Experimentelle Untersuchung von Phasenübergängen im kolloidalen Modellsystem harter Kugeln

Die vorliegende Arbeit behandelt den fluid-kristallinen Phasenübergang sowie den Glasübergang anhand von kolloidalen Hart-Kugel(HK)-Modellsystemen. Die Untersuchungen erfolgen dabei im Wesentlichen mit unterschiedlichen Lichtstreumethoden und daher im reziproken Raum. rnDie Analyse der Kristallisationskinetik zeigt, dass es bei der Kristallisation zu signifikanten Abweichungen vom Bild der klassischen Nukleationstheorie (CNT) kommt. Diese geht von einem einstufigen Nukleationsprozess aus, wohingegen bei den hier durchgeführten Experimenten ein mehrstufiger Prozess beobachtet wird. Vor der eigentlichen Kristallisation kommt es zunächst zur Nukleation einer metastabilen Zwischenphase, sogenannter Precursor. In einer zweiten Stufe erfolgt innerhalb der Precursor die eigentliche Nukleation der Kristallite. rnDurch weitere Analyse und den Vergleich des Kristallisations- und Verglasungsszenarios konnte das Konzept der Precursornukleation auf den Vorgang der Verglasung erweitert werden. Während die Kristallnukleation oberhalb des Glasübergangspunktes zum Erliegen kommt, bleibt der Prozess der Precursornukleation auch bei verglasenden Proben erhalten. Ein Glas erstarrt somit in einem amorphen Zustand mit lokalen Precursorstrukturen. Die Korrelation der gemessenen zeitlichen Entwicklung der strukturellen sowie der dynamischen Eigenschaften zeigt darüber hinaus, dass das bisher unverstandene Ageing-Phänomen von HK-Gläsern mit der Nukleation von Precursorn zusammenhängt.rnEin solches mehrstufiges Szenario wurde bereits in früheren Veröffentlichungen beobachtet. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Messungen ermöglichten erstmals die Bestimmung von Kristallnukleationsratendichten (Kristall-NRD) und Ratendichten für die Precursornukleation bis über den Glasübergangspunkt hinaus. Die Kristall-NRD bestätigen die Resultate aus anderen experimentellen Arbeiten. Die weiteren Analysen der Kristall-NRD belegen, dass die fluid-kristalline Grenzflächenspannung bei der Nukleation entgegen den Annahmen der CNT nicht konstant ist, sondern mit ansteigendem Volumenbruch linear zunimmt. Die Erweiterung der CNT um eine linear zunehmende Grenzflächenspannung ermöglichte eine quantitative Beschreibung der gemessenen Kristall- sowie der Precursor-NRD, was den Schluss zulässt, dass es sich in beiden Fällen um einen Boltzmann-aktivierten Prozess handelt. rnUm die beobachteten Abweichungen des Nukleationsprozesses vom Bild der CNT näher zu untersuchen, wurden die kollektiven Partikeldynamiken in stabilen Fluiden und metastabilen Schmelzen analysiert. Im klassischen Bild wird angenommen, dass die kollektive Partikeldynamik beim Vorgang der Nukleation keine Rolle spielt. Anhand der Resultate zeigen sich Abweichungen in der Dynamik stabiler Fluide und metastabiler Schmelzen. Während die kollektive Partikeldynamik in der stabilen Schmelze von der Struktur entkoppelt ist, tritt oberhalb des Phasenübergangspunktes eine Kopplung von Struktur und Dynamik auf. Dabei treten die Abweichungen zunächst in der Umgebung des ersten Strukturfaktormaximums und somit bei den am stärksten besetzten Moden auf. Mit steigender Unterkühlung nehmen die Anzahl der abweichenden Moden sowie die Stärke der Abweichungen zu. Dieses Phänomen könnte einen signifikanten Einfluss auf den Nukleationsprozess und somit auf die Kristallisationskinetik haben. Die Analyse der Dynamik im stabilen Fluid zeigt darüber hinaus Hinweise auf eine Singularität bei Annäherung an den fluid-kristallinen Phasenübergangspunkt.rnDes Weiteren wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit erstmals Ratendichten für die heterogene Nukleation eines HK-Systems an einer flachen Wand mittels statischer Lichtstreuung (SLS) bestimmt. Die Ergebnisse der Messung zeigen, dass die Nukleationsbarriere der heterogenen Nukleation annähernd Null ist und folglich eine vollständige Benetzung der Wand mit einer kristallinen Monolage vorliegt. Die Erweiterung der Untersuchungen auf gekrümmte Oberflächen in Form von sphärischen Partikeln (Seeds) stellt die erste experimentelle Arbeit dar, die den Einfluss eines Ensembles von Seeds auf die Kristallisationskinetik in HK-Systemen untersucht. Die Kristallisationskinetik und die Mikrostruktur werden abhängig von Größe und Anzahldichte der Seed-Partikel signifikant beeinflusst. In Übereinstimmung mit konfokalmikroskopischen Experimenten und Simulationen spielt dabei das Radienverhältnis der Majoritäts- zur Minoritätskomponente eine entscheidende Rolle.

Synthese und Charakterisierung von zylindrischen Bürsten mit polypept(o)idischen Seitenketten als nanopartikuläre Trägersysteme

Zylindrische Polymerbürsten mit pept(o)idischen Seitenketten sind auf Grund ihrer elongierten Topologie, Bioverträglichkeit und hohen Dichte an funktionellen Gruppen vielversprechende Kandidaten für Anwendungen im Bereich des kontrollierten Wirkstoff- bzw. Gentransportes.In dieser Arbeit wurden Polylysin und Polysarkosin als Bestandteile der Seitenketten verwendet. Polylysin dient als positiv geladener Polypeptidblock für die Komplexierung von Polynukleotiden. Polysarkosin reduziert mit seinem „Stealth“-Effekt die Toxizität des Trägersystems und vermindert Wechselwirkungen mit dem Immunsystem. Über den „grafting from“-Ansatz und mit Hilfe der ringöffnenden NCA-Polymerisation konnten erstmals zylindrische Bürsten mit reinen Polysarkosin-Seitenketten sowie mit amphiphilen Seitenketten aus einem Polylysinkern und einer Polysarkosinschale hergestellt werden. Die Bürsten wurden mittels Lichtstreuung, GPC, CD-Spektroskopie und AFM charakterisiert. Die hohe Biokompatibilität beider Bürsten konnte durch Toxizitätstests und dynamische Lichtstreuung in humanem Blutserum nachgewiesen werden.Die Polysarkosin-Bürsten konnten zusätzlich an den Seitenkettenenden mit Azidgruppen funktionalisiert werden, welche eine effektive Biokonjugation ermöglichen. Die zylindrischen Bürsten zeigten nach ihrer Modifikation keine unspezifische Aufnahme in dendritische Zellen und könnten somit als Ausgangssubstanzen für die Synthese polymerbasierter Antikörper-Antigen-Konjugate in der Krebsimmuntherapie verwendet werden.Die Kern-Schale-Bürsten konnten erfolgreich mit siRNA komplexiert werden, ohne dass dabei eine Aggregation auftrat. In ersten Gen-Knockdown-Experimenten zeigten ihre Komplexe eine signifikante Verminderung der ApoB100-Proteinexpression in AML-12 Hepatozyten und könnten daher zukünftig als Transfektionsmittel in der Gentherapie ihren Einsatz finden.

Interactions of gold nanoparticles with polymeric membranes

This thesis focuses on the interactions of nanoparticles with artificial membranes. The synthesis of the block copolymer poly(dimethylsiloxane)-block-poly(2-methyloxazoline) (PDMS-b-PMOXA) is described, as well as the formation of polymersomes in water. These polymersomes act as minimal cell models, consisting of an artificial bilayer membrane only, allowing the study of the interactions between nanoparticles and polymeric membranes. Both spherical and rod-shaped gold nanoparticles (AuNPs) were used in this study and they were characterized using light scattering (PCS), transmission electron microscopy (TEM), UV/Vis spectroscopy, and polarization anisotropy measurements. The polymer grafting on the spherical cores is asymmetric (shell asphericity) but is parallel to the inherent, due to polycrystallinity, core anisotropy, resulting in a characteristic scattering of the AuNPs in PCS.rnInteractions of polymersomes and AuNPs were investigated by PCS, cryo-TEM and UV/Vis. Three possible scenarios upon mixing of polymersomes and AuNPs can be distinguished by using only PCS: (i) no interactions between particles and vesicles, (ii) attachment of the particles to the outer side of the vesicles (decoration), and (iii) uptake of particles into the vesicles. It is shown that all three scenarios are possible, solely depending on the particle’s surface functionalization. In addition, it was revealed that the AuNPs need to be attached to the inner side of the membrane instead of diffusing freely within the vesicle. The present experimental findings essentially help with the understanding of the interactions of nanoparticles with membranes and show that the process of endocytosis can be attributed to physical processes only. rn

Magnetische Multischalenpartikel für den Transport von siRNA

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines nichtviralen, effizienten Transfektionsmittels mit einer Kern-Schale-Struktur in der Größenordnung bis 100 nm. Dafür werden magnetische, negativ geladene Eisenoxid-Nanopartikel mittels Thermolyse mit einem Durchmesser von 17 nm synthetisiert und in Wasser überführt. Diese Nanopartikel bilden den Kern des Erbgut-Trägers und werden mittels Layer-by-Layer –Verfahren (LbL) mit geladenen Polymeren, den bioabbaubaren Makromolekülen Poly-L-Lysin und Heparin, beschichtet. Dafür wird zunächst eine geeignete Apparatur aufgebaut. Diese wird zur Herstellung von Kern-Schale-Strukturen mit fünf Polyelektrolytschichten verwendet und liefert Partikel mit einem hydrodynamischen Durchmesser von 58 nm, die bei Abwesenheit von niedermolekularem Salz aggregatfrei sind. Das System wird gegen Salz stabilisiert, indem die letzte Poly-L-Lysin-Schicht mit Polyethylenglycol modifiziert wird. Die so entstandenen Multischalenpartikel zeigen weder im PBS-Puffer noch in humanem Serum Aggregation. Mittels winkelabhängiger dynamischer Lichtstreuung wird die Aggregatbildung kontrolliert, während ζ-Potential-Messungen die Kontrolle der Oberflächenladung erlauben.rnDa siRNA auf Grund ihres negativ geladenen Phosphat-Rückgrats ebenfalls ein Polyelektrolyt ist, wird sie aggregatfrei auf die positiv geladenen PLL-Nanopartikel aufgetragen. Die eingesetzte siRNA ist farbstoffmarkiert, um eine Detektion in vitro zu ermöglichen. Jedoch sind die entstandenen Komplexe mittels Fluoreszenzkorrelations-spektroskopie (FCS) nicht nachweisbar. Auch die Fluoreszenzmarkierung der PEGylierten Außenschale mittels kupferfreier Click-Chemie ist in der FCS nicht sichtbar, sodass eine Fluoreszenzauslöschung der Farbstoffe in den Multischalenpartikeln vermutet wird.rn

Polymer nanoparticles : their functionalization for biomedical applications and dynamics near an electrode

In this work, a method for the functionalization of biocompatible, poly(lactic acid)-based nanoparticles with charged moieties or fluorescent labels is presented. Therefore, a miniemulsion solvent evaporation procedure is used in which prepolymerized poly(L-lactic acid) is used together with a previously synthesized copolymer of methacrylic acid or a polymerizable dye, respectively, and an oligo(lactic acid) macromonomer. Alternatively, the copolymerization has been carried out in one step with the miniemulsion solvent evaporation. The increased stability in salty solutions of the carboxyl-modified nanoparticles compared to nanoparticles consisting of poly(lactic acid) only has been shown in light scattering experiments. The properties of the nanoparticles that were prepared with the separately synthesized copolymer were almost identical to those in which the copolymerization and particle fabrication were carried out simultaneously. During the characterization of the fluorescently labeled nanoparticles, the focus was on the stable bonding between the fluorescent dye and the rest of the polymer chain to ensure that none of it is released from the particles, even after longer storage time or during lengthy experiments. In a fluorescence correlation spectroscopy experiment, it could be shown that even after two weeks, no dye has been released into the solvent. Besides biomedical research for which the above described, functionalized nanoparticles were optimized, nanoparticles also play a role in coating technology. One possibility to fabricate coatings is the electrophoretic deposition of particles. In this process, the mobility of nanoparticles near electrode interfaces plays a crucial role. In this thesis, the nanoparticle mobility has been investigated with resonance enhanced dynamic light scattering (REDLS). A new setup has been developed in which the evanescent electromagnetic eld of a surface plasmon that propagates along the gold-sample interface has been used as incident beam for the dynamic light scattering experiment. The gold layer that is necessary for the excitation of the plasmon doubles as an electrode. Due to the penetration depth of the surface plasmon into the sample layer that is limited to ca. 200 nm, insights on the voltage- and frequency dependent mobility of the nanoparticles near the electrode could be gained. Additionally, simultaneous measurements at four different scattering angles can be carried out with this setup, therefore the investigation of samples undergoing changes is feasible. The results were discussed in context with the mechanisms of electrophoretic deposition.

Optische Experimente zur Untersuchung der Nichtgleichgewichtsdynamik kolloidaler Suspensionen

In der vorliegenden Forschungsarbeit wird die Konkurrenz von Kristallisation und Verglasung in metastabilen kolloidalen Hart-Kugel(HK)-Modellsystemen mit dynamischer und zeitaufgelöster statischer Lichtstreuung untersucht. Durch gleichzeitige Messungen mit beiden Methoden an derselben Probe gelang es, mit hoher Genauigkeit und aussagekräftiger Statistik nachzuweisen, dass in beiden Systemklassen eine starke Korrelation der strukturellen und dynamischen Eigenschaften vorliegt und diese Korrelation zu quantifizieren. Ein zentraler Teil der Arbeit bestand in dem Aufbau einer geeigneten Lichtstreuanlage mit der erstmalig Messungen der Dynamik und der Struktur simultan an derselben nicht-ergodischen Probe durchgeführt werden konnten. Für die dynamische Lichtstreuung wurde ein Flächendetektor (CCD-Kamera) verwendet. In Kombination mit einer speziellen Detektionsoptik ermöglicht dies, die gleichzeitige Detektion von Streulicht aus unterschiedlichen Probenbereichen (Subensembles). Damit kann gleichzeitig die Dynamik in unterschiedlichen Subensembles mit einer Auflösung von 15,8x15,8µm2 untersucht werden. Die Lichtstreuanlage wurde ausführlich charakterisiert und ihre korrekte Funktionsweise mithilfe von Vergleichsmessungen an etablierten Lichtstreuanlagen bestätigt. Die zeitliche Entwicklung der Dynamik und der Struktur von metastabilen Proben wurde unterhalb, am und oberhalb des Glasübergangs quantifiziert. Dabei zeigte das untersuchte kolloidale HK-Modellsystem alle typischen Eigenschaften eines HK-Systems. Die kristallisierenden Proben zeigten das etablierte zweistufige Kristallisationsszenario mit entsprechender Kristallisationskinetik und die Glasproben zeigten das erwartete Alterungsverhalten. Bei dem zweistufigen Kristallisationsszenario kommt es zuerst zur Nukleation einer metastabilen Zwischenphase von sogenannten Precursorn. In einer zweiten Stufe bilden sich Kristallite innerhalb dieser Precursor. Durch Vergleich zwischen kristallisierenden und verglasenden Proben konnte auch während der Verglasung die Bildung von Precursorn beobachtet werden. Die Korrelation zwischen der Anzahl an Precursorn und der Partikeldynamik legt die Vermutung nahe, dass das immer noch unverstandene Phänomen der Alterung von Gläsern mit der Bildung von Precursorn zusammenhängt. Verhinderte Kristallisation führt zu einer starken Verlangsamung der Partikeldynamik. Die Partikeldynamik einer Probe am Glasübergang zeigt, dass die Probe vor Einsetzen der Kristallisation eine glasartige Dynamik aufwies. Dies legt die Vermutung nahe, dass einkomponentige kolloidale HK-Gläser den Gleichgewichtszustand (Kristall) auf langen Zeitskalen erreichen können. Durch die Untersuchung der Partikeldynamik von metastabilen Proben in einzelnen Subensembles konnte eine heterogene Verteilung der Partikeldynamik nachgewiesen werden. Es existieren Bereiche, in denen die Partikeldynamik schneller oder langsamer ist als in anderen Bereichen. Gleichzeitig zeigen die Messungen der strukturellen Eigenschaften, dass metastabile Proben auch heterogen bezüglich ihrer Struktur sind. Mithilfe dieser Messungen konnte die zeitliche Entwicklung des Anteils an langsamen Partikeln und des Anteils an Partikeln innerhalb von Objekten höherer Ordnung (Precursor/Kristallite) bestimmt werden. Es zeigte sich eine direkte Korrelation zwischen dem Anteil an langsamen Partikeln und dem Anteil an Partikeln in Objekten höherer Ordnung. Die Untersuchung der Dynamik und der Struktur in einzelnen Subensembles lieferte einen weiteren Hinweis darauf, dass Subensembles, in denen eine stärker ausgeprägte strukturelle Ordnung vorliegt, auch bevorzugt eine langsamere Partikeldynamik aufweisen.

FaSSIF-C, a Cholesterol containing biorelevant intestinal model medium for development and test of oral drug formulations

Biorelevante Medien sind entwickelt worden, um die Bedingungen im Magen-Darm-Trakt vor und nach der Mahlzeit zu imitieren. Mit FaSSIF und FeSSIF wurden Medien eingeführt, die nicht nur die pH- und Puffer-Kapazität des Dünndarms widerspiegeln, sondern auch Lipid und physiologische Tensid-Arten enthalten. Diese Medien (FaSSIF-V2 und FaSSlFmod6.5) wurden für Bioverfügbarkeitstudien in der Medikamentenentwicklung im Laufe der Jahre kontinuierlich weiterentwickelt. Dennoch sind die auf dem Markt verfügbaren Medien immer noch nicht in der Lage, die realen physiologischen Bedingungen zu simulieren. In der jetzigen Zusammensetzung sind nicht alle Kompetenten enthalten, welche natürlicher Weise im Duodenum vorkommen. Darüber hinaus wird nur eine 1:5 Verdünnung von FeSSIF zu FaSSIF angenommen, die individuelle Wasserzufuhr bei Medikamentengabe wird hierdurch jedoch nur eingeschränkt simuliert, obwohl diese von Patient zu Patient schwanken kann. rnZiel dieser Dissertation war die Verbesserung der Vorhersage der Auflösung und Absorption lipophiler Arzneistoffe durch Simulation der Bedingungen im zweiten Teil des Zwölffingerdarms mit neuen biorelevanten Medien, sowie unter Einwirkung zusätzlicher Detergention als Wirkstoffträger. rnUm den Effekt der Verdünnungsrate und Zeit im Dünndarm zu untersuchen, wurde die Entwicklung der Nanopartikel in der Magen-Darm-Flüssigkeit FaSSIFmod6.5 zu verschiedenen Zeitpunkten und Wassergehalten untersucht. Dafür wurden kinetische Studien an verschieden konzentrierten Modellmedien nach Verdünnungssprung untersucht. Das Modell entspricht der Vermischung der Gallenflüssigkeit mit dem Darminhalt bei variablem Volumen. Die Ergebnisse zeigen, dass Art und Größe der Nanopartikel stark von Verdünnung und Einirkungszeit abhängen. rnrnDie menschliche Darmflüssigkeit enthält Cholesterin, welches in allen früheren Modellmedien fehlt. Daher wurden biokompatible und physiologische Modellflüssigkeiten, FaSSIF-C, entwickelt. Der Cholesteringehalt von FaSSIF - 7C entspricht der Gallenflüssigkeit einer gesunden Frau, FaSSIF - 10C der einer gesunden männlichen Person und FaSSIF - 13C der in einigen Krankheitszuständen. Die intestinale Teilchen-Struktur-Untersuchung mit dynamische Lichtstreuung (DLS) und Neutronen-Kleinwinkelstreuung (SANS) ergab, dass die Korngröße von Vesikeln mit zunehmender Cholesterin-Konzentration abnahm. Zu hohe Cholesterin-Konzentration bewirkte zusätzlich sehr große Partikel, welche vermutlich aus Cholesterin-reichen “Disks“ bestehen. Die Löslichkeiten einiger BCS Klasse II Wirkstoffe (Fenofibrat, Griseofulvin, Carbamazepin, Danazol) in diesen neuen Medien zeigten, dass die Löslichkeit in unterschiedlicher Weise mit der Cholesteringehalt zusammen hing und dieser Effekt selektiv für die Droge war. rnDarüber hinaus wurde die Wirkung von einigen Tensiden auf die kolloidale Struktur und Löslichkeit von Fenofibrat in FaSSIFmod6.5 und FaSSIF -7C untersucht. Struktur und Löslichkeit waren Tensid- und Konzentrations-abhängig. Im Falle von FaSSIFmod6.5 zeigten die Ergebnisse eine dreifache Verzweigung der Lösungswege. Im Bereich mittlerer Tensidkonzentration wurde eine Löslichkeitslücke der Droge zwischen der Zerstörung der Galle-Liposomen und der Bildung von Tensid-reichen Mizellen beobachtet. In FaSSIF - 7C, zerstörten Tenside in höherer Konzentration die Liposomenstruktur trotz der allgemeinen Stabilisierung der Membranen durch Cholesterin. rnDie in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse ergeben, dass die Anwesenheit von Cholesterin als eine fehlende Komponente der menschlichen Darmflüssigkeit in biorelevanten Medien wichtig ist und dazu beitragen kann, das in vivo Verhalten schwerlöslicher Arzneistoffe im Körper besser vorhersagen zu können. Der Verdünnungsgrad hat einen Einfluss auf die Nanopartikel-Struktur und Tenside beeinflussen die Löslichkeit von Medikamenten in biorelevanten Medien: Dieser Effekt ist sowohl von der Konzentration das Tensids abhängig, als auch dessen Typ.rnrn

Identification of 48 homologues of phosphatidylethanol in blood by LC-ESI-MS/MS

Phosphatidylethanol (PEth) is an abnormal phospholipid carrying two fatty acid chains. It is only formed in the presence of ethanol via the action of phospholipase D (PLD). Its use as a biomarker for alcohol consumption is currently under investigation. Previous methods for the analysis of PEth included high-performance liquid chromatography (HPLC) coupled to an evaporative light scattering detector (ELSD), which is unspecific for the different homologues--improved methods are now based on time of flight mass spectrometry (TOF-MS) and tandem mass spectrometry (MS/MS). The intention of this work was to identify as many homologues of PEth as possible. A screening procedure using multiple-reaction monitoring (MRM) for the identified homologues has subsequently been established. For our investigations, autopsy blood samples collected from heavy drinkers were used. Phosphatidylpropanol 16:0/18:1 (internal standard) was added to the blood samples prior to liquid-liquid extraction using borate buffer (pH 9), 2-propanol and n-hexane. After evaporation, the samples were redissolved in the mobile phase and injected into the LC-MS/MS system. Compounds were separated on a Luna Phenyl Hexyl column (50 mm x 2 mm, 3 microm) by gradient elution, using 2 mM ammonium acetate and methanol/acetone (95/5; v/v). A total of 48 homologues of PEth could be identified by using precursor ion and enhanced product ion scans (EPI).

Immobilization and characterization of recombinant esterase enzyme on chitosan nanoparticles

Immobilization of biologically important molecules on myriad nano-sized materials has attracted great attention. Through this study, thermophilic esterase enzyme was obtained using recombinant DNA technology and purified applying one-step His-Select HF nickel affinity gel. The synthesis of chitosan was achieved from chitin by deacetylation process and degree of deacetylation was calculated as 89% by elemental analysis. Chitosan nanoparticles were prepared based on the ionic gelation of chitosan with tripolyphosphate anions. The physicochemical properties of the chitosan and chitosan nanoparticles were determined by several methods including SEM (Scanning Electron Microscopy), FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) and DLS (Dynamic Light Scattering). The morphology of chitosan nanoparticles was spherical and the nanospheres’ average diameter was 75.3 nm. The purified recombinant esterase was immobilized efficiently by physical adsorption onto chitosan nanoparticles and effects of various immobilization conditions were investigated in details to develope highly cost-effective esterase as a biocatalyst to be utilized in biotechnological purposes. The optimal conditions of immobilization were determined as follows; 1.0 mg/mL of recombinant esterase was immobilized on 1.5 mg chitosan nanoparticles for 30 min at 60°C, pH 7.0 under 100 rpm stirring speed. Under optimized conditions, immobilized recombinant esterase activity yield was 88.5%. The physicochemical characterization of enzyme immobilized chitosan nanoparticles was analyzed by SEM, FT-IR and AFM (Atomic Force Microscopy).

Self-assembling cannabinomimetics: supramolecular structures of N-alkyl amides

Certain fatty acid N-alkyl amides from the medicinal plant Echinacea activate cannabinoid type-2 (CB2) receptors. In this study we show that the CB2-binding Echinacea constituents dodeca-2E,4E-dienoic acid isobutylamide (1) and dodeca-2E,4E,8Z,10Z-tetraenoic acid isobutylamide (2) form micelles in aqueous medium. In contrast, micelle formation is not observed for undeca-2E-ene-8,10-diynoic acid isobutylamide (3), which does not bind to CB2, or structurally related endogenous cannabinoids, such as arachidonoyl ethanolamine (anandamide). The critical micelle concentration (CMC) range of 1 and 2 was determined by fluorescence spectroscopy as 200-300 and 7400-10000 nM, respectively. The size of premicelle aggregates, micelles, and supermicelles was studied by dynamic light scattering. Microscopy images show that compound 1, but not 2, forms globular and rod-like supermicelles with radii of approximately 75 nm. The self-assembling N-alkyl amides partition between themselves and the CB2 receptor, and aggregation of N-alkyl amides thus determines their in vitro pharmacological effects. Molecular mechanics by Monte Carlo simulations of the aggregation process support the experimental data, suggesting that both 1 and 2 can readily aggregate into premicelles, but only 1 spontaneously assembles into larger aggregates. These findings have important implications for biological studies with this class of compounds.

A Physically Based Transmission Model of Rough Surfaces

Transparent and translucent objects involve both light reflection and transmission at surfaces. This paper presents a physically based transmission model of rough surface. The surface is assumed to be locally smooth, and statistical techniques is applied to calculate light transmission through a local illumination area. We have obtained an analytical expression for single scattering. The analytical model has been compared to our Monte Carlo simulations as well as to the previous simulations, and good agreements have been achieved. The presented model has potential applications for realistic rendering of transparent and translucent objects.

Molecular mechanism by which the Escherichia coli nucleoid occlusion factor, SlmA, keeps cytokinesis in check

Cell division or cytokinesis is one of the most fundamental processes in biology and is essential for the propagation of all living species. In Escherichia coli, cell division occurs by ingrowth of the membrane envelope at the cell center and is orchestrated by the FtsZ protein. FtsZ self-assembles into linear protofilaments in a GTP dependent manner to form a cytoskeletal scaffold called the Z-ring. The Z-ring provides the framework for the assembly of the division apparatus and determines the site of cytokinesis. The total amount of FtsZ molecules in a cell significantly exceeds the concentration required for Z-ring formation. Hence, Z-ring formation must be highly regulated, both temporally and spatially. In particular, the assembly of Z-rings at the cell poles and over chromosomal DNA must be prevented. These inhibitory roles are played by two key regulatory systems called the Min and nucleoid occlusion (NO) systems. In E. coli, Min proteins oscillate from pole to pole; the net result of this oscillatory process is the formation of a zone of FtsZ inhibition at the cell poles. However, the replicated nucleoid DNA near the midcell must also be protected from bisection by the Z-ring which is ensured by NO. A protein called SlmA was shown to be the effector of NO in E. coli. SlmA was identified in a screen designed to isolate mutations that were lethal in the absence of Min, hence the name SlmA (synthetic lethal with a defective Min system). Furthers SlmA was shown to bind DNA and localize to the nucleoid fraction of the cell. Additionally, light scattering experiments suggested that SlmA interacts with FtsZ-GTP and alters its polymerization properties. Here we describe studies that reveal the molecular mechanism by which SlmA mediates NO in E. coli. Specifically, we determined the crystal structure of SlmA, identified its DNA binding site specificity, and mapped its binding sites on the E. coli chromosome by chromatin immuno-precipitation experiments. We went on to determine the SlmA-FtsZ structure by small angle X-ray scattering and examined the effect of SlmA-DNA on FtsZ polymerization by electron microscopy. Our combined data show how SlmA is able to disrupt Z-ring formation through its interaction with FtsZ in a specific temporal and spatial manner and hence prevent nucleoid guillotining during cell division.

Water-soluble fullerene (C60) derivatives as nonviral gene-delivery vectors.

A new class of water-soluble C60 transfecting agents has been prepared using Hirsch-Bingel chemistry and assessed for their ability to act as gene-delivery vectors in vitro. In an effort to elucidate the relationship between the hydrophobicity of the fullerene core, the hydrophilicity of the water-solubilizing groups, and the overall charge state of the C60 vectors in gene delivery and expression, several different C60 derivatives were synthesized to yield either positively charged, negatively charged, or neutral chemical functionalities under physiological conditions. These fullerene derivatives were then tested for their ability to transfect cells grown in culture with DNA carrying the green fluorescent protein (GFP) reporter gene. Statistically significant expression of GFP was observed for all forms of the C60 derivatives when used as DNA vectors and compared to the ability of naked DNA alone to transfect cells. However, efficient in vitro transfection was only achieved with the two positively charged C60 derivatives, namely, an octa-amino derivatized C60 and a dodeca-amino derivatized C60 vector. All C60 vectors showed an increase in toxicity in a dose-dependent manner. Increased levels of cellular toxicity were observed for positively charged C60 vectors relative to the negatively charged and neutral vectors. Structural analyses using dynamic light scattering and optical microscopy offered further insights into possible correlations between the various derivatized C60 compounds, the C60 vector/DNA complexes, their physical attributes (aggregation, charge) and their transfection efficiencies. Recently, similar Gd@C60-based compounds have demonstrated potential as advanced contrast agents for magnetic resonance imaging (MRI). Thus, the successful demonstration of intracellular DNA uptake, intracellular transport, and gene expression from DNA using C60 vectors suggests the possibility of developing analogous Gd@C60-based vectors to serve simultaneously as both therapeutic and diagnostic agents.

Significant Contribution of Large Particles to Optical Backscattering in the Open Ocean

The light scattering properties of oceanic particles have been suggested as an alternative index of phytoplankton biomass than chlorophyll-a concentration (chl-a), with the benefit of being less sensitive to physiological forcings (e.g., light and nutrients) that alter the intracellular pigment concentrations. The drawback of particulate scattering is that it is not unique to phytoplankton. Nevertheless, field studies have demonstrated that, to first order, the particulate beam-attenuation coefficient (c(p)) can track phytoplankton biomass. The relationship between c(p) and the particulate backscattering coefficient (b(bp)), a property retrievable from space, has not been fully evaluated, largely due to a lack of open-ocean field observations. Here, we present extensive data on inherent optical properties from the Equatorial Pacific surface waters and demonstrate a remarkable coherence in b(bp) and c(p). Coincident measurements of particle size distributions (PSDs) and optical properties of size-fractionated samples indicate that this covariance is due to both the conserved nature of the PSD and a greater contribution of phytoplankton-sized particles to b(bp) than theoretically predicted. These findings suggest that satellite-derived b(bp)could provide similar information on phytoplankton biomass in the open ocean as c(p).

Remarks on higher-order hadronic corrections to the muon g-2

Recently, it was shown that insertions of hadronic vacuum polarization at O(α4) generate non-negligible effects in the calculation of the anomalous magnetic moment of the muon. This result raises the question if other hadronic diagrams at this order might become relevant for the next round of g−2 measurements as well. In this note we show that a potentially enhanced such contribution, hadronic light-by-light scattering in combination with electron vacuum polarization, is already sufficiently suppressed.