New insights into the substrate specificities of microbial transglutaminase: a biocatalytic perspective

La transglutaminase microbienne (Microbial transglutaminase : MTG) est fortement exploitée dans l’industrie textile et alimentaire afin de modifier l’apparence et la texture de divers produits. Elle catalyse la formation de liaisons iso-peptidiques entre des protéines par l’entremise d’une réaction de transfert d’acyle entre le groupement γ-carboxamide d’une glutamine provenant d’un substrat donneur d’acyle, et le groupement ε-amino d’une lysine provenant d’un substrat accepteur d’acyle. La MTG est tolérante à un large éventail de conditions réactionnelles, ce qui rend propice le développement de cette enzyme en tant que biocatalyseur. Ayant pour but le développement de la MTG en tant qu’alternative plus soutenable à la synthèse d’amides, nous avons étudié la réactivité d’une gamme de substrats donneurs et accepteurs non-naturels. Des composés chimiquement diversifiés, de faible masse moléculaire, ont été testés en tant que substrats accepteurs alternatifs. Il fut démontré que la MTG accepte une large gamme de composés à cet effet. Nous avons démontré, pour la première fois, que des acides aminés non-ramifiés et courts, tels la glycine, peuvent servir de substrat accepteur. Les α-acides aminés estérifiés Thr, Ser, Cys et Trp, mais pas Ile, sont également réactifs. En étendant la recherche à des composés non-naturels, il fut observé qu’un cycle aromatique est bénéfique pour la réactivité, bien que les substituants réduisent l’activité. Fait notable, des amines de faible masse moléculaire, portant les groupements de forte densité électronique azidure ou alcyne, sont très réactives. La MTG catalyse donc efficacement la modification de peptides qui pourront ensuite être modifiés ou marqués par la chimie ‘click’. Ainsi, la MTG accepte une variété de substrats accepteurs naturels et non-naturels, élargissant la portée de modification des peptides contenant la glutamine. Afin de sonder le potentiel biocatalytique de la MTG par rapport aux substrats donneurs, des analogues plus petits du peptide modèle Z-Gln-Gly furent testés; aucun n’a réagi. Nous avons toutefois démontré, pour la première fois, la faible réactivité d’esters en tant que substrats donneurs de la MTG. L’éventuelle amélioration de cette réactivité permettrait de faire de la MTG un biocatalyseur plus général pour la synthèse d’amides. Mots clés: Lien amide, biocatalyse, biotransformation, transglutaminase, arrimage moléculaire, criblage de substrats, ingénierie de substrats.

Modification of the substrate specificity of an acyl-acyl carrier protein thioesterase by protein engineering.

The plant acyl-acyl carrier protein (ACP) thioesterases (TEs) are of biochemical interest because of their roles in fatty acid synthesis and their utilities in the bioengineering of plant seed oils. When the FatB1 cDNA encoding a 12:0-ACP TE (Uc FatB1) from California bay, Umbellularia californica (Uc) was expressed in Escherichia coli and in developing oilseeds of the plants Arabidopsis thaliana and Brassica napus, large amounts of laurate (12:0) and small amounts of myristate (14:0) were accumulated. We have isolated a TE cDNA from camphor (Cinnamomum camphorum) (Cc) seeds that shares 92% amino acid identity with Uc FatB1. This TE, Cc FatB1, mainly hydrolyzes 14:0-ACP as shown by E. coli expression. We have investigated the roles of the N- and C-terminal regions in determining substrate specificity by constructing two chimeric enzymes, in which the N-terminal portion of one protein is fused to the C-terminal portion of the other. Our results show that the C-terminal two-thirds of the protein is critical for the specificity. By site-directed mutagenesis, we have replaced several amino acids in Uc FatB1 by using the Cc FatB1 sequence as a guide. A double mutant, which changes Met-197 to an Arg and Arg-199 to a His (M197R/R199H), turns Uc FatB1 into a 12:0/14:0 TE with equal preference for both substrates. Another mutation, T231K, by itself does not effect the specificity. However, when it is combined with the double mutant to generate a triple mutant (M197R/R199H/T231K), Uc FatB1 is converted to a 14:0-ACP TE. Expression of the double-mutant cDNA in E. coli K27, a strain deficient in fatty acid degradation, results in accumulation of similar amounts of 12:0 and 14:0. Meanwhile the E. coli expressing the triple-mutant cDNA produces predominantly 14:0 with very small amounts of 12:0. Kinetic studies indicate that both wild-type Uc FatB1 and the triple mutant have similar values of Km,app with respect to 14:0-ACP. Inhibitory studies also show that 12:0-ACP is a good competitive inhibitor with respect to 14:0-ACP in both the wild type and the triple mutant. These results imply that both 12:0- and 14:0-ACP can bind to the two proteins equally well, but in the case of the triple mutant, the hydrolysis of 12:0-ACP is severely impaired. The ability to modify TE specificity should allow the production of additional "designer oils" in genetically engineered plants.

The Penicillium chrysogenum aclA gene encodes a broad-substrate-specificity acyl-coenzyme A ligase involved in activation of adipic acid, a side-chain precursor for cephem antibiotics

Activation of the cephalosporin side-chain precursor to the corresponding CoA-thioester is an essential step for its incorporation into the P-lactam backbone. To identify an acyl-CoA ligase involved in activation of adipate, we searched in the genome database of Penicillium chrysogenum for putative structural genes encoding acyl-CoA ligases. Chemostat-based transcriptome analysis was used to identify the one presenting the highest expression level when cells were grown in the presence of adipate. Deletion of the gene renamed aclA, led to a 32% decreased specific rate of adipate consumption and a threefold reduction of adipoyl-6-aminopenicillanic acid levels, but did not affect penicillin V production. After overexpression in Escherichia coli, the purified protein was shown to have a broad substrate range including adipate. Finally, protein-fusion with cyan-fluorescent protein showed co-localization with microbody-borne acyl-transferase. Identification and functional characterization of aclA may aid in developing future metabolic engineering strategies for improving the production of different cephalosporins. (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

Substrate-inhibited kinetics with catalyst deactivation in an isothermal CSTR

Analytical expressions are developed for the time-dependent reactant concentration and catalyst activity in an isothermal CSTR with Langmuir-Hinshelwood kinetics of deactivation and reaction. Several parallel and series posioning mechanisms are considered for a reactor which, without poisoning, would operate at a unique steady state. The use of matched asymptotic expansions and abandonment of the usual initial-steady-state assumption give results, valid from startup to final loss of activity, whose accuracy can be improved systematically.

Substrate-inhibited kinetics with catalyst deactivation in an isothermal CSTR. II. Multiple pseudosteady states and reactor failure

Analytical expressions are derived for the time and magnitude of failure of an isothermal CSTR with substrate-inhibited kinetics, caused by slow catalyst deactivation under three types of parallel and series mechanisms. Reactors operating at high space velocity are found to be most susceptible to early failure and poisoning by product is more dangerous than by reactant. The magnitude of the jump across steady states depends solely on the Langmuir-Hinshelwood kinetic parameters and a detailed analysis of reactor behavior during the jump itself is given.

Deproteinized dentin: A favorable substrate to self-bonding resin cements?

The adhesive performance on deproteinized dentin of different self-adhesive resin cements was evaluated through microtensile bond strength (mu TBS) analysis and scanning electron microscopy (SEM). Occlusal dentin of human molars were distributed into different groups, according to the categories: adhesive cementation with two-step bonding systems-control Groups (Adper Single Bond 2 + RelyX ARC/3M ESPE; One Step Plus + Duolink/Bisco; Excite + Variolink I/Ivoclar Vivadent) and self-adhesive cementation-experimental groups (Rely X Unicem/3M ESPE; Biscem/Bisco; MultiLink Sprint/Ivoclar Vivadent). Each group was subdivided according to the dentin approach to: alpha, maintenance of collagen fibers and beta, deproteinization. The mean values were obtained, and submitted to ANOVA and Tukey test. Statistical differences were obtained to the RelyX Unicem groups (alpha = 13.59 MPa; beta = 30.19 MPa). All the BIS Group specimens failed before the mechanical tests. Dentinal deproteinization provided an improved bond performance for the self-adhesive cement Rely X Unicem, and had no negative effect on the other cementing systems studied. (C) 2011 Wiley Periodicals, Inc. J Biomed Mater Res Part B: Appl Biomater 98B: 387-394, 2011.

Influence of the bonding substrate in dental composite polymerization stress testing

Our objective was to compare the polymerization stress (sigma(pol)) of a series of composites obtained using poly(methyl methacrylate) (PMMA) or glass as bonding substrates, and to compare the results with those from in vitro microleakage of composite restorations. The tested hypothesis was that stress values obtained in a less rigid testing system (i.e. using PMMA) would show a better relationship with microleakage data. Five dental composites were tested: Filtek Z250 (FZ), Z100 (Z1), Concept (CO), Durafill (DU) and Heliomolar (HM). sigma(pol) was determined in 1 mm high specimens inserted between two rods (empty set = 5 mm) of either PMMA or glass. The composite elastic modulus (E) was obtained by three-point bending. sigma(pol) and E data were submitted to a one-way analysis of variance/Tukey test (alpha = 0.05). For the microleakage test (MI), bovine incisors received cylindrical cavities (empty set = 5 mm, h = 2 mm), which were restored in bulk. After storage for 24 h in water, specimens were subjected to dye penetration using AgNO(3) as tracer. Specimens were sectioned twice, perpendicularly, and microleakage was measured (in millimeters) under 20x magnification. Data from MI were submitted to the Kruskal-Wallis test. Means (SD) of sigma(pol) (MPa) using glass/PMMA were FZ: 7.5(1.8)(A)/2.5(0.2)(bc); Z1: 7.3(0.5)(A)/2.8(0.3)(ab); CO: 6.8(1.1)(A)/3.2(0.5)(a); DU: 4.5(0.7)(B)/2.0(0.2)(bc); HM: 3.5(0.2)(B)/2.3(0.3)(c). sigma(pol) obtained using PMMA rods were 34-67% lower than with glass. Means (SD) for tooth average/tooth maximum microleakage were FZ: 0.92(0.19)(B)/1.53(0.30)(a); Z1: 1.19(0.21)(A)/1.75(0.20)(a); CO: 1.26(0.25)(A)/1.78(0.24)(a); DU: 0.83(0.30)(B)/1.68(0.46)(a): HM: 0.81(0.27)(B)/1.64(0.54)(a). The tested hypothesis was confirmed, as the composites showed the same ordering both in the polymerization stress test using PMMA rods and in the microleakage test. (C) 2009 Acta Materialia Inc. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

A new method of threshold voltage extraction via MOSFET gate-to-substrate capacitance measurement

A new method to extract MOSFET's threshold voltage VT by measurement of the gate-to-substrate capacitance C-gb of the transistor is presented. Unlike existing extraction methods based on I-V data, the measurement of C-gb does not require de drain current to now between drain and source thus eliminating the effects of source and drain series resistance R-S/D, and at the same time, retains a symmetrical potential profile across the channel. Experimental and simulation results on devices with different sizes are presented to justify the proposed method.

Reduced peroxisomal citrate synthase activity increases substrate availability for polyhydroxyalkanoate biosynthesis in plant peroxisomes.

Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are bacterial carbon storage polymers used as renewable, biodegradable plastics. PHA production in plants may be a way to reduce industrial PHA production costs. We recently demonstrated a promising level of peroxisomal PHA production in the high biomass crop species sugarcane. However, further production strategies are needed to boost PHA accumulation closer to commercial targets. Through exogenous fatty acid feeding of Arabidopsis thaliana plants that contain peroxisome-targeted PhaA, PhaB and PhaC enzymes from Cupriavidus necator, we show here that the availability of substrates derived from the β-oxidation cycle limits peroxisomal polyhydroxybutyrate (PHB) biosynthesis. Knockdown of peroxisomal citrate synthase activity using artificial microRNA increased PHB production levels approximately threefold. This work demonstrates that reduction of peroxisomal citrate synthase activity may be a valid metabolic engineering strategy for increasing PHA production in other plant species.

Improvements in Fermentative Hydrogen Production through Physiological Manipulation and Metabolic Engineering

La production biologique d'hydrogène (H2) représente une technologie possible pour la production à grande échelle durable de H2 nécessaire pour l'économie future de l'hydrogène. Cependant, l'obstacle majeur à l'élaboration d'un processus pratique a été la faiblesse des rendements qui sont obtenus, généralement autour de 25%, bien en sous des rendements pouvant être atteints pour la production de biocarburants à partir d'autres processus. L'objectif de cette thèse était de tenter d'améliorer la production d'H2 par la manipulation physiologique et le génie métabolique. Une hypothèse qui a été étudiée était que la production d'H2 pourrait être améliorée et rendue plus économique en utilisant un procédé de fermentation microaérobie sombre car cela pourrait fournir la puissance supplémentaire nécessaire pour une conversion plus complète du substrat et donc une production plus grande d'H2 sans l'aide de l'énergie lumineuse. Les concentrations optimales d’O2 pour la production de H2 microaérobie ont été examinées ainsi que l'impact des sources de carbone et d'azote sur le processus. La recherche présentée ici a démontré la capacité de Rhodobacter capsulatus JP91 hup- (un mutant déficient d’absorption-hydrogénase) de produire de l'H2 sous condition microaérobie sombre avec une limitation dans des quantités d’O2 et d'azote fixé. D'autres travaux devraient être entrepris pour augmenter les rendements d'H2 en utilisant cette technologie. De plus, un processus de photofermentation a été créé pour améliorer le rendement d’H2 à partir du glucose à l'aide de R. capsulatus JP91 hup- soit en mode non renouvelé (batch) et / ou en conditions de culture en continu. Certains défis techniques ont été surmontés en mettant en place des conditions adéquates de fonctionnement pour un rendement accru d'H2. Un rendement maximal de 3,3 mols de H2/ mol de glucose a été trouvé pour les cultures en batch tandis que pour les cultures en continu, il était de 10,3 mols H2/ mol de glucose, beaucoup plus élevé que celui rapporté antérieurement et proche de la valeur maximale théorique de 12 mols H2/ mol de glucose. Dans les cultures en batch l'efficacité maximale de conversion d’énergie lumineuse était de 0,7% alors qu'elle était de 1,34% dans les cultures en continu avec un rendement de conversion maximum de la valeur de chauffage du glucose de 91,14%. Diverses autres approches pour l'augmentation des rendements des processus de photofermentation sont proposées. Les résultats globaux indiquent qu'un processus photofermentatif efficace de production d'H2 à partir du glucose en une seule étape avec des cultures en continu dans des photobioréacteurs pourrait être développé ce qui serait un processus beaucoup plus prometteur que les processus en deux étapes ou avec les co-cultures étudiés antérieurément. En outre, l'expression hétérologue d’hydrogenase a été utilisée comme une stratégie d'ingénierie métabolique afin d'améliorer la production d'H2 par fermentation. La capacité d'exprimer une hydrogénase d'une espèce avec des gènes de maturation d'une autre espèce a été examinée. Une stratégie a démontré que la protéine HydA orpheline de R. rubrum est fonctionnelle et active lorsque co-exprimée chez Escherichia coli avec HydE, HydF et HydG provenant d'organisme différent. La co-expression des gènes [FeFe]-hydrogénase structurels et de maturation dans des micro-organismes qui n'ont pas une [FeFe]-hydrogénase indigène peut entraîner le succès dans l'assemblage et la biosynthèse d'hydrogénase active. Toutefois, d'autres facteurs peuvent être nécessaires pour obtenir des rendements considérablement augmentés en protéines ainsi que l'activité spécifique des hydrogénases recombinantes. Une autre stratégie a consisté à surexprimer une [FeFe]-hydrogénase très active dans une souche hôte de E. coli. L'expression d'une hydrogénase qui peut interagir directement avec le NADPH est souhaitable car cela, plutôt que de la ferrédoxine réduite, est naturellement produit par le métabolisme. Toutefois, la maturation de ce type d'hydrogénase chez E. coli n'a pas été rapportée auparavant. L'opéron hnd (hndA, B, C, D) de Desulfovibrio fructosovorans code pour une [FeFe]-hydrogénase NADP-dépendante, a été exprimé dans différentes souches d’E. coli avec les gènes de maturation hydE, hydF et hydG de Clostridium acetobutylicum. L'activité de l'hydrogénase a été détectée in vitro, donc une NADP-dépendante [FeFe]-hydrogénase multimérique active a été exprimée avec succès chez E. coli pour la première fois. Les recherches futures pourraient conduire à l'expression de cette enzyme chez les souches de E. coli qui produisent plus de NADPH, ouvrant la voie à une augmentation des rendements d'hydrogène via la voie des pentoses phosphates.

Improving the microbial production of biofuels through metabolic engineering

Les défis conjoints du changement climatique d'origine anthropique et la diminution des réserves de combustibles fossiles sont le moteur de recherche intense pour des sources d'énergie alternatives. Une avenue attrayante est d'utiliser un processus biologique pour produire un biocarburant. Parmi les différentes options en matière de biocarburants, le bio-hydrogène gazeux est un futur vecteur énergétique attrayant en raison de son efficacité potentiellement plus élevé de conversion de puissance utilisable, il est faible en génération inexistante de polluants et de haute densité d'énergie. Cependant, les faibles rendements et taux de production ont été les principaux obstacles à l'application pratique des technologies de bio-hydrogène. Des recherches intensives sur bio-hydrogène sont en cours, et dans les dernières années, plusieurs nouvelles approches ont été proposées et étudiées pour dépasser ces inconvénients. À cette fin, l'objectif principal de cette thèse était d'améliorer le rendement en hydrogène moléculaire avec un accent particulier sur l'ingénierie métabolique et l’utilisation de bioprocédés à variables indépendantes. Une de nos hypothèses était que la production d’hydrogène pourrait être améliorée et rendue plus économiquement viable par ingénierie métabolique de souches d’Escherichia coli producteurs d’hydrogène en utilisant le glucose ainsi que diverses autres sources de carbone, y compris les pentoses. Les effets du pH, de la température et de sources de carbone ont été étudiés. La production maximale d'hydrogène a été obtenue à partir de glucose, à un pH initial de 6.5 et une température de 35°C. Les études de cinétiques de croissance ont montré que la μmax était 0.0495 h-1 avec un Ks de 0.0274 g L-1 lorsque le glucose est la seule source de carbone en milieu minimal M9. .Parmi les nombreux sucres et les dérivés de sucres testés, les rendements les plus élevés d'hydrogène sont avec du fructose, sorbitol et D-glucose; 1.27, 1.46 et 1.51 mol H2 mol-1 de substrat, respectivement. En outre, pour obtenir les interactions entre les variables importantes et pour atteindre une production maximale d'hydrogène, un design 3K factoriel complet Box-Behnken et la méthodologie de réponse de surface (RSM) ont été employées pour la conception expérimentale et l'analyse de la souche d'Escherichia coli DJT135. Le rendement en hydrogène molaire maximale de 1.69 mol H2 mol-1 de glucose a été obtenu dans les conditions optimales de 75 mM de glucose, à 35°C et un pH de 6.5. Ainsi, la RSM avec un design Box-Behken était un outil statistique utile pour atteindre des rendements plus élevés d'hydrogène molaires par des organismes modifiés génétiquement. Ensuite, l'expression hétérologue de l’hydrogénases soluble [Ni-Fe] de Ralstonia eutropha H16 (l'hydrogénase SH) a tenté de démontrer que la mise en place d'une voie capable de dériver l'hydrogène à partir de NADH pourrait surpasser le rendement stoechiométrique en hydrogène.. L’expression a été démontrée par des tests in vitro de l'activité enzymatique. Par ailleurs, l'expression de SH a restaurée la croissance en anaérobie de souches mutantes pour adhE, normalement inhibées en raison de l'incapacité de réoxyder le NADH. La mesure de la production d'hydrogène in vivo a montré que plusieurs souches modifiées métaboliquement sont capables d'utiliser l'hydrogénase SH pour dériver deux moles d’hydrogène par mole de glucose consommé, proche du maximum théorique. Une autre stratégie a montré que le glycérol brut pourrait être converti en hydrogène par photofermentation utilisant Rhodopseudomonas palustris par photofermentation. Les effets de la source d'azote et de différentes concentrations de glycérol brut sur ce processus ont été évalués. À 20 mM de glycérol, 4 mM glutamate, 6.1 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus dans des conditions optimales, un rendement de 87% de la théorie, et significativement plus élevés que ce qui a été réalisé auparavant. En prolongement de cette étude, l'optimisation des paramètres a également été utilisée. Dans des conditions optimales, une intensité lumineuse de 175 W/m2, 30 mM glycérol et 4.5 mM de glutamate, 6.69 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus, soit un rendement de 96% de la valeur théorique. La détermination de l'activité de la nitrogénase et ses niveaux d'expression ont montré qu'il y avait relativement peu de variation de la quantité de nitrogénase avec le changement des variables alors que l'activité de la nitrogénase variait considérablement, avec une activité maximale (228 nmol de C2H4/ml/min) au point central optimal. Dans la dernière section, la production d'hydrogène à partir du glucose via la photofermentation en une seule étape a été examinée avec la bactérie photosynthétique Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-). La méthodologie de surface de réponse avec Box-Behnken a été utilisée pour optimiser les variables expérimentales de façon indépendante, soit la concentration de glucose, la concentration du glutamate et l'intensité lumineuse, ainsi que d'examiner leurs effets interactifs pour la maximisation du rendement en hydrogène moléculaire. Dans des conditions optimales, avec une intensité lumineuse de 175 W/m2, 35 mM de glucose, et 4.5 mM de glutamate,, un rendement maximal d'hydrogène de 5.5 (± 0.15) mol hydrogène /mol glucose, et un maximum d'activité de la nitrogénase de 246 (± 3.5) nmol C2H4/ml/min ont été obtenus. L'analyse densitométrique de l'expression de la protéine-Fe nitrogenase dans les différentes conditions a montré une variation significative de l'expression protéique avec un maximum au point central optimisé. Même dans des conditions optimales pour la production d'hydrogène, une fraction significative de la protéine Fe a été trouvée dans l'état ADP-ribosylée, suggérant que d'autres améliorations des rendements pourraient être possibles. À cette fin, un mutant amtB dérivé de Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-) a été créé en utilisant le vecteur de suicide pSUP202. Les résultats expérimentaux préliminaires montrent que la souche nouvellement conçue métaboliquement, R. capsulatus DG9, produit 8.2 (± 0.06) mol hydrogène / mole de glucose dans des conditions optimales de cultures discontinues (intensité lumineuse, 175 W/m2, 35 mM de glucose et 4.5 mM glutamate). Le statut d'ADP-ribosylation de la nitrogénase-protéine Fe a été obtenu par Western Blot pour la souche R. capsulatus DG9. En bref, la production d'hydrogène est limitée par une barrière métabolique. La principale barrière métabolique est due au manque d'outils moléculaires possibles pour atteindre ou dépasser le rendement stochiométrique en bio-hydrogène depuis les dernières décennies en utilisant les microbes. À cette fin, une nouvelle approche d’ingénierie métabolique semble très prometteuse pour surmonter cette contrainte vers l'industrialisation et s'assurer de la faisabilité de la technologie de la production d'hydrogène. Dans la présente étude, il a été démontré que l’ingénierie métabolique de bactéries anaérobiques facultatives (Escherichia coli) et de bactéries anaérobiques photosynthétiques (Rhodobacter capsulatus et Rhodopseudomonas palustris) peuvent produire de l'hydrogène en tant que produit majeur à travers le mode de fermentation par redirection métabolique vers la production d'énergie potentielle. D'autre part, la méthodologie de surface de réponse utilisée dans cette étude représente un outil potentiel pour optimiser la production d'hydrogène en générant des informations appropriées concernant la corrélation entre les variables et des producteurs de bio-de hydrogène modifiés par ingénierie métabolique. Ainsi, un outil d'optimisation des paramètres représente une nouvelle avenue pour faire un pont entre le laboratoire et la production d'hydrogène à l'échelle industrielle en fournissant un modèle mathématique potentiel pour intensifier la production de bio-hydrogène. Par conséquent, il a été clairement mis en évidence dans ce projet que l'effort combiné de l'ingénierie métabolique et la méthodologie de surface de réponse peut rendre la technologie de production de bio-hydrogène potentiellement possible vers sa commercialisation dans un avenir rapproché.

Engineering the Properties of Indium Sulfide for Thin Film Solar Cells by Doping

In the present work, structural, optical and electrical properties of indium sulfide are tuned by specific and controlled doping. Silver, tin, copper and chlorine were used as the doping elements. In2S3 thin films for the present study were prepared using a simple and low cost “Chemical Spray Pyrolysis (CSP)” technique. This technique is adaptable for large-area deposition of thin films in any required shape and facilitates easiness of doping and/or variation of atomic ratio. It involves spraying a solution, usually aqueous, containing soluble salts of the constituents of the desired compound onto a heated substrate. Doping process was optimized for different doping concentrations. On optimizing doping conditions, we tuned the structural, optical and electrical properties of indium sulfide thin films making them perform as an ideal buffer layer.

Substrate Conformal Imprint Lithography als innovatives Verfahren zur Herstellung von Nanospektrometern im sichtbaren Spektralbereich

Selbstbestimmung und -gestaltung des eigenen Alltages gewinnen immer mehr an Bedeutung, insbesondere für ältere Mitmenschen in ländlichen Regionen, die auf ärztliche Versorgung angewiesen sind. Die Schaffung sogenannter smart personal environments mittels einer Vielzahl von, nahezu unsichtbar installierten Sensoren im gewohnten Lebensraum liefert dem Anwender (lebens-) notwendige Informationen über seine Umgebung oder seinen eigenen Körper. Dabei gilt es nicht den Anwender mit technischen Daten, wie Spektren, zu überfordern. Vielmehr sollte die Handhabung so einfach wie möglich gestaltet werden und die ausgewertete Information als Indikationsmittel zum weiteren Handeln dienen. Die Anforderungen an moderne Technologien sind folglich eine starke Miniaturisierung, zur optimalen Integration und Mobilität, bei gleichzeitig hoher Auflösung und Stabilität. Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die Miniaturisierung eines spektroskopischen Systems bei gleichzeitig hohem Auflösungsvermögen für die Detektion im sichtbaren Spektralbereich. Eine Möglichkeit für die Herstellung eines konkurrenzfähigen „Mini-„ oder „Mikrospektrometers“ basiert auf Fabry-Pérot (FP) Filtersystemen, da hierbei die Miniaturisierung nicht wie üblich auf Gittersysteme limitiert ist. Der maßgebliche Faktor für das spektrale Auflösungsvermögen des Spektrometers ist die vertikale Präzision und Homogenität der einzelnen 3D Filterkavitäten, die die unterschiedlichen Transmissionswellenlängen der einzelnen Filter festlegen. Die wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit des am INA entwickelten Nanospektremeters wurde durch die maximale Reduzierung der Prozessschritte, nämlich auf einen einzigen Schritt, erreicht. Erstmalig wird eine neuartige Nanoimprint Technologie, die sog. Substrate Conformal Imprint Lithography, für die Herstellung von wellenlängen-selektierenden Filterkavitäten von stark miniaturisierten Spektrometern eingesetzt. Im Zuge dieser Arbeit wird das Design des FP Filtersystems entwickelt und technologisch mittels Dünnschichtdeposition und der Nanoimprinttechnologie realisiert. Ein besonderer Schwerpunkt liegt hierbei in der Untersuchung des Prägematerials, dessen optische Eigenschaften maßgeblich über die Performance des Filtersystems entscheiden. Mit Hilfe eines speziell gefertigten Mikroskopspektrometers werden die gefertigten Filterfelder hinsichtlich ihrer Transmissionseigenschaften und ihres Auflösungsvermögens hin untersucht. Im Hinblick auf publizierte Arbeiten konkurrierender Arbeitsgruppen konnte eine deutliche Verbesserung des miniaturisierten Spektrometers erreicht werden. Die Minimierung der Prozessschritte auf einen einzigen Prägeschritt sorgt gleichzeitig für eine schnelle und zuverlässige Replikation der wellenlängenselektierenden Filterkavitäten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde aufgezeigt, dass das angestrebte Nanospektrometer, trotz der sehr geringen Größe, eine hohe Auflösung liefern kann und gerade wegen der starken Miniaturisierung mit kommerziellen Mini- und Mikro-spektrometern konkurrenzfähig ist.

Ex vivo expansion of limbal stem cells is affected by substrate properties

Limbal epithelial stem cells play a key role in the maintenance and regulation of the corneal surface. Damage or destruction of these cells results in vascularisation and corneal opacity. Subsequent limbal stem cell transplantation requires an ex vivo expansion step and preserving cells in an undifferentiated state remains vital. In this report we seek to control the phenotype of limbal epithelial stem cells by the novel application of compressed collagen substrates. We have characterised the mechanical and surface properties of conventional collagen gels using shear rheology and scanning electron microscopy. In doing so, we provide evidence to show that compressive load can improve the stiffness of collagen substrates. In addition Western blotting and immunohistochemistry display increased cytokeratin 3 (CK3) protein expression relating to limbal epithelial cell differentiation on stiff collagen substrates. Such gels with an elastic modulus of 2900 Pa supported a significantly higher number of cells than less stiff collagen gels (3 Pa). These findings have substantial influence in the development of ocular surface constructs or experimental models particularly in the fields of stem cell research, tissue engineering and regenerative medicine.

Influence of substrate on corneal epithelial cell viability within ocular surface models

Corneal tissue engineering has improved dramatically over recent years. It is now possible to apply these technological advancements to the development of superior in vitro ocular surface models to reduce animal testing. We aim to show the effect different substrates can have on the viability of expanded corneal epithelial cells and that those which more accurately mimic the stromal surface provide the most protection against toxic assault. Compressed collagen gel as a substrate for the expansion of a human epithelial cell line was compared against two well-known substrates for modeling the ocular surface (polycarbonate membrane and conventional collagen gel). Cells were expanded over 10 days at which point cell stratification, cell number and expression of junctional proteins were assessed by electron microscopy, immunohistochemistry and RT-PCR. The effect of increasing concentrations of sodium lauryl sulphate on epithelial cell viability was quantified by MTT assay. Results showed improvement in terms of stratification, cell number and tight junction expression in human epithelial cells expanded upon either the polycarbonate membrane or compressed collagen gel when compared to a the use of a conventional collagen gel. However, cell viability was significantly higher in cells expanded upon the compressed collagen gel. We conclude that the more naturalistic composition and mechanical properties of compressed collagen gels produces a more robust corneal model.