Comparison of affinity chromatography supports for separation of protein

Chromatography is the most widely used technique for high-resolution separation and analysis of proteins. This technique is very useful for the purification of delicate compounds, e.g. pharmaceuticals, because it is usually performed at milder conditions than separation processes typically used by chemical industry. This thesis focuses on affinity chromatography. Chromatographic processes are traditionally performed using columns packed with porous resin. However, these supports have several limitations, including the dependence on intra-particle diffusion, a slow mass transfer mechanism, for the transport of solute molecules to the binding sites within the pores and high pressure drop through the packed bed. These limitations can be overcome by using chromatographic supports like membranes or monoliths. Dye-ligands are considered important alternatives to natural ligands. Several reactive dyes, particularly Cibacron Blue F3GA, are used as affinity ligand for protein purification. Cibacron Blue F3GA is a triazine dye that interacts specifically and reversibly with albumin. The aim of this study is to prepare dye-affinity membranes and monoliths for efficient removal of albumin and to compare the three different affinity supports: membranes and monoliths and a commercial column HiTrapTM Blue HP, produced by GE Healthcare. A comparison among the three supports was performed in terms of binding capacity at saturation (DBC100%) and dynamic binding capacity at 10% breakthrough (DBC10%) using solutions of pure BSA. The results obtained show that the CB-RC membranes and CB-Epoxy monoliths can be compared to commercial support, column HiTrapTM Blue HP, for the separation of albumin. These results encourage a further characterization of the new supports examined.

Entwicklung von chiralen- sowie RP-HPLC-Methoden in Verbindung mit hochauflösender MS und deren Anwendung zur Analyse sekundärer organischer Aerosole in der Atmosphäre

Die Erdatmosphäre besteht hauptsächlich aus Stickstoff (78%), Sauerstoff (21%) und Edelga¬sen. Obwohl Partikel weniger als 0,1% ausmachen, spielen sie eine entscheidende Rolle in der Chemie und Physik der Atmosphäre, da sie das Klima der Erde sowohl direkt als auch indirekt beeinflussen. Je nach Art der Bildung unterscheidet man zwischen primären und sekundären Partikeln, wobei primäre Partikel direkt in die Atmosphäre eingetragen werden. Sekundäre Partikel hingegen entstehen durch Kondensation von schwerflüchtigen Verbindungen aus der Gasphase, welche durch Reaktionen von gasförmigen Vorläufersubstanzen (volatile organic compounds, VOCs) mit atmosphärischen Oxidantien wie Ozon oder OH-Radikalen gebildet werden. Da die meisten Vorläufersubstanzen organischer Natur sind, wird das daraus gebil¬dete Aerosol als sekundäres organisches Aerosol (SOA) bezeichnet. Anders als die meisten primären Partikel stammen die VOCs überwiegend aus biogenen Quellen. Es handelt sich da¬bei um ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die bei intensiver Sonneneinstrahlung und hohen Temperaturen von Pflanzen emittiert werden. Viele der leichtflüchtigen Vorläufersubstanzen sind chiral, sowohl die Vorläufer als auch die daraus gebildeten Partikel werden aber in den meisten Studien als eine Verbindung betrachtet und gemeinsam analysiert. Die mit Modellen berechneten SOA-Konzentrationen, welche auf dieser traditionellen Vorstellung der SOA-Bil¬dung beruhen, liegen deutlich unterhalb der in der Atmosphäre gefundenen, so dass neben diesem Bildungsweg auch noch andere SOA-Bildungsarten existieren müssen. Aus diesem Grund wird der Fokus der heutigen Forschung vermehrt auf die heterogene Chemie in der Partikelphase gerichtet. Glyoxal als Modellsubstanz kommt hierbei eine wichtige Rolle zu. Es handelt sich bei dieser Verbindung um ein Molekül mit einem hohen Dampfdruck, das auf Grund dieser Eigenschaft nur in der Gasphase zu finden sein sollte. Da es aber über zwei Alde¬hydgruppen verfügt, ist es sehr gut wasserlöslich und kann dadurch in die Partikelphase über¬gehen, wo es heterogenen chemischen Prozessen unterliegt. Unter anderem werden in An¬wesenheit von Ammoniumionen Imidazole gebildet, welche wegen der beiden Stickstoff-He¬teroatome lichtabsorbierende Eigenschaften besitzen. Die Verteilung von Glyoxal zwischen der Gas- und der Partikelphase wird durch das Henrysche Gesetz beschrieben, wobei die Gleichgewichtskonstante die sogenannte Henry-Konstante ist. Diese ist abhängig von der un¬tersuchten organischen Verbindung und den im Partikel vorhandenen anorganischen Salzen. Für die Untersuchung chiraler Verbindungen im SOA wurde zunächst eine Filterextraktions¬methode entwickelt und die erhaltenen Proben anschließend mittels chiraler Hochleistungs-Flüssigchromatographie, welche an ein Elektrospray-Massenspektrometer gekoppelt war, analysiert. Der Fokus lag hierbei auf dem am häufigsten emittierten Monoterpen α-Pinen und seinem Hauptprodukt, der Pinsäure. Da bei der Ozonolyse des α-Pinens das cyclische Grund¬gerüst erhalten bleibt, können trotz der beiden im Molekül vorhanden chiralen Zentren nur zwei Pinsäure Enantiomere gebildet werden. Als Extraktionsmittel wurde eine Mischung aus Methanol/Wasser 9/1 gewählt, mit welcher Extraktionseffizienzen von 65% für Pinsäure Enan¬tiomer 1 und 68% für Pinsäure Enantiomer 2 erreicht werden konnten. Des Weiteren wurden Experimente in einer Atmosphärensimulationskammer durchgeführt, um die Produkte der α-Pinen Ozonolyse eindeutig zu charakterisieren. Enantiomer 1 wurde demnach aus (+)-α-Pinen gebildet und Enantiomer 2 entstand aus (-)-α-Pinen. Auf Filterproben aus dem brasilianischen Regenwald konnte ausschließlich Pinsäure Enantiomer 2 gefunden werden. Enantiomer 1 lag dauerhaft unterhalb der Nachweisgrenze von 18,27 ng/mL. Im borealen Nadelwald war das Verhältnis umgekehrt und Pinsäure Enantiomer 1 überwog vor Pinsäure Enantiomer 2. Das Verhältnis betrug 56% Enantiomer 1 zu 44% Enantiomer 2. Saisonale Verläufe im tropischen Regenwald zeigten, dass die Konzentrationen zur Trockenzeit im August höher waren als wäh¬rend der Regenzeit im Februar. Auch im borealen Nadelwald wurden im Sommer höhere Kon¬zentrationen gemessen als im Winter. Die Verhältnisse der Enantiomere änderten sich nicht im jahreszeitlichen Verlauf. Die Bestimmung der Henry-Konstanten von Glyoxal bei verschiedenen Saataerosolen, nämlich Ammoniumsulfat, Natriumnitrat, Kaliumsulfat, Natriumchlorid und Ammoniumnitrat sowie die irreversible Produktbildung aus Glyoxal in Anwesenheit von Ammoniak waren Forschungs¬gegenstand einer Atmosphärensimulationskammer-Kampagne am Paul-Scherrer-Institut in Villigen, Schweiz. Hierzu wurde zunächst das zu untersuchende Saataerosol in der Kammer vorgelegt und dann aus photochemisch erzeugten OH-Radikalen und Acetylen Glyoxal er¬zeugt. Für die Bestimmung der Glyoxalkonzentration im Kammeraerosol wurde zunächst eine beste¬hende Filterextraktionsmethode modifiziert und die Analyse mittels hochauflösender Mas¬senspektrometrie realisiert. Als Extraktionsmittel kam 100% Acetonitril, ACN zum Einsatz wo¬bei die Extraktionseffizienz bei 85% lag. Für die anschließende Derivatisierung wurde 2,4-Di¬nitrophenylhydrazin, DNPH verwendet. Dieses musste zuvor drei Mal mittels Festphasenex¬traktion gereinigt werden um störende Blindwerte ausreichend zu minimieren. Die gefunde¬nen Henry-Konstanten für Ammoniumsulfat als Saataerosol stimmten gut mit in der Literatur gefundenen Werten überein. Die Werte für Natriumnitrat und Natriumchlorid als Saataerosol waren kleiner als die von Ammoniumsulfat aber größer als der Wert von reinem Wasser. Für Ammoniumnitrat und Kaliumsulfat konnten keine Konstanten berechnet werden. Alle drei Saataerosole führten zu einem „Salting-in“. Das bedeutet, dass bei Erhöhung der Salzmolalität auch die Glyoxalkonzentration im Partikel stieg. Diese Beobachtungen sind auch in der Litera¬tur beschrieben, wobei die Ergebnisse dort nicht auf der Durchführung von Kammerexperi¬menten beruhen, sondern mittels bulk-Experimenten generiert wurden. Für die Trennung der Imidazole wurde eine neue Filterextraktionsmethode entwickelt, wobei sich ein Gemisch aus mit HCl angesäuertem ACN/H2O im Verhältnis 9/1 als optimales Extrak¬tionsmittel herausstellte. Drei verschiedenen Imidazole konnten mit dieser Methode quanti¬fiziert werden, nämlich 1-H-Imidazol-4-carbaldehyd (IC), Imidazol (IM) und 2,2‘-Biimidazol (BI). Die Effizienzen lagen für BI bei 95%, für IC bei 58% und für IM bei 75%. Kammerexperimente unter Zugabe von Ammoniak zeigten höhere Imidazolkonzentrationen als solche ohne. Wurden die Experimente ohne Ammoniak in Anwesenheit von Ammoni¬umsulfat durchgeführt, wurden höhere Imidazol-Konzentrationen gefunden als ohne Ammo¬niumionen. Auch die relative Luftfeuchtigkeit spielte eine wichtige Rolle, da sowohl eine zu hohe als auch eine zu niedrige relative Luftfeuchtigkeit zu einer verminderten Imidazolbildung führte. Durch mit 13C-markiertem Kohlenstoff durchgeführte Experimente konnte eindeutig gezeigt werden, dass es sich bei den gebildeten Imidazolen und Glyoxalprodukte handelte. Außerdem konnte der in der Literatur beschriebene Bildungsmechanismus erfolgreich weiter¬entwickelt werden. Während der CYPHEX Kampagne in Zypern konnten erstmalig Imidazole in Feldproben nach¬gewiesen werden. Das Hauptprodukt IC zeigte einen tageszeitlichen Verlauf mit höheren Kon¬zentrationen während der Nacht und korrelierte signifikant aber schwach mit der Acidität und Ammoniumionenkonzentration des gefundenen Aerosols.

A gamma-glutamyl peptide isolated from onion (Allium cepa L.) by bioassay-guided fractionation inhibits resorption activity of osteoclasts

One gram of onion added to the food of rats inhibits significantly (p < 0.05) bone resorption as assessed by the urinary excretion of tritium released from bone of 9-week-old rats prelabeled with tritiated tetracycline from weeks 1 to 6. To isolate and identify the bone resorption inhibiting compound from onion, onion powder was extracted and the extract fractionated by column chromatography and medium-pressure liquid chromatography. A single active peak was finally obtained by semipreparative high-performance liquid chromatography. The biological activity of the various fractions was tested in vitro on the activity of osteoclasts to form resorption pits on a mineralized substrate. Medium, containing the various fractions or the pure compound, was added to osteoclasts of new-born rats settled on ivory slices. After 24 h of incubation, the tartrate-resistant acid phosphatase positive multinucleated cells, that is, osteoclasts, were counted. Subsequently, the number of resorption pits was determined. Activity was calculated as the ratio of resorption pits/osteoclasts and was compared to a negative control, that is, medium containing 10% fetal bovine serum only and to calcitonin (10(-12) M) as a positive control. Finally, a single peak inhibited osteoclast activity significantly (p < 0.05). The structure of this compound was elucidated with high-performance liquid chromatography-electrospray ionization-mass spectrometry, time-of-flight electrospray ionization mass spectrometry, and nuclear magnetic resonance spectroscopy. The single peak was identified as gamma-L-glutamyl-trans-S-1-propenyl-L-cysteine sulfoxide (GPCS). It has a molecular mass of 306 Da and inhibits dose-dependently the resorption activity of osteoclasts, the minimal effective dose being approximately 2 mM. As no other peak displayed inhibitory activity, it likely is responsible for the effect of onion on bone resorption.

A technique for continuous detection of drill liquid in ice cores

When drilling ice cores deeper than ∼100 m, drill liquid is required to maintain ice-core quality and to limit borehole closure. Due to high-pressure air bubbles in the ice, the ice core can crack during drilling and core retrieval, typically at 600–1200 m depth in Greenland. Ice from this 'brittle zone' can be contaminated by drill liquid as it seeps through cracks into the core. Continuous flow analysis (CFA) systems are routinely used to analyse ice for chemical impurities, so the detection of drill liquid is important for validating accurate measurements and avoiding potential instrument damage. An optical detector was constructed to identify drill liquid in CFA tubing by ultraviolet absorption spectroscopy at a wavelength of 290 nm. The set-up was successfully field-tested in the frame of the NEEM ice-core drilling project in Greenland. A total of 27 cases of drill liquid contamination were identified during the analysis of 175 m of brittle zone ice. The analyses most strongly affected by drill liquid contamination include insoluble dust particles, electrolytic conductivity, ammonium, hydrogen peroxide and sulphate. This method may also be applied to other types of drill liquid used at other drill sites.

A new sensitive method for the quantification of glyoxal and methylglyoxal in snow and ice by stir bar sorptive extraction and liquid desorption-HPLC-ESI-MS

In this study, the development of a new sensitive method for the analysis of alpha-dicarbonyls glyoxal (G) and methylglyoxal (MG) in environmental ice and snow is presented. Stir bar sorptive extraction with in situ derivatization and liquid desorption (SBSE-LD) was used for sample extraction, enrichment, and derivatization. Measurements were carried out using high-performance liquid chromatography coupled to electrospray ionization tandem mass spectrometry (HPLC-ESI-MS/MS). As part of the method development, SBSE-LD parameters such as extraction time, derivatization reagent, desorption time and solvent, and the effect of NaCl addition on the SBSE efficiency as well as measurement parameters of HPLC-ESI-MS/MS were evaluated. Calibration was performed in the range of 1–60 ng/mL using spiked ultrapure water samples, thus incorporating the complete SBSE and derivatization process. 4-Fluorobenzaldehyde was applied as internal standard. Inter-batch precision was <12 % RSD. Recoveries were determined by means of spiked snow samples and were 78.9 ± 5.6 % for G and 82.7 ± 7.5 % for MG, respectively. Instrumental detection limits of 0.242 and 0.213 ng/mL for G and MG were achieved using the multiple reaction monitoring mode. Relative detection limits referred to a sample volume of 15 mL were 0.016 ng/mL for G and 0.014 ng/mL for MG. The optimized method was applied for the analysis of snow samples from Mount Hohenpeissenberg (close to the Meteorological Observatory Hohenpeissenberg, Germany) and samples from an ice core from Upper Grenzgletscher (Monte Rosa massif, Switzerland). Resulting concentrations were 0.085–16.3 ng/mL for G and 0.126–3.6 ng/mL for MG. Concentrations of G and MG in snow were 1–2 orders of magnitude higher than in ice core samples. The described method represents a simple, green, and sensitive analytical approach to measure G and MG in aqueous environmental samples.

Direct observation of liquid crystals using cryo-TEM: Specimen preparation and low-dose imaging

Liquid crystals (LCs) represent a challenging group of materials for direct transmission electron microscopy (TEM) studies due to the complications in specimen preparation and the severe radiation damage. In this paper, we summarize a series of specimen preparation methods, including thin film and cryo-sectioning approaches, as a comprehensive toolset enabling high-resolution direct cryo-TEM observation of a broad range of LCs. We also present comparative analysis using cryo-TEM and replica freeze-fracture TEM on both thermotropic and lyotropic LCs. In addition to the revisits of previous practices, some new concepts are introduced, e.g., suspended thermotropic LC thin films, combined high-pressure freezing and cryo-sectioning of lyotropic LCs, and the complementary applications of direct TEM and indirect replica TEM techniques. The significance of subnanometer resolution cryo-TEM observation is demonstrated in a few important issues in LC studies, including providing direct evidences for the existence of nanoscale smectic domains in nematic bent-core thermotropic LCs, comprehensive understanding of the twist-bend nematic phase, and probing the packing of columnar aggregates in lyotropic chromonic LCs. Direct TEM observation opens ways to a variety of TEM techniques, suggesting that TEM (replica, cryo, and in situ techniques), in general, may be a promising part of the solution to the lack of effective structural probe at the molecular scale in LC studies. Microsc. Res. Tech. 77:754-772, 2014. © 2014 Wiley Periodicals, Inc.

Pore water acetate and hydrogen, helium and methane gas concentrations in ODP Leg 204 sediments

Acetate and hydrogen concentrations in pore fluids were measured in samples taken at seven sites from southern Hydrate Ridge (SHR) offshore Oregon, USA. Acetate concentrations ranged from 3.17 to 2515 µM. The maximum acetate concentrations occurred at Site 1251, which was drilled on a slope basin to the east of SHR at depths just above the bottom-simulating reflector (BSR) that marks the boundary of gas hydrate stability. Acetate maxima and localized high acetate concentrations occurred at the BSR at all sites and frequently corresponded with areas of gas hydrate accumulation, suggesting an empirical relationship. Acetate concentrations were typically at a minimum near the seafloor and above the sulfate/methane interface, where sulfate-reducing bacteria may consume acetate. Hydrogen concentrations in pressure core samples ranged from 16.45 to 1036 parts per million by volume (ppmv). In some cases, hydrogen and acetate concentrations were elevated concurrently, suggesting a positive correlation. However, sampling of hydrogen was limited in comparison to acetate, so any relationships between the two analytes, if present, were difficult to discern.