. Somit konnte die Rekonstitution oberflächenimmobilisierter LHCII-Proteine zwar in Vorher-Nachher-Aufnahmen gezeigt werden, der Faltungsprozess an sich konnte dagegen im Rahmen dieser Arbeit nicht aufgezeichnet werden.

Global simulated soil biogenic nitric oxide (NO) emissions: Impact, improvement and innovation

rnNitric oxide (NO) is important for several chemical processes in the atmosphere. Together with nitrogen dioxide (NO2 ) it is better known as nitrogen oxide (NOx ). NOx is crucial for the production and destruction of ozone. In several reactions it catalyzes the oxidation of methane and volatile organic compounds (VOCs) and in this context it is involved in the cycling of the hydroxyl radical (OH). OH is a reactive radical, capable of oxidizing most organic species. Therefore, OH is also called the “detergent” of the atmosphere. Nitric oxide originates from several sources: fossil fuel combustion, biomass burning, lightning and soils. Fossil fuel combustion is the largest source. The others are, depending on the reviewed literature, generally comparable to each other. The individual sources show a different temporal and spatial pattern in their magnitude of emission. Fossil fuel combustion is important in densely populated places, where NO from other sources is less important. In contrast NO emissions from soils (hereafter SNOx) or biomass burning are the dominant source of NOx in remote regions.rnBy applying an atmospheric chemistry global climate model (AC-GCM) I demonstrate that SNOx is responsible for a significant part of NOx in the atmosphere. Furthermore, it increases the O3 and OH mixing ratio substantially, leading to a ∼10% increase in the oxidizing efficiency of the atmosphere. Interestingly, through reduced O3 and OH mixing ratios in simulations without SNOx, the lifetime of NOx increases in regions with other dominating sources of NOx

Untersuchungen zur Plasmapheresetherapie bei Patienten mit thrombotisch thrombozytopenischer Purpura

Die thrombotische thrombozytopenische Purpura (TTP) ist charakterisiert durch eine Triade aus Thrombozytopenie, hämolytischer Anämie und Mikrothromben. Ursächlich für diese Mikroangiopathie ist ein Mangel der Von Willebrand Faktor (VWF)-spaltenden Protease, ADAMTS13, der durch Autoantikörper oder eine genetische Mutation bedingt sein kann. In der Folge treten hochmolekulare, prothrombotische VWF Multimere im Blut auf, die eine Plättchenadhäsion und -aggregation initiieren, die zu mikrovaskulären Thromben in den Arteriolen und Kapillaren zahlreicher Organe insbesondere im zentralen Nervensystem führt. rnMomentan ist der Goldstandard der Therapie dieser ansonsten tödlich verlaufenden Erkrankung, die Plasmapherese (PEX). Hierfür stehen mit Fresh Frozen Plasma (FFP) und solvent/detergent (s/d) Plasma zwei Präparate zur Verfügung. Die Effizienz der Therapie bei der TTP konnte in den letzten Jahrzehnten im klinischen Alltag belegt werden, dennoch geht die intensive und invasive Therapie mit vielen Risiken und Nebenwirkungen für die Patienten einher, die in dieser Arbeit herausgearbeitet werden sollten. rnIn einer deutschlandweiten Patientenstudie wurde retrospektiv, mittels Fragebögen, ein Nebenwirkungsprofil der Plasmapherese erstellt, sowie mögliche Prädispositionen für die TTP untersucht. Zudem wurden mögliche Auslöser für das Auftreten einer klinisch manifesten TTP analysiert. Die Auswertung zeigte, dass Parästhesien (64,4 %) und Schüttelfrost (61,2 %) als häufigste Nebenwirkungen der PEX bei den Patienten auftraten. Weitere Symptome waren vermehrte Kopfschmerzen (50,6 %) und Tachykardien (36,8 %). Nebenwirkungen wie schwerer Kollaps (9 %) traten selten auf. Patienten mit Allergien in der Anamnese reagierten nicht empfindlicher auf die PEX, als andere. Ein Unterschied in der Häufigkeit der Nebenwirkungen hinsichtlich der verschiedenen Plasmapräparate konnte nicht gezeigt werden, relativiert wird dies durch den sehr geringen Einsatz von Octaplas® bei der untersuchten Patientenkohorte.rnEs konnte eine deutliche Verbindung zwischen dem Auftreten der TTP und anderen Autoimmunerkrankungen gezeigt werden. Von insgesamt 87 Patienten leiden 20,8 % an einer weiteren Autoimmunerkrankung. Insbesondere die Hashimoto Thyreoiditis liegt bei den Befragten als häufige Begleiterkrankung vor. Die genetische Prädisposition hat sich in den vergangen Jahren als ein primärer Risikofaktor für die TTP herausgestellt.rnAls mögliche Trigger eines TTP Schubes konnten Infektionen (38,7 %), Medikamente (u.a. Kontrazeptiva, Chinolone, Clarithromycin) (24,3 %), und Schwangerschaft (5,4 %) ausgemacht werden.rnEin weiterer Untersuchungspunkt der Dissertation war die Beurteilung der ADAMTS13-Aktivität in den Plasmapräparaten. Hierfür wurden drei verschieden Methoden, zwei auf Fluoreszenz Resonanz Energie Transfer beruhende Assays und eine turbidimetrische Messung, verwendet. In allen Methoden konnte eine physiologische ADAMTS13-Aktivität, 646 ng/ml für FFP und 634 ng/ml für Octaplas®, gemessen werden, die sich für beide Präparate nicht signifikant unterschied. Auffällig waren jedoch die höheren Schwankungen der Aktivität bei den verschiedenen Chargen bei FFP gegenüber Octaplas®. rnAufgrund des Herstellungsverfahrens bietet Octaplas® einen sichereren Schutz vor Virusübertragungen und dem Auftreten von TRALI als FFP. Jedoch kann es aufgrund der niedrigen Konzentration an Protein S prothrombotisch wirken. FFP enthält dagegen einen höheren Gehalt an Gerinnungsfaktoren. rnAbschließend ist festzuhalten, dass beide Präparate für die Therapie der TTP geeignet sind. Welches Präparat gewählt wird, sollte individuell für den zu behandelnden Patienten entschieden werden. Bei TTP-Patienten, die in der Vergangenheit bereits sensibel auf FFP reagierten, bietet sich eine Therapie mit Octaplas® an. Die schnelle Bereitstellung einer adäquaten Therapie spielt bei der thrombotisch thrombozytopenischen Purpura die entscheidende Rolle.

Lichtsammler hinter Glas : Stabilisierung und Funktionalisierung des pflanzlichen Hauptlichtsammelkomplexes (LHCII) durch biomineralische Einbettung in Nanopartikel

Der Haupt-Lichtsammelkomplex des Fotosystems II (LHCII) setzt sich aus einem Proteinanteil und nicht-kovalent gebundenen Pigmenten – 8 Chlorophyll a, 6 Chlorophyll b und 4 Carotinoide - zusammen. Er assembliert in vivo zu einem Trimer, in dem die Monomereinheiten ebenfalls nicht-kovalent miteinander wechselwirken. Die ausgesprochen hohe Farbstoffdichte und die Tatsache, dass der Komplex rekombinant hergestellt werden kann, machen den LHCII zu einem interessanten Kandidaten für technische Anwendungen wie einer Farbstoffsolarzelle. Allerdings muss hierzu seine thermische Stabilität drastisch erhöht werden.rnDer Einschluss von Proteinen/Enzymen in Silikat erhöht deren Stabilität gegenüber Hitze signifikant. LHCII sollte als erster rekombinanter Membranproteinkomplex mittels kovalent verbundener, polykationischen Sequenzen in Silikat eingeschlossen werden. Hierzu wurde der Komplex auf zwei Weisen polykationisch modifiziert: Auf Genebene wurde die Sequenz des R5-Peptids in den N-terminalen Bereich des LHCP-Gens eingeführt und ein Protokoll zur Überexpression, Rekonstitution und Trimerisierung etabliert. Außerdem wurde eine kovalente Modifikation des trimeren LHCII mit dem Arginin-reichen Protamin über heterobifunktionelle Crosslinker entwickelt. Beide resultierenden LHCII-Derivate waren in der Lage, Silikat autogen zu fällen. Die Stabilisierung der so in Silikat präzipitierten Komplexe war jedoch deutlich geringer als bei nicht-modifizierten Komplexen, die durch eine Spermin-induzierte Copräzipitation eingeschlossenen wurden. Dabei zeigte sich, dass für den Anteil der eingebauten Komplexe und das Ausmaß an Stabilisierung die Größe und klare partikuläre Struktur des Silikats entscheidend ist. Kleine Partikel mit einem Durchmesser von etwa 20 nm führten zu einem Einbau von rund 75 % der Komplexe, und mehr als 80 % des Energietransfers innerhalb des Komplexes blieben erhalten, wenn für 24 Stunden bei 50°C inkubiert wurde. Nicht in Silikat eingeschlossene Komplexe verloren bei 50°C ihren Komplex-internen Energietransfer binnen weniger Minuten. Es war dabei unerheblich, ob die Partikelgröße durch die Wahl des Puffers und des entsprechenden pH-Wertes, oder aber durch Variation des Spermin-zu-Kieselsäure-Verhältnisses erreicht wurde. Wurden die polykationisch veränderten Komplexe in solchen Copräzipitationen verwendet, so erhöhte sich der Anteil an eingebauten Komplexen auf über 90 %, jedoch wurde nur bei der R5-modifizierten Variante vergleichbare Ausmaße an Stabilisierung erreicht. Ein noch höherer Anteil an Komplexen wurde in das Silikatpellet eingebaut, wenn LHCII kovalent mit Silanolgruppen modifiziert wurde (95 %); jedoch war das Ausmaß der Stabilisierung wiederum geringer als bei einer Copräzipitation. Die analysierten Fällungssysteme waren außerdem in der Lage, Titandioxid zu fällen, wobei der Komplex in dieses eingebaut wurde. Allerdings muss das Stabilisierungspotential hier noch untersucht werden. Innerhalb eines Silikatpräzipitats aggregierten die Komplexe nicht, zeigten aber einen inter-trimeren Energietransfer, der sehr wahrscheinlich auf einem Förster Resonanz Mechanismus basiert. rnDies und das hohe Maß an Stabilisierung eröffnen neue Möglichkeiten, rekombinanten LHCII in technischen Applikationen als Lichtsammelkomponente zu verwenden.rn

Einfluss membranmimetischer Umgebungen auf die Dimerisierung von Glykophorin A

Bei der Untersuchung von Membranproteinen bedarf es der Entwicklung von neuen Methoden, da Standardmethoden, entwickelt für lösliche Proteine, meist nicht auf Membranproteine angewendet werden können. Das größte Problem besteht in der schlechten Wasserlöslichkeit der Membranproteine, da diese sich in vivo in einer hydrophoben Umgebung, der Membran, befinden. Um dennoch isolierte Membranproteine und ihre Faltung in vitro charakterisieren zu können, sind membranmimetische Systeme notwendig um Membranproteine in Lösung zu bringen. In dieser Arbeit wurden Lysophosphocholin Detergenzien, die Copolymere Amphipol A8-35, p(HMPA)-co-p(LMA) sowie synthetische Membranen aus Phospholipiden auf Ihre Eigenschaften in wässriger Lösung untersucht, und deren Auswirkungen auf die Solubilisierung und Dimerisierung der Glykophorin A (GpA)-Transmembranhelix analysiert. Es wurde erstmals gezeigt, dass die Aggregtionszahl von Detergenzmizellen die Dimerisierung von GpA beeinflusst. Die Copolymere A8-35 und pHPMA-pLMA sind in der Lage die Sekundärstruktur von GpA sowie dessen Dimer zu stabilisieren. Allerdings ist dies bei pHPMA-pLMA Copolymeren erst ab einem LMA-Anteil von über 15% möglich. In synthetischen Membranen zeigte die Dimerisierung von GpA eine Abhängigkeit von negativ geladenen Lipiden, die die Dimerisierung zwar vermindern aber die Ausbildung der Transmembranhelix fördern. Eine Zugabe von physiologischen Konzentrationen an Calciumionen ändert die Membraneigenschaften drastisch aber die Dimerisierung von GpA wird nur geringfügig beeinflusst.

Structure determination of channel and transport proteins by high-resolution microscopy techniques

High-resolution microscopy techniques provide a plethora of information on biological structures from the cellular level down to the molecular level. In this review, we present the unique capabilities of transmission electron and atomic force microscopy to assess the structure, oligomeric state, function and dynamics of channel and transport proteins in their native environment, the lipid bilayer. Most importantly, membrane proteins can be visualized in the frozen-hydrated state and in buffer solution by cryo-transmission electron and atomic force microscopy, respectively. We also illustrate the potential of the scintillation proximity assay to study substrate binding of detergent-solubilized transporters prior to crystallization and structural characterization.

Phosphocreatine interacts with phospholipids, affects membrane properties and exerts membrane-protective effects

A broad spectrum of beneficial effects has been ascribed to creatine (Cr), phosphocreatine (PCr) and their cyclic analogues cyclo-(cCr) and phospho-cyclocreatine (PcCr). Cr is widely used as nutritional supplement in sports and increasingly also as adjuvant treatment for pathologies such as myopathies and a plethora of neurodegenerative diseases. Additionally, Cr and its cyclic analogues have been proposed for anti-cancer treatment. The mechanisms involved in these pleiotropic effects are still controversial and far from being understood. The reversible conversion of Cr and ATP into PCr and ADP by creatine kinase, generating highly diffusible PCr energy reserves, is certainly an important element. However, some protective effects of Cr and analogues cannot be satisfactorily explained solely by effects on the cellular energy state. Here we used mainly liposome model systems to provide evidence for interaction of PCr and PcCr with different zwitterionic phospholipids by applying four independent, complementary biochemical and biophysical assays: (i) chemical binding assay, (ii) surface plasmon resonance spectroscopy (SPR), (iii) solid-state (31)P-NMR, and (iv) differential scanning calorimetry (DSC). SPR revealed low affinity PCr/phospholipid interaction that additionally induced changes in liposome shape as indicated by NMR and SPR. Additionally, DSC revealed evidence for membrane packing effects by PCr, as seen by altered lipid phase transition. Finally, PCr efficiently protected against membrane permeabilization in two different model systems: liposome-permeabilization by the membrane-active peptide melittin, and erythrocyte hemolysis by the oxidative drug doxorubicin, hypoosmotic stress or the mild detergent saponin. These findings suggest a new molecular basis for non-energy related functions of PCr and its cyclic analogue. PCr/phospholipid interaction and alteration of membrane structure may not only protect cellular membranes against various insults, but could have more general implications for many physiological membrane-related functions that are relevant for health and disease.

Measuring substrate binding and affinity of purified membrane transport proteins using the scintillation proximity assay

The scintillation proximity assay (SPA) is a rapid radioligand binding assay. Upon binding of radioactively labeled ligands (here L-[(3)H]arginine or D-[(3)H]glucose) to acceptor proteins immobilized on fluoromicrospheres (containing the scintillant), a light signal is stimulated and measured. The application of SPA to purified, detergent-solubilized membrane transport proteins allows substrate-binding properties to be assessed (e.g., substrate specificity and affinity), usually within 1 d. Notably, the SPA makes it possible to study specific transporters without interference from other cellular components, such as endogenous transporters. Reconstitution of the target transporter into proteoliposomes is not required. The SPA procedure allows high sample throughput and simple sample handling without the need for washing or separation steps: components are mixed in one well and the signal is measured directly after incubation. Therefore, the SPA is an excellent tool for high-throughput screening experiments, e.g., to search for substrates and inhibitors, and it has also recently become an attractive tool for drug discovery.

Vibrating Membrane Devices Deliver Aerosols More Efficient than Standard Devices: A Study in a Neonatal Upper Airway Model

Abstract Background: Aerosol therapy in preterm infants is challenging, as a very small proportion of the drug deposits in the lungs. Aim: Our aim was to compare efficiency of standard devices with newer, more efficient aerosol delivery devices. Methods: Using salbutamol as a drug marker, we studied two prototypes of the investigational eFlow(®) nebulizer for babies (PARI Pharma GmbH), a jet nebulizer (Intersurgical(®) Cirrus(®)), and a pressurized metered dose inhaler (pMDI; GSK) with a detergent-coated holding chamber (AeroChamber(®) MV) in the premature infant nose throat-model (PrINT-model) of a 32-week preterm infant (1,750 g). A filter or an impactor was placed below the infant model's "trachea" to capture the drug dose or particle size, respectively, that would have been deposited in the lung. Results: Lung dose (percentage of nominal dose) was 1.5%, 6.8%, and 18.0-20.6% for the jet nebulizer, pMDI-holding chamber, and investigational eFlow nebulizers, respectively (p<0.001). Jet nebulizer residue was 69.4% and 10.7-13.9% for the investigational eFlow nebulizers (p<0.001). Adding an elbow extension between the eFlow and the model significantly lowered lung dose (p<0.001). A breathing pattern with lower tidal volume decreased deposition in the PrINT-model and device residue (p<0.05), but did not decrease lung dose. Conclusions: In a model for infant aerosol inhalation, we confirmed low lung dose using jet nebulizers and pMDI-holding chambers, whereas newer, more specialized vibrating membrane devices, designed specifically for use in preterm infants, deliver up to 20 times more drug to the infant's lung.

Monoclonal antibody directed against Neospora caninum tachyzoite carbohydrate epitope reacts specifically with apical complex-associated sialylated beta tubulin

Monoclonal antibodies (mabs) were generated against whole sonicated Neospora caninum tachyzoites as immunogen. Initial ELISA screening of the reactivity of hybridoma culture supernatants using the same antigen and antigen treated with sodium periodate prior to antibody binding resulted in the identification of 8 supernatants with reactivity against putative carbohydrate epitopes. Following immunoblotting, mab6D12 (IgG1), binding a 52/48-kDa doublet, and mab6C6 (IgM), binding a 190/180-kDa doublet, were selected for further studies. Immunofluorescence of tachyzoite-infected cultures localized the corresponding epitopes not to the surface, but to interior epitopes at the apical part of N. caninum tachyzoites. During in vitro tachyzoite to bradyzoite stage conversion, mab6C6 labeling translocated toward the cyst periphery, while for mab6D12 no changes in localization were noted. Upon extraction of tachyzoites with the nonionic detergent Triton-X-100, the 52-kDa band recognized by mab6D12 was present exclusively in the insoluble, cytoskeletal fraction of both N. caninum and Toxoplasma gondii tachyzoites. Tandem mass spectrometry analysis identified this protein as N. caninum beta tubulin. The 48-kDa band labeled by mab6D12 was a Vero cell protein contamination. The protein(s) reacting with mab6C6 could not be conclusively identified by mass spectrometry. Immunofluorescence consistently failed to label T. gondii tachyzoites, indicating that beta tubulin in T. gondii and N. caninum could be differentially modified or that the reactive epitope in T. gondii is masked. Immunogold TEM of isolated apical cytoskeletal preparations and dual immunofluorescence with antibody to tubulin confirmed that mab6D12 binds to the anterior part of apical complex-associated microtubules. The sodium periodate sensitivity of the beta tubulin associated epitope was confirmed by immunoblotting and ELISA, and treatment of N. caninum cytoskeletal proteins with sialidase prior to mab6D12 labeling resulted in a profound loss of antibody binding, suggesting that mab6D12 reacts with sialylated beta tubulin.

Treatment of thrombotic thrombocytopenic purpura

Thrombotic thrombocytopenic purpura (TTP), characterized by thrombocytopenia and microangiopathic haemolytic anaemia, was almost universally fatal until the introduction of plasma exchange (PE) therapy in the 1970s. Based on clinical studies, daily PE has become the first-choice therapy since 1991. Recent findings may explain its effectiveness, which may include, in particular, the removal of anti-ADAMTS13 autoantibodies and unusually large von Willebrand factor multimers and/or supply of ADAMTS13 in acquired idiopathic or congenital TTP. Based on currently available data, the favoured PE regimen is daily PE [involving replacement of 1-1.5 times the patient's plasma volume with fresh-frozen plasma (FFP)] until remission. Adverse events of treatment are mainly related to central venous catheters. The potential reduction of plasma related side-effects, such as transfusion-related acute lung injury (TRALI) or febrile transfusion reactions by use of solvent-detergent treated (S/D) plasma instead of FFP is not established by controlled clinical studies. Uncontrolled clinical observations and the hypothesis of an autoimmune process in a significant part of the patients with acquired idiopathic TTP suggest a beneficial effect of adjunctive therapy with corticosteroids. Other immunosuppressive treatments are not tested in controlled trials and should be reserved for refractory or relapsing disease. There is no convincing evidence for the use of antiplatelet agents. Supportive treatment with transfusion of red blood cells or platelets has to be evaluated on a clinical basis, but the transfusion trigger for platelets should be very restrictive. Further controlled, prospective studies should consider the different pathophysiological features of thrombotic microangiopathies, address the prognostic significance of ADAMTS13 and explore alternative exchange fluids to FFP, the role of immunosuppressive therapies and of new plasma saving approaches as recombinant ADAMTS13 and protein A immunoadsorption.

Reconstitution of mitochondrial ATP synthase into lipid bilayers for structural analysis

Mitochondrial F(1)F(o)-ATP synthase is a molecular motor that couples the energy generated by oxidative metabolism to the synthesis of ATP. Direct visualization of the rotary action of the bacterial ATP synthase has been well characterized. However, direct observation of rotation of the mitochondrial enzyme has not been reported yet. Here, we describe two methods to reconstitute mitochondrial F(1)F(o)-ATP synthase into lipid bilayers suitable for structure analysis by electron and atomic force microscopy (AFM). Proteoliposomes densely packed with bovine heart mitochondria F(1)F(o)-ATP synthase were obtained upon detergent removal from ternary mixtures (lipid, detergent and protein). Two-dimensional crystals of recombinant hexahistidine-tagged yeast F(1)F(o)-ATP synthase were grown using the supported monolayer technique. Because the hexahistidine-tag is located at the F(1) catalytic subcomplex, ATP synthases were oriented unidirectionally in such two-dimensional crystals, exposing F(1) to the lipid monolayer and the F(o) membrane region to the bulk solution. This configuration opens a new avenue for the determination of the c-ring stoichiometry of unknown hexahistidine-tagged ATP synthases and the organization of the membrane intrinsic subunits within F(o) by electron microscopy and AFM.