Planktonic potential CO2 emission calculation: preliminary results by applying an adapted enzymatic methodology to marine ecosystems

[EN]Isocitrate Dehydrogenase (IDH) is a key enzyme in the Krebs cycle, being responsible for the production of one of the three CO2 molecules related to cellular respiration. In order to measure the potential CO2 production linked to the marine planktonic community we have adapted an enzymatic methodology. Preliminary results show that different proportions of autotrophs, heterotrophs and mixotrophs and their metabolic pathways, lead to different relationships between potential CO2 emission and potential O2 consumption during cellular respiration. Although more experiments need to be made, this methodology is leading to a better understanding of cellular respiration in marine samples and their impact on the food chain, vertical Carbon flux and the current sequestering capacity for anthropogenic CO2.

Study of apoptotic deletion mediated by Bifidobacterium longum with construction of recombinant strains for Serpin encoding gene and phenotypes comparison in a pig cell model

The first part of the research project of the Co-Advisorship Ph.D Thesis was aimed to select the best Bifidobacterium longum strains suitable to set the basis of our study. We were looking for strains with the abilities to colonize the intestinal mucosa and with good adhesion capacities, so that we can test these strains to investigate their ability to induce apoptosis in “damaged” intestinal cells. Adhesion and apoptosis are the two process that we want to study to better understand the role of an adhesion protein that we have previously identified and that have top scores homologies with the recent serpin encoding gene identified in B. longum by Nestlè researchers. Bifidobacterium longum is a probiotic, known for its beneficial effects to the human gut and even for its immunomodulatory and antitumor activities. Recently, many studies have stressed out the intimate relation between probiotic bacteria and the GIT mucosa and their influence on human cellular homeostasis. We focused on the apoptotic deletion of cancer cells induced by B. longum. This has been valued in vitro, performing the incubation of three B.longum strains with enterocyte-like Caco- 2 cells, to evidence DNA fragmentation, a cornerstone of apoptosis. The three strains tested were defined for their adhesion properties using adhesion and autoaggregation assays. These features are considered necessary to select a probiotic strain. The three strains named B12, B18 and B2990 resulted respectively: “strong adherent”, “adherent” and “non adherent”. Then, bacteria were incubated with Caco-2 cells to investigate apoptotic deletion. Cocultures of Caco-2 cells with B. longum resulted positive in DNA fragmentation test, only when adherent strains were used (B12 and B18). These results indicate that the interaction with adherent B. longum can induce apoptotic deletion of Caco-2 cells, suggesting a role in cellular homeostasis of the gastrointestinal tract and in restoring the ecology of damaged colon tissues. These results were used to keep on researching and the strains tested were used as recipient of recombinant techniques aimed to originate new B.longum strains with enhanced capacity of apoptotic induction in “damaged” intestinal cells. To achieve this new goal it was decided to clone the serpin encoding gene of B. longum, so that we can understand its role in adhesion and apoptosis induction. Bifidobacterium longum has immunostimulant activity that in vitro can lead to apoptotic response of Caco-2 cell line. It secretes a hypothetical eukaryotic type serpin protein, which could be involved in this kind of deletion of damaged cells. We had previously characterised a protein that has homologies with the hypothetical serpin of B. longum (DD087853). In order to create Bifidobacterium serpin transformants, a B. longum cosmid library was screened with a PCR protocol using specific primers for serpin gene. After fragment extraction, the insert named S1 was sub-cloned into pRM2, an Escherichia coli - Bifidobacterium shuttle vector, to construct pRM3. Several protocols for B. longum transformation were performed and the best efficiency was obtained using MRS medium and raffinose. Finally bacterial cell supernatants were tested in a dotblot assay to detect antigens presence against anti-antitrypsin polyclonal antibody. The best signal was produced by one starin that has been renamed B. longum BLKS 7. Our research study was aimed to generate transformants able to over express serpin encoding gene, so that we can have the tools for a further study on bacterial apoptotic induction of Caco-2 cell line. After that we have originated new trasformants the next step to do was to test transformants abilities when exposed to an intestinal cell model. In fact, this part of the project was achieved in the Department of Biochemistry of the Medical Faculty of the University of Maribor, guest of the abroad supervisor of the Co-Advisorship Doctoral Thesis: Prof. Avrelija Cencic. In this study we examined the probiotic ability of some bacterial strains using intestinal cells from a 6 years old pig. The use of intestinal mammalian cells is essential to study this symbiosis and a functional cell model mimics a polarised epithelium in which enterocytes are separated by tight junctions. In this list of strains we have included the Bifidobacterium longum BKS7 transformant strain that we have previously originated; in order to compare its abilities. B. longum B12 wild type and B. longum BKS7 transformant and eight Lactobacillus strains of different sources were co-cultured with porcine small intestine epithelial cells (PSI C1) and porcine blood monocytes (PoM2) in Transwell filter inserts. The strains, including Lb. gasseri, Lb. fermentum, Lb. reuterii, Lb. plantarum and unidentified Lactobacillus from kenyan maasai milk and tanzanian coffee, were assayed for activation of cell lines, measuring nitric oxide by Griess reaction, H202 by tetramethylbenzidine reaction and O2 - by cytochrome C reduction. Cytotoxic effect by crystal violet staining and induction on metabolic activity by MTT cell proliferation assay were tested too. Transepithelial electrical resistance (TER) of polarised PSI C1 was measured during 48 hours co-culture. TER, used to observe epithelium permeability, decrease during pathogenesis and tissue becomes permeable to ion passive flow lowering epithelial barrier function. Probiotics can prevent or restore increased permeability. Lastly, dot-blot was achieved against Interleukin-6 of treated cells supernatants. The metabolic activity of PoM2 and PSI C1 increased slightly after co-culture not affecting mitochondrial functions. No strain was cytotoxic over PSI C1 and PoM2 and no cell activation was observed, as measured by the release of NO2, H202 and O2 - by PoM2 and PSI C1. During coculture TER of polarised PSI C1 was two-fold higher comparing with constant TER (~3000 ) of untreated cells. TER raise generated by bacteria maintains a low permeability of the epithelium. During treatment Interleukin-6 was detected in cell supernatants at several time points, confirming immunostimulant activity. All results were obtained using Lactobacillus paracasei Shirota e Carnobacterium divergens as controls. In conclusion we can state that both the list of putative probiotic bacteria and our new transformant strain of B. longum are not harmful when exposed to intestinal cells and could be selected as probiotics, because can strengthen epithelial barrier function and stimulate nonspecific immunity of intestinal cells on a pig cell model. Indeed, we have found out that none of the strains tested that have good adhesion abilities presents citotoxicity to the intestinal cells and that non of the strains tested can induce cell lines to produce high level of ROS, neither NO2. Moreover we have assayed even the capacity of producing certain citokynes that are correlated with immune response. The detection of Interleukin-6 was assayed in all our samples, including B.longum transformant BKS 7 strain, this result indicates that these bacteria can induce a non specific immune response in the intestinal cells. In fact, when we assayed the presence of Interferon-gamma in cells supernatant after bacterial exposure, we have no positive signals, that means that there is no activation of a specific immune response, thus confirming that these bacteria are not recognize as pathogen by the intestinal cells and are certainly not harmful for intestinal cells. The most important result is the measure of Trans Epithelial Electric Resistance that have shown how the intestinal barrier function get strengthen when cells are exposed to bacteria, due to a reduction of the epithelium permeability. We have now a new strain of B. longum that will be used for further studies above the mechanism of apoptotic induction to “damaged cells” and above the process of “restoring ecology”. This strain will be the basis to originate new transformant strains for Serpin encoding gene that must have better performance and shall be used one day even in clinical cases as in “gene therapy” for cancer treatment and prevention.

Semicelle SOFC: studio e produzione di elettroliti con processi a basso impatto ambientale

Le celle a combustibile ad ossido solido (SOFC) sono dei sistemi elettrochimici in grado di trasformare direttamente l’energia chimica di un combustibile (generalmente H2) e di un comburente (O2) in energia elettrica, senza l’intervento intermedio di un ciclo termico. Le SOFCs rappresentano un sistema energetico pulito, efficiente e sicuro, tuttavia questa tecnologia presenta costi di produzione ancora elevati e necessita di un maggiore sviluppo. L’argomento della presente tesi si colloca nell’ambito dello studio e realizzazione di materiali per l’elettrolita di SOFCs ed il contributo scientifico che si propone di fornire trova spazio nella necessità di migliorare la sinterizzazione di tali materiali e nell’ottimizzazione dei processi di formatura per produzioni facilmente scalabili a livello industriale con costo contenuto ed ecocompatibili. L’approccio di ricerca adottato è stato quello di approfondire le conoscenze relative ad un ossido di cerio drogato con gadolinio (GDC), scelto come elettrolita, cercando di comprendere su quali parametri intervenire per promuovere la densificazione ed ottimizzare il seguente processo di formatura. La ricerca si è articolata nei seguenti punti: a) Studio del processo di sinterizzazione in relazione alle caratteristiche morfologiche delle polveri di GDC pura ed esaminando l’influenza dell’ossido di rame, aggiunto come drogante, sul comportamento in sinterizzazione e microstruttura finale. I risultati indicano che il processo di sinterizzazione è enormemente influenzato dalla presenza del CuO, dalla sua morfologia e dalla procedura usata per il drogaggio b) Realizzazione di un inchiostro serigrafico a base di GDC in matrice acquosa da depositare su anodi in verde. La serigrafia rappresenta un’importante tecnica di formatura, facilmente adattabile ad una produzione industriale, con cui è possibile ottenere film di GDC densi. L’ottimizzazione dei processi in matrice acquosa porta un enorme contributo per la diminuzione dei costi di produzione e per la realizzazione di un processo maggiormente ecocompatibile. Questo obiettivo è stato raggiunto con la corretta scelta e caratterizzazione di tutti gli additivi di formatura c) Assemblaggio della semicella SOFC anodo supportante e relativo trattamento in co-firing. La messa a punto di un idoneo ciclo di burn out degli organici ha contribuito a preservare l’integrità ed omogeneità dei film depositati che dopo sinterizzazione risultano perfettamente densi e privi di cricche.

Caratterizzazione di membrane metalliche e ionomeriche per applicazioni energetiche

The work of this thesis has been focused on the characterization of metallic membranes for the hydrogen purification from steam reforming process and also of perfluorosulphonic acid ionomeric (PFSI) membranes suitable as electrolytes in fuel cell applications. The experimental study of metallic membranes was divided in three sections: synthesis of palladium and silver palladium coatings on porous ceramic support via electroless deposition (ELD), solubility and diffusivity analysis of hydrogen in palladium based alloys (temperature range between 200 and 400 °C up to 12 bar of pressure) and permeation experiments of pure hydrogen and mixtures containing, besides hydrogen, also nitrogen and methane at high temperatures (up to 600 °C) and pressures (up to 10 bar). Sequential deposition of palladium and silver on to porous alumina tubes by ELD technique was carried out using two different procedures: a stirred batch and a continuous flux method. Pure palladium as well as Pd-Ag membranes were produced: the Pd-Ag membranes’ composition is calculated to be close to 77% Pd and 23% Ag by weight which was the target value that correspond to the best performance of the palladium-based alloys. One of the membranes produced showed an infinite selectivity through hydrogen and relatively high permeability value and is suitable for the potential use as a hydrogen separator. The hydrogen sorption in silver palladium alloys was carried out in a gravimetric system on films produced by ELD technique. In the temperature range inspected, up to 400°C, there is still a lack in literature. The experimental data were analyzed with rigorous equations allowing to calculate the enthalpy and entropy values of the Sieverts’ constant; the results were in very good agreement with the extrapolation made with literature data obtained a lower temperature (up to 150 °C). The information obtained in this study would be directly usable in the modeling of hydrogen permeation in Pd-based systems. Pure and mixed gas permeation tests were performed on Pd-based hydrogen selective membranes at operative conditions close to steam-reforming ones. Two membranes (one produced in this work and another produced by NGK Insulators Japan) showed a virtually infinite selectivity and good permeability. Mixture data revealed the existence of non negligible resistances to hydrogen transport in the gas phase. Even if the decrease of the driving force due to polarization concentration phenomena occurs, in principle, in all membrane-based separation systems endowed with high perm-selectivity, an extensive experimental analysis lack, at the moment, in the palladium-based membrane process in literature. Moreover a new procedure has been introduced for the proper comparison of the mass transport resistance in the gas phase and in the membrane. Another object of study was the water vapor sorption and permeation in PFSI membranes with short and long side chains was also studied; moreover the permeation of gases (i.e. He, N2 and O2) in dry and humid conditions was considered. The water vapor sorption showed strong interactions between the hydrophilic groups and the water as revealed from the hysteresis in the sorption-desorption isotherms and thermo gravimetric analysis. The data obtained were used in the modeling of water vapor permeation, that was described as diffusion-reaction of water molecules, and in the humid gases permeation experiments. In the dry gas experiments the permeability and diffusivity was found to increase with temperature and with the equivalent weight (EW) of the membrane. A linear correlation was drawn between the dry gas permeability and the opposite of the equivalent weight of PFSI membranes, based on which the permeability of pure PTFE is retrieved in the limit of high EW. In the other hand O2 ,N2 and He permeability values was found to increase significantly, and in a similar fashion, with water activity. A model that considers the PFSI membrane as a composite matrix with a hydrophilic and a hydrophobic phase was considered allowing to estimate the variation of gas permeability with relative humidity on the basis of the permeability in the dry PFSI membrane and in pure liquid water.

Development of Clinical Decision Support Systems based on Mathematical Models of Physiological Systems

In the last years of research, I focused my studies on different physiological problems. Together with my supervisors, I developed/improved different mathematical models in order to create valid tools useful for a better understanding of important clinical issues. The aim of all this work is to develop tools for learning and understanding cardiac and cerebrovascular physiology as well as pathology, generating research questions and developing clinical decision support systems useful for intensive care unit patients. I. ICP-model Designed for Medical Education We developed a comprehensive cerebral blood flow and intracranial pressure model to simulate and study the complex interactions in cerebrovascular dynamics caused by multiple simultaneous alterations, including normal and abnormal functional states of auto-regulation of the brain. Individual published equations (derived from prior animal and human studies) were implemented into a comprehensive simulation program. Included in the normal physiological modelling was: intracranial pressure, cerebral blood flow, blood pressure, and carbon dioxide (CO2) partial pressure. We also added external and pathological perturbations, such as head up position and intracranial haemorrhage. The model performed clinically realistically given inputs of published traumatized patients, and cases encountered by clinicians. The pulsatile nature of the output graphics was easy for clinicians to interpret. The manoeuvres simulated include changes of basic physiological inputs (e.g. blood pressure, central venous pressure, CO2 tension, head up position, and respiratory effects on vascular pressures) as well as pathological inputs (e.g. acute intracranial bleeding, and obstruction of cerebrospinal outflow). Based on the results, we believe the model would be useful to teach complex relationships of brain haemodynamics and study clinical research questions such as the optimal head-up position, the effects of intracranial haemorrhage on cerebral haemodynamics, as well as the best CO2 concentration to reach the optimal compromise between intracranial pressure and perfusion. We believe this model would be useful for both beginners and advanced learners. It could be used by practicing clinicians to model individual patients (entering the effects of needed clinical manipulations, and then running the model to test for optimal combinations of therapeutic manoeuvres). II. A Heterogeneous Cerebrovascular Mathematical Model Cerebrovascular pathologies are extremely complex, due to the multitude of factors acting simultaneously on cerebral haemodynamics. In this work, the mathematical model of cerebral haemodynamics and intracranial pressure dynamics, described in the point I, is extended to account for heterogeneity in cerebral blood flow. The model includes the Circle of Willis, six regional districts independently regulated by autoregulation and CO2 reactivity, distal cortical anastomoses, venous circulation, the cerebrospinal fluid circulation, and the intracranial pressure-volume relationship. Results agree with data in the literature and highlight the existence of a monotonic relationship between transient hyperemic response and the autoregulation gain. During unilateral internal carotid artery stenosis, local blood flow regulation is progressively lost in the ipsilateral territory with the presence of a steal phenomenon, while the anterior communicating artery plays the major role to redistribute the available blood flow. Conversely, distal collateral circulation plays a major role during unilateral occlusion of the middle cerebral artery. In conclusion, the model is able to reproduce several different pathological conditions characterized by heterogeneity in cerebrovascular haemodynamics and can not only explain generalized results in terms of physiological mechanisms involved, but also, by individualizing parameters, may represent a valuable tool to help with difficult clinical decisions. III. Effect of Cushing Response on Systemic Arterial Pressure. During cerebral hypoxic conditions, the sympathetic system causes an increase in arterial pressure (Cushing response), creating a link between the cerebral and the systemic circulation. This work investigates the complex relationships among cerebrovascular dynamics, intracranial pressure, Cushing response, and short-term systemic regulation, during plateau waves, by means of an original mathematical model. The model incorporates the pulsating heart, the pulmonary circulation and the systemic circulation, with an accurate description of the cerebral circulation and the intracranial pressure dynamics (same model as in the first paragraph). Various regulatory mechanisms are included: cerebral autoregulation, local blood flow control by oxygen (O2) and/or CO2 changes, sympathetic and vagal regulation of cardiovascular parameters by several reflex mechanisms (chemoreceptors, lung-stretch receptors, baroreceptors). The Cushing response has been described assuming a dramatic increase in sympathetic activity to vessels during a fall in brain O2 delivery. With this assumption, the model is able to simulate the cardiovascular effects experimentally observed when intracranial pressure is artificially elevated and maintained at constant level (arterial pressure increase and bradicardia). According to the model, these effects arise from the interaction between the Cushing response and the baroreflex response (secondary to arterial pressure increase). Then, patients with severe head injury have been simulated by reducing intracranial compliance and cerebrospinal fluid reabsorption. With these changes, oscillations with plateau waves developed. In these conditions, model results indicate that the Cushing response may have both positive effects, reducing the duration of the plateau phase via an increase in cerebral perfusion pressure, and negative effects, increasing the intracranial pressure plateau level, with a risk of greater compression of the cerebral vessels. This model may be of value to assist clinicians in finding the balance between clinical benefits of the Cushing response and its shortcomings. IV. Comprehensive Cardiopulmonary Simulation Model for the Analysis of Hypercapnic Respiratory Failure We developed a new comprehensive cardiopulmonary model that takes into account the mutual interactions between the cardiovascular and the respiratory systems along with their short-term regulatory mechanisms. The model includes the heart, systemic and pulmonary circulations, lung mechanics, gas exchange and transport equations, and cardio-ventilatory control. Results show good agreement with published patient data in case of normoxic and hyperoxic hypercapnia simulations. In particular, simulations predict a moderate increase in mean systemic arterial pressure and heart rate, with almost no change in cardiac output, paralleled by a relevant increase in minute ventilation, tidal volume and respiratory rate. The model can represent a valid tool for clinical practice and medical research, providing an alternative way to experience-based clinical decisions. In conclusion, models are not only capable of summarizing current knowledge, but also identifying missing knowledge. In the former case they can serve as training aids for teaching the operation of complex systems, especially if the model can be used to demonstrate the outcome of experiments. In the latter case they generate experiments to be performed to gather the missing data.

Cluster-derived Gold/Iron catalysts for environmental applications

During the last years we assisted to an exponential growth of scientific discoveries for catalysis by gold and many applications have been found for Au-based catalysts. In the literature there are several studies concerning the use of gold-based catalysts for environmental applications and good results are reported for the catalytic combustion of different volatile organic compounds (VOCs). Recently it has also been established that gold-based catalysts are potentially capable of being effectively employed in fuel cells in order to remove CO traces by preferential CO oxidation in H2-rich streams. Bi-metallic catalysts have attracted increasing attention because of their markedly different properties from either of the costituent metals, and above all their enhanced catalytic activity, selectivity and stability. In the literature there are several studies demostrating the beneficial effect due to the addition of an iron component to gold supported catalysts in terms of enhanced activity, selectivity, resistence to deactivation and prolonged lifetime of the catalyst. In this work we tried to develop a methodology for the preparation of iron stabilized gold nanoparticles with controlled size and composition, particularly in terms of obtaining an intimate contact between different phases, since it is well known that the catalytic behaviour of multi-component supported catalysts is strongly influenced by the size of the metal particles and by their reciprocal interaction. Ligand stabilized metal clusters, with nanometric dimensions, are possible precursors for the preparation of catalytically active nanoparticles with controlled dimensions and compositions. Among these, metal carbonyl clusters are quite attractive, since they can be prepared with several different sizes and compositions and, moreover, they are decomposed under very mild conditions. A novel preparation method was developed during this thesis for the preparation of iron and gold/iron supported catalysts using bi-metallic carbonyl clusters as precursors of highly dispersed nanoparticles over TiO2 and CeO2, which are widely considered two of the most suitable supports for gold nanoparticles. Au/FeOx catalysts were prepared by employing the bi-metallic carbonyl cluster salts [NEt4]4[Au4Fe4(CO)16] (Fe/Au=1) and [NEt4][AuFe4(CO)16] (Fe/Au=4), and for comparison FeOx samples were prepared by employing the homometallic [NEt4][HFe3(CO)11] cluster. These clusters were prepared by Prof. Longoni research group (Department of Physical and Inorganic Chemistry- University of Bologna). Particular attention was dedicated to the optimization of a suitable thermal treatment in order to achieve, apart from a good Au and Fe metal dispersion, also the formation of appropriate species with good catalytic properties. A deep IR study was carried out in order to understand the physical interaction between clusters and different supports and detect the occurrence of chemical reactions between them at any stage of the preparation. The characterization by BET, XRD, TEM, H2-TPR, ICP-AES and XPS was performed in order to investigate the catalysts properties, whit particular attention to the interaction between Au and Fe and its influence on the catalytic activity. This novel preparation method resulted in small gold metallic nanoparticles surrounded by highly dispersed iron oxide species, essentially in an amorphous phase, on both TiO2 and CeO2. The results presented in this thesis confirmed that FeOx species can stabilize small Au particles, since keeping costant the gold content but introducing a higher iron amount a higher metal dispersion was achieved. Partial encapsulation of gold atoms by iron species was observed since the Au/Fe surface ratio was found much lower than bulk ratio and a strong interaction between gold and oxide species, both of iron oxide and supports, was achieved. The prepared catalysts were tested in the total oxidation of VOCs, using toluene and methanol as probe molecules for aromatics and alchols, respectively, and in the PROX reaction. Different performances were observed on titania and ceria catalysts, on both toluene and methanol combustion. Toluene combustion on titania catalyst was found to be enhanced increasing iron loading while a moderate effect on FeOx-Ti activity was achieved by Au addition. In this case toluene combustion was improved due to a higher oxygen mobility depending on enhanced oxygen activation by FeOx and Au/FeOx dispersed on titania. On the contrary ceria activity was strongly decreased in the presence of FeOx, while the introduction of gold was found to moderate the detrimental effect of iron species. In fact, excellent ceria performances are due to its ability to adsorb toluene and O2. Since toluene activation is the determining factor for its oxidation, the partial coverage of ceria sites, responsible of toluene adsorption, by FeOx species finely dispersed on the surface resulted in worse efficiency in toluene combustion. Better results were obtained for both ceria and titania catalysts on methanol total oxidation. In this case, the performances achieved on differently supported catalysts indicate that the oxygen mobility is the determining factor in this reaction. The introduction of gold on both TiO2 and CeO2 catalysts, lead to a higher oxygen mobility due to the weakening of both Fe-O and Ce-O bonds and consequently to enhanced methanol combustion. The catalytic activity was found to strongly depend on oxygen mobility and followed the same trend observed for catalysts reducibility. Regarding CO PROX reaction, it was observed that Au/FeOx titania catalysts are less active than ceria ones, due to the lower reducibility of titania compared to ceria. In fact the availability of lattice oxygen involved in PROX reaction is much higher in the latter catalysts. However, the CO PROX performances observed for ceria catalysts are not really high compared to data reported in literature, probably due to the very low Au/Fe surface ratio achieved with this preparation method. CO preferential oxidation was found to strongly depend on Au particle size but also on surface oxygen reducibility, depending on the different oxide species which can be formed using different thermal treatment conditions or varying the iron loading over the support.

Zur Kooperativität des Vogelspinnen-Hämocyanins

Zusammenfassung Kooperativität bei Atmungsproteinen bedeutet eine Änderung der O2-Affinität während der Beladung mit O2 und läßt sich durch die Wechselbeziehung zwischen O2-Beladung und Konformation beschreiben. In dieser Arbeit wurde das 24-mere Hämocyanin der Vogelspinne Eurypelma californicum bzgl. Beladung und Konformationen sowohl auf der Ensemble- wie auch auf der Einzel-Molekül-Ebene charakterisiert. EnsembleDie Bindung von O2 an Hämocyanine ist mit einer drastischen Abnahme der Fluoreszenz-Quantenausbeute verbunden. Durch Vergleich von theoretisch und experimentell bestimmten Quantenausbeuten konnte gezeigt werden, daß die Löschung auf Förster-Transfer zurückzuführen ist, und daß kein Einfluß der Oligomerisierung, Protein-Konformation, Beweglichkeit oder Tierart besteht. Die Konformation von Hämocyaninen konnte mit Crosslinkern im oxy- und deoxy-Zustand fixiert werden. Die Charakterisierung der Produkte führte zu einer neuen Vorstellung, wie unterschiedliche Affinitäten realisiert sein können. Hierbei kommt der Dynamik der Protein-Matrix eine entscheidende Rolle zu. Einzel-MoleküleMittels Zwei-Photonen-Anregung konnten erstmalig einzelne Proteine über ihre intrinsische Tryptophan-Fluoreszenz nachgewiesen werden. Zum einen gelang es, Modellsysteme mit nur 340 Trp abzubilden, andererseits konnte die Diffusion einzelner Hämocyanine (148 Trp) mit Hilfe der Fluoreszenz-Korrelationsspektroskopie nachgewiesen werden.Einzelne Hämocyanine konnten durch Adsorption und mildes Eintrocknen an verschiedenen Oberflächen immobilisiert werden. Mittels Atomarer Kraft-Mikroskopie (AFM) ließen sich individuelle Hämocyanine abgebilden, wobei Details der Quarärstruktur aufgelöst werden konnten.

Untersuchungen zu ionenchemischen Reaktionen und Mobilitätsmessungen an schweren Elementen in einer Puffergaszelle

Untersuchungen zu ionenchemischen Reaktionen und Mobilitätsmessungen an schweren Elementen in einer Puffergaszelle Die vorgelegte Arbeit beschreibt vorbereitende Untersuchungen zu ionenchemischen Reaktionen und Mobilitätsmessungen schwerer Elemente (Z>100) in einer mit Argon gefüllten Puffergaszelle. Dazu wurden am Element Erbium (Z=68), dem chemischen Homolog von Fermium (Z=100), zunächst in einem Fourier-Transformations-Massenspektrometer (FT/MS) Reaktionen mit Sauerstoff (O₂), Methan (CH₄) und Butylen (C₄H₈) untersucht und deren Reaktionskonstanten zu k(Er+O2)=(3,6±0,3)•10^-10cm³/s, k(Er+C4H8)=(1,3±0,1)•10^-10cm³/s gemessen. Für die Reaktion Er⁺+CH₄ wurde eine Obergrenze der Reaktionskonstante von k(Er+CH4)?,3•10^-15cm³/s bestimmt. Dieselben Reaktionen wurden anschließend in einer mit 60 mbar Argon gefüllten Puffergaszelle am Tandembeschleuniger des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg studiert.Das in die Zelle eingeschossene Erbium wurde nach der Thermalisierung in einem zweistufigen Laserprozess resonant ionisiert. Diese Messungen führten zu gleichen Ergebnissen wie die FT/MS-Messungen (k(Er+O2)=3,3±0,4)•10^-10cm³/s, k(Er+CH4)?2•10^-17cm³/s). Die Reaktion von Erbium mit Butylen wurde ebenfalls beobachtet, eine Reaktionskonstante konnte jedoch nicht bestimmt werden. Die Reaktion von Erbium mit Sauerstoff wurde auch mit den direkt in die Puffergaszelle eingeschossenen Ionen ohne Laserionisation untersucht. Eine reproduzierbare Reaktionskonstante konnte nicht bestimmt werden, mögliche Ursachen werden diskutiert.Aus der Driftzeit der Ionen im Puffergas können Ionenmobilitäten bestimmt werden. Dies erlaubt Rückschlüsse auf die Ionenradien und damit auch auf Bindungslängen in Molekülen. Zwischen Plutonium und Americium wurde bei einer Driftzeit von (1,88±0,01) ms ein Driftzeitunterschied von (0,07±0,02) ms gemessen und daraus eine relative Verringerung des Ionenradius von Americium gegenüber dem von Plutonium um (3,1±1,3)% bestimmt. Relativistische Rechnungen sagen für den atomaren Radius von Americium gegenüber Plutonium eine Kontraktion in gleicher Größenordnung voraus; für Ionenradien existieren zur Zeit noch keine Rechnungen. Aus den gemessenen Driftzeiten des Plutoniums von (1,85±0,01) ms und Plutoniumoxids von (2,38±0,01) ms wurde eine Zunahme des Ionenradius des Plutoniumoxids gegenüber dem Plutonium um (28±2)% bestimmt.Außerdem wurden Reaktionen von Ruthenium (Z=44) und Osmium (Z=76), beides chemische Homologe von Hassium (Z=108), mit Sauerstoff in der FT/MS-Apparatur untersucht, mit dem Ziel widersprüchliche Messungen der Reaktionskonstanten aufzuklären.

Endogene DNA-Schädigung als Ursache genetischer Instabilität

Zusammenfassung Diese Arbeit beschreibt Untersuchungen über die zellulären Mechanismen, die zur Bildung dieser DNA-Schäden führen, sowie über die biologischen Auswirkungen dieser Schäden. Die Untersuchungen zu Uracil in der DNA wurden in ung-knockout-MEFs und Mäusen durchgeführt, die es erlauben, die Konsequenzen eines Ausfalls der wichtigsten Reparaturglykosylase für Uracil zu beleuchten. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Akkumulation von Uracil in den ung-/--Mausfibroblasten im Vergleich zum Wildtyp. In frisch isolierten Leber- und Milzzellen der Mäuse konnte dieser genotypspezifische Unterschied, wenn auch weniger ausgeprägt, ebenso beobachtet werden, nicht jedoch in reifen Spermien. Dieser gewebespezifische Unterschied und die quantitativ stärker ausgeprägte Akkumulation in ung-/--Mausfibroblasten im Vergleich zu den Mäusegeweben gab Anlass zur Vermutung, dass die Proliferation der Zellen für den Haupteintrag an Uracil in die DNA verantwortlich ist. Erstmals konnte in Versuche mit konfluenten (nicht mehr proliferierenden) ung-/--Mausfibroblasten gezeigt werden, dass nicht die spontane hydrolytische Desaminierung von Cytosin, sondern der Fehleinbau von dUMP während der DNA-Replikation die Hauptquelle für Uracil in der DNA von Säugerzellen darstellt. Da der Uracilmetabolismus ein wichtiges Target in der Chemotherapie ist, lag es nahe, das zur Verfügung stehende ung-knockout-Modell der MEFs zur Untersuchung mit Fluorpyrimidinen, die als Zytostatika verwendet werden, einzusetzen. Da bisher die Ursachen der beobachteten Apoptose der Tumorzellen und aller anderen metabolisch hochaktiven Zellen eines behandelten Organismus noch nicht vollständig verstanden ist, wurden diese Zellen mit verschiedenen Fluorpyrimidinen behandelt, die als Thymidylatsynthasehemmer die de novo Synthese von Thymidin unterbinden. Es konnte gezeigt werden, dass ung-/- Mausfibroblasten, im Gegensatz zu ung+/+ Mausfibroblasten, verstärkt Uracil in der DNA akkumulieren. Obwohl die ung+/+ Mausfibroblasten keine erhöhten Uracil-Spiegel in der DNA aufwiesen, zeigten sie bei Inkubation mit einem der beiden Thymidylatsynthasehemmern, 5-Fluoruracil (5-FU), die gleiche Sensitivität in einem nachfolgenden Proliferationsversuch wie die ung-/- Mausfibroblasten. Dies lässt darauf schließen, dass weder Reparatur noch Einbau von Uracil in die DNA für die beobachtete Toxizität dieser Zytostatika notwendig sind. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die Untersuchung des DNA-schädigenden Potenzials endogener ROS, die aus dem Fremdstoffmetabolismus stammen. Dazu wurden V79-Zellen verwendet, die mit dem humanen Enzym Cytochrom 2E1 (CYP2E1) transfiziert wurden (V79 CYP2E1) sowie Zellen, die ebenfalls durch Transfektion das humane Enzym Cytochromreduktase (auch Oxidoreduktase genannt) überexprimieren (V79 hOR). Beide Enzyme sind zusammen an der Hydroxylierung von Fremdstoffen beteiligt, bei der die Reduktion von molekularem Sauerstoff durch Übertragung von zwei Elektronen notwendig ist. Wird anstatt zweier Elektronen in Folge nur eines auf den Sauerstoff übertragen, so führt dieser von der Substratoxygenierung enkoppelte Vorgang zur Bildung von Superoxid. Daher galt es zu klären, ob das so erzeugte Superoxid und daraus gebildete ROS in der Lage sind, die DNA zu schädigen. Es konnte gezeigt werden, dass die Überexpression von CYP2E1 nicht zu einem erhöhten basalen Gleichgewichtsspiegel oxidativer DNA-Schäden führt und die Metabolisierung von Ethanol durch dieses Enzym ebenfalls keine DNA-Modifikationen verursacht. Die Überexpression der Cytochromreduktase hingegen führte gegenüber dem Wildtyp zu einem erhöhten basalen Gleichgewichtsspiegel oxidativer Basenmodifikationen nach Depletion von Glutathion, einem wichtigen zellulären Antioxidans. Im Mikrokerntest, der gentoxische Ereignisse wie Chromosomenbrüche in Zellen aufzeigt, zeigte sich schon ohne Glutathion-Depletion eine doppelt so hohe Mikrokernrate im Vergleich zum Wildtyp. In weiteren Versuchen wurden die V79-hOR-Zellen mit dem chinoiden Redoxcycler Durochinon inkubiert, um zu untersuchen, ob das vermutlich durch die Reduktase vermittelte Redoxcycling über Generierung von ROS in der Lage ist, einen oxidativen DNA-Schaden und Toxizität zu verursachen. Hier zeigte sich, dass die Überexpression der Reduktase Voraussetzung für Toxizität und den beobachteten DNA-Schaden ist. Die Wildtyp-Zellen zeigten weder einen DNA-Schaden noch Zytotoxizität, auch eine zusätzliche Glutathion-Depletion änderte nichts an dem Befund. Die V79-hOR-Zellen hingegen reagierten auf die Inkubation mit Durochinon mit einer konzentrationsabhängigen Zunahme der Einzelstrangbrüche und oxidativen Basenmodifikationen, wobei sich der DNA-Schaden durch vorherige Glutathion-Depletion verdoppeln ließ.

Oxodiperoxomolybdenum catalyzed olefin epoxidation: the role of Ionic Liquids

Ionic Liquids (ILs) constituted by organic cations and inorganic anions are particular salts with a melting point below 100°C. Their physical properties such as melting point and solubility can be tuned by altering the combination of their anions and cations. In the last years the interest in ILs has been centered mostly on their possible use as “green” alternatives to the traditional volatile organic solvents (VOCs) thanks to their low vapour pressure and the efficient ability in catalyst immobilization. In this regard, the subject of the present thesis is the study of the oxodiperoxomolybdenum catalyzed epoxidation of olefins in ILs media with hydrogen peroxide as the oxidant. In particular N-functionalized imidazolium salts, such as 1-(2-t-Butoxycarbonylamino-ethyl)-3-methylimidazolium (1), were synthesized with different counterions [I]-, [PF6]-, [NO3]-, [NTf2]- and [ClO4]– and tested as reaction solvents. The counterion exchange with [Cl]-, [NTf2]- and [NO3]- was also performed in unfuctionalized imidazolium salts such as 3-butyl-1-methylimidazol-3-ium (3). All the prepared ILs were tested in catalytic epoxidation of olefins exploiting oxodiperoxomolybdenum complexes [MoO(O2)2(C4H6N2)2] (4) and [MoO(O2)2(C5H8N2)2] (5) as catalysts. The IL 3[NTf2] and the catalysts 5 give rise to the best results leading to the selective formation of the epoxide of cis-cyclooctene avoiding hydrolysis side reaction. A preliminary study on the synthesis of novel NHC oxodiperoxomolybdenum complexes starting from imidazolium salts was also developed.

Über die Funktion und Struktur der Tyrosinase aus Streptomyces antibioticus

Für die Aufklärung der chemisch anspruchsvollen Monophenolase-Reaktion von Tyrosinasen wurde ein System entwickelt, um das Zielprotein aus dem Bakterium Streptomyces antibioticus in großen Mengen und mit hoher Reinheit zu isolieren. Zudem konnte ein hypothetischer Reaktionsmechanismus für die Monophenolase- und die Diphenolase-Aktivität der Tyrosinase formuliert werden. Die beiden Reaktionen der S. antibioticus-Tyrosinase wurden kinetisch analysiert und auf diesem Weg die Aktivität des Enzyms mit jener der sehr gut charakterisierten Tyrosinase aus dem Pilz Agaricus bisporus verglichen. Hierbei wurden signifikante Unterschiede festgestellt, die auf die verschiedenartigen Proteinstrukturen zurückgeführt wurden. Auch konnte gezeigt werden, dass einige sekundäre Pflanzenstoffe, die vor allem in Wein zu finden sind und in ihrer chemischen Struktur den Tyrosinasesubstraten ähnlich sind, die Aktivität dieses Enzyms maßgeblich beeinflussen. Das O2-Transportprotein Hämocyanin aus der Vogelspinne Eurypelma californicum, das wie die Tyrosinase zu der Familie der Typ-3-Kupferproteine gehört, ist nach chemischer Aktivierung zur Phenoloxidase zur enzymatischen Quervernetzung von Proteinen fähig. Die Tatsache, dass diese Quervernetzung auch das Hämocyanin selbst betrifft, sowie der erfolgreiche Nachweis von Hämocyanin in der Kutikula des genannten Organismus, legen die Vermutung nahe, dass die physiologische Funktion von Hämocyanin im Rahmen der Sklerotisierung des Exoskeletts in einer aktiven und passiven Beteiligung an Gerbungsprozessen im Integument besteht.

Expressions- und Funktionsanalysen von Neuroglobin und Cytoglobin

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden Untersuchungen zur Expression und Funktion der respiratorischen Proteine Neuroglobin (Ngb) und Cytoglobin (Cygb) in Vertebraten durchgeführt. Beide Globine wurden erst kürzlich entdeckt, und ihre Funktionen konnten trotz vorliegender Daten zur Struktur und biochemischen Eigenschaften dieser Proteine bisher nicht eindeutig geklärt werden. Im ersten Abschnitt der vorliegenden Arbeit wurde die zelluläre und subzelluläre Lokalisation von Neuroglobin und Cytoglobin in murinen Gewebeschnitten untersucht. Die Expression von Ngb in neuronalen und endokrinen Geweben hängt offensichtlich mit den hohen metabolischen Aktivitäten dieser Organe zusammen. Insbesondere im Gehirn konnten regionale Unterschiede in der Ngb-Expression beobachtet werden. Dabei korrelierte eine besonders starke Neuroglobin-Expression mit Gehirnbereichen, die bekanntermaßen die höchsten Grundaktivitäten aufweisen. In Anbetracht dessen liegt die Funktion des Neuroglobins möglicherweise im basalen O2-Metabolismus dieser Gewebe, wobei Ngb als O2-Lieferant und kurzfristiger O2-Speicher den vergleichsweise hohen Sauerstoffbedarf vor Ort sicherstellen könnte. Weitere Funktionen in der Entgiftung von ROS bzw. RNS oder die kürzlich publizierte mögliche Rolle des Ngb bei der Verhinderung der Mitochondrien-vermittelten Apoptose durch eine Reduktion des freigesetzten Cytochrom c wären darüber hinaus denkbar. Die Cygb-Expression im Gehirn beschränkte sich auf relativ wenige Neurone in verschiedenen Gehirnbereichen und zeigte dort vorwiegend eine Co-Lokalisation mit der neuronalen NO-Synthase. Dieser Befund legt eine Funktion des Cytoglobins im NO-Metabolismus nahe. Quantitative RT-PCR-Experimente zur mRNA-Expression von Ngb und Cygb in alternden Säugern am Bsp. der Hamsterspezies Phodopus sungorus zeigten keine signifikanten Änderungen der mRNA-Mengen beider Globine in alten im Vergleich zu jungen Tieren. Dies widerspricht publizierten Daten, in denen bei der Maus anhand von Western Blot-Analysen eine Abnahme der Neuroglobin-Menge im Alter gezeigt wurde. Möglicherweise handelt es sich hierbei um speziesspezifische Differenzen. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte vergleichende Sequenzanalyse der humanen und murinen NGB/Ngb-Genregion liefert zum einen Hinweise auf die mögliche Regulation der Ngb-Expression und zum anderen eine wichtige Grundlage für die funktionellen Analysen dieses Gens. Es konnte ein minimaler Promotorbereich definiert werden, der zusammen mit einigen konservierten regulatorischen Elementen als Basis für experimentelle Untersuchungen der Promotoraktivität in Abhängigkeit von äußeren Einflüssen dienen wird. Bioinformatische Analysen führten zur Identifizierung des sog. „neuron restrictive silencer element“ (NRSE) im Ngb-Promotor, welches vermutlich für die vorwiegend neuronale Expression des Proteins verantwortlich ist. Die kontrovers diskutierte O2-abhängige Regulation der Ngb-Expression konnte hingegen anhand der durchgeführten komparativen Sequenzanalysen nicht bestätigt werden. Es wurden keine zwischen Mensch und Maus konservierten Bindestellen für den Transkriptionsfaktor HIF-1 identifiziert, der die Expression zahlreicher hypoxieregulierter Gene, z.B. Epo und VEGF, vermittelt. Zusammen mit den in vivo-Daten spricht dies eher gegen eine Regulation der Ngb-Expression bei verminderter Verfügbarkeit von Sauerstoff. Die Komplexität der Funktionen von Ngb und Cygb im O2-Stoffwechsel der Vertebraten macht den Einsatz muriner Modellsysteme unerlässlich, die eine sukzessive Aufklärung der Funktionen beider Proteine erlauben. Die vorliegende Arbeit liefert auch dazu einen wichtigen Beitrag. Die hergestellten „gene-targeting“-Vektorkonstrukte liefern in Verbindung mit den etablierten Nachweisverfahren zur Genotypisierung von embryonalen Stammzellen die Grundlage zur erfolgreichen Generierung von Ngb-knock out sowie Ngb- und Cygb-überexprimierenden transgenen Tieren. Diese werden für die endgültige Entschlüsselung funktionell relevanter Fragestellungen von enormer Bedeutung sein.

Effect of hypoxia and hyperglycemia on cell bioenergetics

Mitochondria have a central role in energy supply in cells, ROS production and apoptosis and have been implicated in several human disease and mitochondrial dysfunctions in hypoxia have been related with disorders like Type II Diabetes, Alzheimer Disease, inflammation, cancer and ischemia/reperfusion in heart. When oxygen availability becomes limiting in cells, mitochondrial functions are modulated to allow biologic adaptation. Cells exposed to a reduced oxygen concentration readily respond by adaptive mechanisms to maintain the physiological ATP/ADP ratio, essential for their functions and survival. In the beginning, the AMP-activated protein kinase (AMPK) pathway is activated, but the responsiveness to prolonged hypoxia requires the stimulation of hypoxia-inducible factors (HIFs). In this work we report a study of the mitochondrial bioenergetics of primary cells exposed to a prolonged hypoxic period . To shine light on this issue we examined the bioenergetics of fibroblast mitochondria cultured in hypoxic atmospheres (1% O2) for 72 hours. Here we report on the mitochondrial organization in cells and on their contribution to the cellular energy state. Our results indicate that prolonged hypoxia cause a significant reduction of mitochondrial mass and of the quantity of the oxidative phosphorylation complexes. Hypoxia is also responsible to damage mitochondrial complexes as shown after normalization versus citrate synthase activity. HIF-1α plays a pivotal role in wound healing, and its expression in the multistage process of normal wound healing has been well characterized, it is necessary for cell motility, expression of angiogenic growth factor and recruitment of endothelial progenitor cells. We studied hypoxia in the pathological status of diabetes and complications of diabetes and we evaluated the combined effect of hyperglycemia and hypoxia on human dermal fibroblasts (HDFs) and human dermal micro-vascular endothelial cells (HDMECs) that were grown in high glucose, low glucose concentrations and mannitol as control for the osmotic challenge.

Neuroglobin, Cytoglobin und Myoglobin in der Blindmaus Spalax ehrenbergi: Adaptation an „unterirdische Verhältnisse“

Hypoxie ist ein Zustand des Sauerstoffmangels, hervorgerufen durch fehlende Verfügbarkeit von Sauerstoff in der Umgebung eines Organismus oder durch pathologisch bedingte unzureichende Nutzbarkeit des Sauerstoffs von Geweben. Die Sensitivität gegenüber Hypoxie variiert enorm im Tierreich zwischen verschiedenen Phyla und Spezies. Die meisten Säugetiere sind nur unzureichend an niedrige Sauerstoffkonzentrationen angepasst, wohingegen einige unterirdisch lebende Säuger sehr resistent gegen Hypoxiestress sind. Um die molekulare Basis der Hypoxietoleranz zu bestimmen, wurden in der vorliegenden Arbeit Globine untersucht, die potenziell in der Lage sind, als respiratorische Proteine zur Hypoxietoleranz von Tieren beizutragen. Dazu wurde die Expression der Globine in der hypoxieresistenten, in Israel lebenden Blindmaus Spalax ehrenbergi mit der Genexpression in der hypoxiesensitiven Ratte (Rattus norvegicus) verglichen. In der vorliegenden Arbeit wurden die erst vor wenigen Jahren entdeckten Globine Neuroglobin und Cytoglobin untersucht, deren exakte physiologische Rolle noch unklar ist, und mit Daten des viel detaillierter untersuchten Myoglobins verglichen. Beim Vergleich der Expression von Cytoglobin und Neuroglobin in Spalax versus Ratte fällt auf, dass Neuroglobin und Cytoglobin bereits unter normoxischen Bedingungen auf mRNA- und Proteinebene in der Blindmaus um einen Faktor von mindesten 2 bis 3 verstärkt exprimiert werden. Bei Myoglobin (als dem Kontrollgen mit bekannter Funktion) konnte auf mRNA-Ebene eine noch weitaus stärkere Expression in Spalax vs. Ratte gefunden werden. Das übergreifende Phänomen der verstärkten Genexpression von Globinen in Spalax kann im Sinne einer Präadaptation an das unterirdische, häufig hypoxische Leben der Blindmaus interpretiert werden. Einen weiteren Hinweis auf eine besondere, spezialisierte Funktion von Neuroglobin in Spalax geben immunhistochemische Daten, die zeigen, dass Neuroglobin im Gehirn von Spalax im Gegensatz zur Ratte nicht nur in Neuronen, sondern auch in Gliazellen exprimiert wird. Dies impliziert Änderungen des oxidativen Stoffwechsels im Nervensystem der hypoxietoleranten Spezies. Die zellulären Expressionsmuster von Cytoglobin erscheinen hingegen in beiden Säugerspezies weitgehend identisch. Es wurde der Frage nachgegangen, ob und wie experimentell induzierte Hypoxie die Genexpression der Globine verändert. Dabei zeigten sich für Neuroglobin und Cytoglobin unterschiedliche Expressionsmuster. Neuroglobin wird unter diversen Sauerstoffmangelbedingungen sowohl in der Ratte als auch in Spalax auf mRNA- und Proteinebene herunterreguliert. Ein ähnliches Regulationsverhalten wurde auch für Myoglobin beobachtet. Die verminderte Expression von Neuroglobin (und evtl. auch Myoglobin) unter Hypoxie ist mit einer gezielten Verringerung der Sauerstoff-Speicherkapazität in Abwesenheit von O2 zu erklären. Ein weiterer denkbarer Grund könnte auch die allgemeine Tendenz sein, unter Hypoxie aus Energiespargründen den Metabolismus herunter zu regulieren. Cytoglobin, das bei normalen Sauerstoffbedingungen nur im Gehirn von Spalax (nicht jedoch in Herz und Leber) ebenfalls um Faktor 2 bis 3 stärker exprimiert wird als in der Ratte, ist mit einiger Sicherheit ebenfalls von adaptivem Nutzen für die Anpassung von Spalax an niedrige Sauerstoffbedingungen, wenngleich seine Funktion unklar bleibt. Unter Hypoxie wird die Cytoglobin-mRNA sowohl in Spalax als auch in der Ratte hochreguliert. Es konnte in der vorliegenden Arbeit dargelegt werden, dass die Expression von Cygb höchstwahrscheinlich durch den Transkriptionsfaktor Hif-1 gesteuert wird, der die molekulare Hypoxieantwort vieler Tierarten zentral steuert. In der vorliegenden Arbeit wurde ebenfalls die Expression von Ngb und Cygb im Gehirn des Hausschweins (Sus scrofa) untersucht. Diese Spezies diente in der Arbeit als weiterer hypoxiesensitiver Organismus sowie als biomedizinisch relevantes Modell für eine Operation an Säuglingen mit angeborenen Herzkrankheiten. Die Versuche haben gezeigt, dass die Gabe bestimmter Medikamente wie dem Immunsuppressivum FK506 zu einer erhöhten Ngb-Konzentration auf mRNA-Ebene führen kann, was potenziell im Zusammenhang mit beobachteten protektiven Effekten der Medikamentengabe während und nach der Herzoperation steht.

Das Globingen-Repertoire von Amphibien und Teleostiern

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde die molekulare Evolution von Globinen in Amphibien und Teleostiern untersucht und Analysen zur Genexpression ausgewählter Globine durchgeführt. Die bisher besonders für die neueren Mitglieder der Superfamilie der Globine – Neuroglobin und Cytoglobin – schwerpunktmäßig in Mammaliern erbrachten Daten sollten durch die Analyse in Amphibien und Teleostiern auf ihre generelle Gültigkeit für Vertebraten überprüft werden. Die Analysen zur Genexpression wurden sowohl in silico, basierend auf genomischen wie EST-Daten, als auch experimentell durch qualitative und quantitative RT-PCR-Nachweise durchgeführt. Die mRNA-Lokalisation wurde durch in situ-Hybridisierungen an Gewebeschnitten beziehungsweise durch Whole mount in situ-Hybridisierung an ganzen Embryonen detektiert. In einem ersten Teil der Arbeit wurde das Globin-Repertoire von Xenopus tropicalis umfassend analysiert. Die Expressionsanalyse der gefundenen Globine umfasste nicht nur adulte Tiere, sonder erstmals auch detailliert die Entwicklungsstadien eines Vertebraten. Dabei wurde festgestellt, dass die vorwiegend neuronale Expression des streng konservierten Neuroglobins ein generelles Charakteristikum aller Tetrapoden ist und bereits in der frühembryonalen Entwicklung auftritt. Auch für das als Einzelkopie im Amphibiengenom vertretene Cytoglobin konnte eine strenge Sequenzkonservierung gezeigt werden. Das Expressionsmuster des Amphibien-Cytoglobins stimmte mit dem aus Mammaliern bekannten überein und zeigte konservierte Charakteristika dieses Globins bei Tetrapoden auf. Die Analyse des Xenopus-Genoms ergab zudem, dass Krallenfrösche nicht über Myoglobin verfügen. Genomische Vergleiche syntäner Genregionen ließen auf Rearrangements in diesem Genombereich im Verlauf der Evolution schließen, in deren Folge das Myoglobingen in den Krallenfröschen deletiert wurde. Die Hämoglobine wurden in Xenopus tropicalis erstmals in einem Amphibium umfassend analysiert. Die Gene zeigten demnach eine geclusterte Anordnung: der tropische Krallenfrosch verfügte über je ein funktionelles α- bzw. β-adultes und sieben bzw. vier α- bzw. β-larvale Hämoglobine, die während der Entwicklung bzw. in adulten Tieren charakteristisch exprimiert wurden. Die Analyse der Hämoglobine hinsichtlich ihrer Lage in einem Cluster, ihrer phylogenetischen Relation zueinander und nicht zuletzt ihres Expressionsmusters ließen Rückschlüsse auf ihre Evolution zu. Zusätzlich zu diesen bereits bekannten Globinen konnte im Rahmen dieser Dissertation das Globingen-Repertoirs von Xenopus um zwei weitere, bisher unbekannte Globine erweitert werden. Diese wurden entsprechend ihrer bisher unbekannten Funktion als GlobinX und GlobinY bezeichnet. Während GlobinY bisher ausschließlich in Amphibien nachgewiesen werden konnte, wurde GlobinX zudem in Teleostiern detektiert und repräsentiert damit ein auf Anamnia beschränktes Globin. Die rekombinante Proteinexpression von Neuroglobin, Cytoglobin, GlobinX und GlobinY des tropischen Krallenfrosches zeigte ein hexakoordiniertes Bindungsschema dieser Globine in ihrem Deoxy-Zustand. In einem zweiten Teil dieser Dissertation wurden Neuroglobin und Cytoglobin in Teleostiern untersucht und die Analyse für diese zwei Gene somit über die Tetrapoden hinaus auf den gesamten Stammbaum der Vertebraten ausgedehnt. Dabei wurde deutlich, dass die vorwiegend neuronale Expression des seit 420 Millionen Jahren streng konservierten Neuroglobins ein generelles Merkmal dieses Globins in allen Vertebraten ist. Der in Amphibien und Teleostiern erbrachte und mit Ergebnissen in Mammaliern übereinstimmende Nachweis von Neuroglobin in neuronalen Geweben mit einem hohen Stoffwechsel lässt derzeit eine Funktion dieses Globins im Sauerstoffmetabolimus als wahrscheinlich erscheinen. Ob Neuroglobin dabei als kurzzeitiger Sauerstoffspeicher, O2-Transoprter oder aber in der Detoxifikation reaktiver Sauerstoff- bzw. Stickstoffspezies agiert, bleibt zu untersuchen. Für Cytoglobin konnte eine offenbar alle Teleostier betreffende Genduplikation nachgewiesen werden. Phylogenetische Analysen zeigen die Monophylie der Vertebraten-Cytoglobine. Der Vergleich der paralogen Cytoglobine der Teleostier mit dem syntänen Genombereich des humanen Cytoglobins zeigte die wahrscheinliche Entstehung der Fisch-Cytoglobine durch eine Genomduplikation in einem Vorfahren aller Teleostier vor etwa 300-450 Millionen Jahren. Die paralogen Cytoglobine zeigten in Danio rerio und Tetraodon nigroviridis differierende, charakteristische Expressionsmuster, die mit der Theorie der Subfunktionalisierung von Genen in Folge eines Duplikationsereignisses kompatibel sind. Die Analyse zeigte, dass Cygb-1 prädominant in Gehirn und Herz exprimiert wurde, Cygb-2 hingegen bevorzugt in Gehirn und Auge. Dies bestätigte indirekt die Hypothese, nach der das Cytoglobin der Mammalier zwei unterschiedliche Funktionen in differenten Geweben wahrnimmt. Die rekombinante Expression von Cygb-1 des Zebrabärblings zeigte zudem, das auch dieses Globin in seiner Deoxy-Form über ein hexakoordiniertes Bindungsschema verfügt.