Investigations of cooperative interactions in template induced crystallization processes and kinetic studies of nucleation and growth by small-angle neutron scattering

Zusammenfassung Um zu einem besseren Verständnis des Prozesses der Biomineralisation zu gelangen, muss das Zusammenwirken der verschiedenen Typen biologischer Makromoleküle, die am Keimbildungs- und Wachstumsprozess der Minerale beteiligt sind, berücksichtigt werden. In dieser Arbeit wird ein neues Modellsystem eingeführt, das aus einem SAM (self-assembled monolayer) mit verschiedenen Funktionalitäten und unterschiedlichen, gelösten Makromolekülen besteht. Es konnte gezeigt werden, dass die Kristallisation von Vaterit (CaCO3) sowie Strontianit (SrCO3) Nanodrähten der Präsenz von Polyacrylat in Kooperation mit einer COOH-funktionalisierten SAM-Oberfläche zugeschrieben werden kann. Die Kombination bestehend aus einer polaren SAM-Oberfläche und Polyacrylat fungiert als Grenzfläche für die Struktur dirigierende Kristallisation von Nanodraht-Kristallen. Weiter konnte gezeigt werden, dass die Phasenselektion von CaCO3 durch die kooperative Wechselwirkung zwischen einer SAM-Oberfläche und einem daran adsorbierten hb-Polyglycerol kontrolliert wird. Auch die Funktionalität einer SAM-Oberfläche in Gegenwart von Carboxymethyl-cellulose übt einen entscheidenden Einfluss auf die Phasenselektion des entstehenden Produktes aus. In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen an CaCO3 zur homogenen Keimbildung, zur Nukleation in Gegenwart eines Proteins sowie auf Kolloiden, die als Template fungieren, mittels Kleinwinkel-Neutronenstreuung durchgeführt. Die homogene Kristallisation in wässriger Lösung stellte sich als ein mehrstufiger Prozess heraus. In Gegenwart des Eiweißproteins Ovalbumin konnten drei Phasen identifiziert werden, darunter eine anfänglich vorhandene amorphe sowie zwei kristalline Phasen.

Nanostructuring by templated synthesis of nanowires and controlled crystallization of calcium phosphate on self-assembled monolayers

The idea was to obtain nanowires in a chemical laboratory under convenient and simple conditions by employing templates. Thus it was possible to produce nanochains by interlinking of gold colloids synthesized by the two-phase-method of M. Brust with by making use of vanadiumoxide nanotubes as template. The length of the resulting nanowires is varying between 1100 nm and 200 nm with a diameter of about 16 nm. Due to a flexible linker the obtained nanowires are not completely rigid. These unique structural features could make them interesting objects for structuring and assembling in the nanoscale range. Another way to produce gold nanowires was realized by a two-step surface metallization procedure, using type I collagen fibres as a template. Gold colloids were used to label the collagen fibres by direct electrostatic interaction, followed by growth steps to enhance the size of the adsorbed colloidal gold crystals, resulting in a complete metallization of the template surface. The length of the resulting gold nanowires reaches several micrometers, with a diameter ~ 100 to 120 nm. To gain a deeper insight into the process of biomineralization the cooperative effect of self-assembled monolayers as substrate and a soluble counterpart on the nucleation and crystal growth of calcium phosphate was studied by diffusion techniques with a pH switch as initiator. As soluble component Perlucin and Nacrein were used. Both are proteins originally extracted from marine organisms, the first one from the Abalone shell and the second one from oyster pearls. Both are supposed to facilitate the calcium carbonate formation in vivo. Studies with Perlucin revealed that this protein shows a clear cooperative effect at a very low concentration with a hydrophobic surface promoting the calcium phosphate precipitation resulting in a sponge like structure of hydroxyapatite. The Perlucin molecule is very flexible and is unfolded by adsorbing to the hydrophobic surface and uncovers its active side. Hydrophilic surfaces did not have a deeper impact. Studies with Nacrein as additive have shown that the protein stabilizes octacalcium phosphate at room temperature on carboxylic self-assembled monolayer and at 34 °C on all other employed surfaces by interaction with the mineral. On the hydroxyl-, alkyl-, and amin-terminated self-assembled monolayers at room temperature the octacalcium phosphate get transformed to hydroxyapatite. Main analytical techniques which are used in this work are transmission electron microscopy, high resolution scanning electron microscopy, surface plasmon resonance spectroscopy, atomic force microscopy, Raman micro-spectroscopy and quartz crystal microbalance.

Nonclassical crystallization of bivalent metal carbonates

Nichtklassische Kristallisationen tragen heutzutage einen entscheidenden Anteil zum Verständnis von Biomineralisationsprozessen und anspruchsvoller Morphogenese in vitro bei. Die vorliegende Dissertation stellt drei neue Vertreter nichtklassischer Kristallisationen vor, die während der Fällung von Calciumcarbonat und verwandten zweiwertigen Carbonaten auftreten.rn(a) Zum ersten Male wird eine Symmetrie-brechende Phasenselektion von Calciumcarbonat beschrieben, die auf einem subtilen Wechselspiel von verketteten Gleichgewichten basiert und deren Ursache letztendlich der paritätsverletzenden Energiedifferenz (PVED) zugeschrieben wird. rn(b) Die interkristalline Minoritätskomponente eines Mesokristalles, seien es z.B. eingeschlossenes Proteine oder polymere Additive, erfahren eine Morphogenese im Sinne einer Formpressung. Dieser bislang wenig beachtete Effekt in Mesokristallen wurde zur Herstellung von Nanoröhren eingesetzt, die aus verschiedensten Materialien bestehen können (z.B. Calciumcarbonat oder Cadmiumsulfid).rn(c) Das Hauptaugenmerk dieser Dissertation liegt auf dem Auftreten eines flüssig-amorphen Intermediates während der Metallcarbonat-Präzipitation. Durch diffusionskontrollierte und kontaktfreie Versuchsführung konnte die Existenz eines solchen nichtklassischen, flüssigen Intermediates, welches der kristallinen Phase bei neutralen pH vorangeht, sicher nachgewiesen werden. rn

How different is water crystallization from polymer crystallization under confinement?

Ziel der vorliegenden Dissertation war es, Einblicke in das Kristallisationsverhalten weicher Materie („soft matter“), wie verschiedener Polymere oder Wasser, unter räumlicher Einschränkung („confinement“) zu erlangen. Dabei sollte untersucht werden, wie, weshalb und wann die Kristallisation in nanoporösen Strukturen eintritt. Desweiteren ist Kristallisation weicher Materie in nanoporösen Strukturen nicht nur aus Aspekten der Grundlagenforschung von großem Interesse, sondern es ergeben sich zahlreiche praktische Anwendungen. Durch die gezielte Steuerung der Kristallinität von Polymeren könnten somit Materialien mit verschiendenen mechanischen und optischen Eigenschaften erhalten werden. Desweiteren wurde auch räumlich eingeschränktes Wasser untersucht. Dieses spielt eine wichtige Rolle in der Molekularbiologie, z.B. für das globuläre Protein, und als Wolkenkondensationskeime in der Atmosphärenchemie und Physik. Auch im interstellaren Raum ist eingeschränktes Wasser in Form von Eispartikeln anzutreffen. Die Kristallisation von eingeschränktem Wasser zu verstehen und zu beeinflussen ist letztlich auch für die Haltbarkeit von Baumaterialien wie etwa Zement von großem Interesse.rnUm dies zu untersuchen wird Wasser in der Regel stark abgekühlt und das Kristallisationsverhalten in Abhängigkeit des Volumens untersucht. Dabei wurde beobachtet, dass Mikro- bzw. Nanometer große Volumina erst ab -38 °C bzw. -70 °C kristallisieren. Wasser unterliegt dabei in der Regel dem Prozess der homogenen Nukleation. In der Regel gefriert Wasser aber bei höheren Temperaturen, da durch Verunreinigungen eine vorzeitige, heterogene Nukleation eintritt.rnDie vorliegende Arbeit untersucht die sachdienlichen Phasendiagramme von kristallisierbaren Polymeren und Wasser unter räumlich eingeschränkten Bedingungen. Selbst ausgerichtetes Aluminiumoxid (AAO) mit Porengrößen im Bereich von 25 bis 400 nm wurden als räumliche Einschränkung sowohl für Polymere als auch für Wasser gewählt. Die AAO Nanoporen sind zylindrisch und parallel ausgerichtet. Außerdem besitzen sie eine gleichmäßige Porenlänge und einen gleichmäßigen Durchmesser. Daher eignen sie sich als Modelsystem um Kristallisationsprozesse unter wohldefinierter räumlicher Einschränkung zu untersuchen.rnEs wurden verschiedene halbkristalline Polymere verwendet, darunter Poly(ethylenoxid), Poly(ɛ-Caprolacton) und Diblockcopolymere aus PEO-b-PCL. Der Einfluss der Porengröße auf die Nukleation wurde aus verschiedenen Gesichtspunkten untersucht: (i) Einfluss auf den Nukleationmechanismus (heterogene gegenüber homogener Nukleation), (ii) Kristallorientierung und Kristallinitätsgrad und (iii) Zusammenhang zwischen Kristallisationstemperatur bei homogener Kristallisation und Glasübergangstemperatur.rnEs konnte gezeigt werden, dass die Kristallisation von Polymeren in Bulk durch heterogene Nukleation induziert wird und das die Kristallisation in kleinen Poren hauptsächlich über homogene Nukleation mit reduzierter und einstellbarer Kristallinität verläuft und eine hohe Kristallorientierung aufweist. Durch die AAOs konnte außerdem die kritische Keimgröße für die Kristallisation der Polymere abgeschätzt werden. Schließlich wurde der Einfluss der Polydispersität, von Oligomeren und anderen Zusatzstoffen auf den Nukleationsmechanismus untersucht.rn4rnDie Nukleation von Eis wurde in den selben AAOs untersucht und ein direkter Zusammenhang zwischen dem Nukleationstyp (heterogen bzw. homogen) und der gebildeten Eisphase konnte beobachtet werden. In größeren Poren verlief die Nukleation heterogen, wohingegen sie in kleineren Poren homogen verlief. Außerdem wurde eine Phasenumwandlung des Eises beobachtet. In den größeren Poren wurde hexagonales Eis nachgewiesen und unter einer Porengröße von 35 nm trat hauptsächlich kubisches Eis auf. Nennenswerter Weise handelte es sich bei dem kubischem Eis nicht um eine metastabile sondern eine stabile Phase. Abschließend wird ein Phasendiagramm für räumlich eingeschränktes Wasser vorgeschlagen. Dieses Phasendiagramm kann für technische Anwendungen von Bedeutung sein, so z.B. für Baumaterial wie Zement. Als weiteres Beispiel könnten AAOs, die die heterogene Nukleation unterdrücken (Porendurchmesser ≤ 35 nm) als Filter für Reinstwasser zum Einsatz kommen.rnNun zur Anfangs gestellten Frage: Wie unterschiedlich sind Wasser und Polymerkristallisation voneinander unter räumlicher Einschränkung? Durch Vergleich der beiden Phasendiagramme kommen wir zu dem Schluss, dass beide nicht fundamental verschieden sind. Dies ist zunächst verwunderlich, da Wasser ein kleines Molekül ist und wesentlich kleiner als die kleinste Porengröße ist. Wasser verfügt allerdings über starke Wasserstoffbrückenbindungen und verhält sich daher wie ein Polymer. Daher auch der Name „Polywasser“.

2D and 3D crystallization of a bacterial homologue of human vitamin C membrane transport proteins

Most organisms are able to synthesize vitamin C whereas humans are not. In order to contribute to the elucidation of the molecular working mechanism of vitamin C transport through biological membranes, we cloned, overexpressed, purified, functionally characterized, and 2D- and 3D-crystallized a bacterial protein (UraDp) with 29% of amino acid sequence identity to the human sodium-dependent vitamin C transporter 1 (SVCT1). Ligand-binding experiments by scintillation proximity assay revealed that uracil is a substrate preferably bound to UraDp. For structural analysis, we report on the production of tubular 2D crystals and present a first projection structure of UraDp from negatively stained tubes. On the other hand the successful growth of UraDp 3D crystals and their crystallographic analysis is described. These 3D crystals, which diffract X-rays to 4.2Å resolution, pave the way towards the high-resolution crystal structure of a bacterial homologue with high amino acid sequence identity to human SVCT1.

Toxicity of eosinophil MBP is repressed by intracellular crystallization and promoted by extracellular aggregation.

Eosinophils are white blood cells that function in innate immunity and participate in the pathogenesis of various inflammatory and neoplastic disorders. Their secretory granules contain four cytotoxic proteins, including the eosinophil major basic protein (MBP-1). How MBP-1 toxicity is controlled within the eosinophil itself and activated upon extracellular release is unknown. Here we show how intragranular MBP-1 nanocrystals restrain toxicity, enabling its safe storage, and characterize them with an X-ray-free electron laser. Following eosinophil activation, MBP-1 toxicity is triggered by granule acidification, followed by extracellular aggregation, which mediates the damage to pathogens and host cells. Larger non-toxic amyloid plaques are also present in tissues of eosinophilic patients in a feedback mechanism that likely limits tissue damage under pathological conditions of MBP-1 oversecretion. Our results suggest that MBP-1 aggregation is important for innate immunity and immunopathology mediated by eosinophils and clarify how its polymorphic self-association pathways regulate toxicity intra- and extracellularly.

Lipidic cubic phases: A novel concept for the crystallization of membrane proteins

Understanding the mechanisms of action of membrane proteins requires the elucidation of their structures to high resolution. The critical step in accomplishing this by x-ray crystallography is the routine availability of well-ordered three-dimensional crystals. We have devised a novel, rational approach to meet this goal using quasisolid lipidic cubic phases. This membrane system, consisting of lipid, water, and protein in appropriate proportions, forms a structured, transparent, and complex three-dimensional lipidic array, which is pervaded by an intercommunicating aqueous channel system. Such matrices provide nucleation sites (“seeding”) and support growth by lateral diffusion of protein molecules in the membrane (“feeding”). Bacteriorhodopsin crystals were obtained from bicontinuous cubic phases, but not from micellar systems, implying a critical role of the continuity of the diffusion space (the bilayer) on crystal growth. Hexagonal bacteriorhodopsin crystals diffracted to 3.7 Å resolution, with a space group P63, and unit cell dimensions of a = b = 62 Å, c = 108 Å; α = β = 90° and γ = 120°.

Crystallization and identification of an assembly defect of recombinant antenna complexes produced in transgenic tobacco plants

A chimeric Lhcb gene encoding light-harvesting chlorophyll a/b-binding protein (LHCII) was expressed in transgenic tobacco plants. To separate native from recombinant LHCII, the protein was extended by six histidines at its C terminus. Recombinant LHCII was isolated by detergent-mediated monomerization of pure trimers followed by affinity-chromatography on Ni2+-NTA-agarose (NTA is nitrilotriacetic acid). Elution with imidazole yielded recombinant monomers that formed trimers readily after dilution of the detergent without further in vitro manipulations. LHCII subunits showed the typical chlorophyll a/b ratio at all steps of purification indicating no significant loss of pigments. Transgenic tobacco overexpressed amounts of recombinant protein that corresponded to about 0.7% of total LHCII. This yield suggested that expression in planta might be an alternative to the expression of eukaryotic membrane proteins in yeast. Recombinant LHCII was able to form two-dimensional crystals after addition of digalactolipids, which diffracted electrons to 3.6-Å resolution. LHCII carrying a replacement of Arg-21 with Gln accumulated to only 0.004% of total thylakoid proteins. This mutant was monomeric in the photosynthetic membrane probably due to the deletion of the phosphatidylglycerol binding site and was degraded by the plastidic proteolytic system. Exchange of Asn-183 with Leu impaired LHCII biogenesis in a similar way presumably due to the lack of a chlorophyll a binding site.

Three quaternary structures for a single protein.

The structure of a multisubunit protein (immunoglobulin light chain) was solved in three crystal forms, differing only in the solvent of crystallization. The three structures were obtained at high ionic strength and low pH, high ionic strength and high pH, and low ionic strength and neutral pH. The three resulting "snapshots" of possible structures show that their variable-domain interactions differ, reflecting their stabilities under specific solvent conditions. In the three crystal forms, the variable domains had different rotational and translational relationships, whereas no alteration of the constant domains was found. The critical residues involved in the observed effect of the solvent are tryptophans and histidines located between the two variable domains in the dimeric structure. Tryptophan residues are commonly found in interfaces between proteins and their subunits, and histidines have been implicated in pH-dependent conformation changes. The quaternary structure observed for a multisubunit protein or protein complex in a crystal may be influenced by the interactions of the constituents within the molecule or complex and/or by crystal packing interactions. The comparison of buried surface areas and hydrogen bonds between the domains forming the molecule and between the molecules forming the crystals suggest that, for this system, the interactions within the molecule are most likely the determining factors.

The production, purification and crystallization of a pocilloporin pigment from a reef-forming coral

Reef-building corals contain fluorescent pigments termed pocilloporins that function by regulating the light environment of coral and acting as a photoprotectant in excessive sunlight. These pocilloporins are related to the monomeric green fluorescent protein and the tetrameric DsRed fluorescent proteins, which have widespread use as biotechnological tools. An intensely blue-coloured pocilloporin, termed Rtms5, was expressed in Escherichia coli, purified and crystallized. Rtms5 was shown to be tetrameric, with deep blue crystals that diffract to 2.2 Angstrom resolution and belong to space group I4(1)22. The colour of this pocilloporin was observed to be sensitive to pH and a yellow (pH 3.5) and a red form (pH 4.5) of Rtms5 were also crystallized. These crystals belong to space group P4(2)22 and diffract to 2.4 Angstrom resolution or better.

Crystallization of Arabidopsis thaliana acetohydroxyacid synthase in complex with the sulfonylurea herbicide chlorimuron ethyl

Acetohydroxyacid synthase (AHAS; EC 2.2.1.6) catalyses the formation of 2-acetolactate and 2-aceto-2-hydroxybutyrate as the first step in the biosynthesis of the branched-chain amino acids valine, leucine and isoleucine. The enzyme is inhibited by a wide range of substituted sulfonylureas and imidazolinones and many of these compounds are used as commercial herbicides. Here, the crystallization and preliminary X-ray diffraction analysis of the catalytic subunit of Arabidopsis thaliana AHAS in complex with the sulfonylurea herbicide chlorimuron ethyl are reported. This is the first report of the structure of any plant protein in complex with a commercial herbicide. Crystals diffract to 3.0 Angstrom resolution, have unit-cell parameters a = b = 179.92, c = 185.82 Angstrom and belong to space group P6(4)22. Preliminary analysis indicates that there is one monomer in the asymmetric unit and that these are arranged as pairs of dimers in the crystal. The dimers form a very open hexagonal lattice, with a high solvent content of 81%.

Crystallization and preliminary X-ray analysis of sulfite dehydrogenase from Stargeya novella

Crystals of purified heterodimeric sulfite dehydrogenase from Starkeya novella have been grown using vapour diffusion. X-ray diffraction data have been collected from crystals of the native protein at lambda=1.0 Angstrom and close to the iron absorption edge at lambda=1.737 Angstrom. The crystals belong to space group P2(1)2(1)2, with unit-cell parameters a=97.5, b=92.5, c=55.9 Angstrom. Native data have been recorded to 1.8 Angstrom resolution and Fe-edge data to 2.5 Angstrom.

Crystallization and preliminary x-ray diffraction analysis of the unliganded human growth hormone receptor

The crystal structure of the extracellular domain of growth hormone receptor complexed to its ligand, growth hormone, has been known since 1992. However, no information exists for the unliganded form of the receptor. The human growth hormone receptor's extracellular ligand-binding domain, encompassing amino-acid residues 1 - 238, has been expressed in Escherichia coli, purified by anion ion-exchange chromatography and crystallized in its unliganded state by the hanging-drop vapour-diffusion method in 100 mM HEPES pH 7.0 containing 27.5%(w/v) PEG 5000 monomethyl ether and 200 mM ammonium sulfate as the co-precipitants. The crystals belong to the othorhombic space group C222(1), have unit-cell parameters a = 99.7, b = 112.2, c = 93.2 Angstrom and diffract to 2.5 Angstrom resolution using synchrotron radiation. The crystal structure will shed light on the nature of any conformation changes that occur upon ligand binding and will provide information to develop potential low-molecular-weight agonists/antagonists to treat clinical diseases in which the growth hormone receptor is implicated.

Crystallization and preliminary X-ray diffraction analysis of importin-alpha acomplexed with NLS peptidomimetics

Importin-alpha is the nuclear import receptor that recognizes cargo proteins with nuclear localization sequences (NLSs). Tile study of NLS peptidomimetics can provide a better understanding of the requirements for the molecular recognition of cargo proteins by importin-alpha, and potentially engender a large number of applications in medicine. Importin-a was crystallized with a set of six NLS peptidomimetics, and X-ray diffraction data were collected in the range 2.1-2.5 angstrom resolution. Preliminary electron density calculations show that the ligands are present in the crystals. (c) 2005 Elsevier B.V All rights reserved.

Purification and crystallization of the hydroxylase component of the methanesulfonate monooxygenase from Methylosulfonomonas methylovora strain M2

The aim of the work described in this paper was two-fold: (1) the purification of the hydroxylase component of the MSAMO to electrophoretic homogeneity using a four-step chromatographic strategy and (2) the crystallization of the two-component hydroxylase of the MSAMO in order to enhance our understanding of the precise three-dimensional structure of the MSAMO, thus yielding an insight into the nature of the active site of this enzyme. Optimised crystallization conditions were identified allowing growth of crystals of the hydroxylase component of the MSAMO within five days. Crystals exhibited a brown colour suggesting the presence on an intact Rieske-iron sulfur centre and diffracted to 7.0 Å when a few degrees of data were evaluated on a beam line X11. © 2006 Elsevier Inc. All rights reserved.