03 Fakultät Chemie
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Item Open Access Molecular modeling of hydrophobic effects in complex biomolecular systems : from simple mixtures to protein-interface aggregation(2014) Benson, Sven P.; Pleiss, Jürgen (Prof. Dr.)Hydrophobicity is a term commonly used to discuss the formation of molecular structures in aqueous solution, and since water is ubiquitous in cellular systems, it may be applied in virtually every biomolecular context. Hydrophobicity is not a first-principle parameter but an abstract concept to describe the “behavior” of molecules in aqueous environments. The terminology of hydrophobicity is misleading, because it implies repulsion or a lack of attraction between nonpolar groups and water, when in fact attractive interactions persist due to atom dipoles. Although it has long been recognized that the driving force of structure formation in aqueous environments is founded in water’s “narcissism”, i.e., water self-preference, rather than in a general “fear of water”, the term hydrophobicity has established itself ever since Kautzmann related protein stability to hydrophobic interactions. Due to its false implications, hydrophobicity can be a cause of confusion and the culprit of misleading deductions. Presented in this dissertation is the author’s work on the structural and dynamical characterization of hydrophobic effects in biomolecular systems in the broadest sense, whereby molecular systems on three different size scales are covered: binary mixtures of methanol and water, aggregation of triglyceride droplets in aqueous solution and enzymes that interact with triglyceride-water interfaces of large-scale triglyceride aggregates.Item Open Access Untersuchungen zur enzymatischen Enantiomerentrennung von Glykolethern und Etablierung neuer Methoden des synthetischen Shufflings(2004) Rusnak, Monika; Schmid, Rolf D. (Prof. Dr.)Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, einen geeigneten Biokatalysator für die Enantiomerentrennung des Modellsubstrats 1-Methoxy-2-Propanol (MP) bzw. seines Esters 1-Methoxy-2-Propanolacetat (MPA) bereitzustellen. In den letzten Jahren stieg das Interesse an den enantiomerenreinen Formen dieser Glykolether enorm. In dieser Arbeit richtete sich das Hauptaugenmerk auf die Evaluierung verschiedener Strategien zur Identifizierung bzw. Optimierung des Biokatalysators. Hierbei sollten sowohl Methoden der de novo Klonierung und der biochemischen Charakterisierung neuer Enzyme, wie auch der gerichteten Evolution und des rationalen Proteindesigns bereits bekannter Biokatalysatoren angewandt werden. Das so erhaltene Enzym sollte das Potenzial zum Einsatz in der chemischen Industrie haben, was hohe Anforderungen sowohl an Enantioselektivität wie auch an die Prozessstabilität eines Biokatalysators stellt. Im ersten Teil dieser Arbeit konnte die Lipase A aus Archaeoglobus fulgidus kloniert und charakterisiert werden. Dieses Enzym, welches sehr geringe Homologie zu anderen bekannten Hydrolasen aufwies, zeigte ein interessantes Profil, speziell in Bezug auf sein pH-Optimum, jedoch keine Hydrolyse von MPA. Es war bekannt, dass die Lipase B aus Candida antarctica (CalB) eine hohe Enantioselektivität vor allem bei der Hydrolyse von MPA zeigte. Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit war daher die Abschätzung der Nutzbarkeit und Verfügbarkeit von CalB für die Enantiomerentrennung von MP / MPA. Die industrielle Anwendung von CalB ist durch die Patentierung dieses Enzyms durch Novozymes beschränkt. Die im zweiten Teil dieser Arbeit etablierte Expression von CalB in Pichia pastoris und die Übertragung des Expressionssystems auf den Fermentationsmaßstab schufen optimale Voraussetzungen für nachfolgende Experimente. Die bei dieser Expression erzielten Ausbeuten übertrafen die anderer Gruppen. Die erzeugten rationalen Mutanten zur Verbesserung der Selektivität in der Umesterung konnten keine Erhöhung der Enantioselektivität bewirken. Die hier erstmals gelungene funktionelle Expression von CalB in E.coli eröffnete jedoch die Möglichkeit zur gerichteten Evolution von CalB und dem Screening auch großer Mutantenbibliotheken, sowohl durch die Methode des Plattenscreenings wie auch durch FACS-Screening. Im dritten Teil dieser Arbeit wurde eine neue, günstige und schnelle Methode der Gensynthese entwickelt, die zur Darstellung der im vierten Teil der Arbeit verwirklichten Genbank verwendet wurde. Die so gewonnene Lipase 1 aus Moraxella sp. TA144 wurde funktionell in E.coli exprimiert und charakterisiert. Basierend auf der in dieser Arbeit etablierten Methode der Gensynthese konnte eine Genbank der CalB erstellt werden, die durch eine neue Methode des synthetisches Shuffling dargestellt wurde. Durch mehrere Evaluierungsansätze konnte die Sequenz der Genbank den Anforderungen gemäß optimiert werden, so dass das Auftreten ungewollter Mutationen minimiert werden konnte. In dem folgenden Hochdurchsatzscreening von 19000 Klonen der Genbank im vorher etablierten E.coli Expressionssystem konnte kein Klon mit Lipaseaktivität isoliert werden. Nichtsdestotrotz handelte es sich hierbei um einen interessanten neuen Ansatz der gerichteten Evolution, der nach Optimierung der Lipaseexpression bzw. des Screeningsystems und möglicherweise nach Herabsetzung des Degenerationsgrades zu neuen Biokatalysatoren mit interessanten Eigenschaften führen sollte. Insgesamt zeigte diese Arbeit, dass es zur enzymatischen Enantiomerentrennung von MPA im Moment keinen Ersatz zu CalB gibt. Durch die Etablierung der CalB-Expression in E.coli wurde die entscheidende Voraussetzung zur Optimierung der noch verbesserungswürdigen Enantioselektivität, vor allem in der Umesterungsreaktion, sowie der noch geringen Thermostabilität geschaffen. Der in dieser Arbeit verfolgte Ansatz der gerichteten Evolution zeigte auf, dass bei evolutiven Mutagenesestrategien stets mehrere Variablen existieren, deren Auswirkungen auf das Ergebnis gegeneinander gewichtet werden müssen. So sollte die Variabilität der Mutantenbibliotheken hoch sein, um Klone mit möglichst neuen Kombinationen von gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Gleichzeitig sollte bedacht werden, dass die strukturelle Stabilität der Mutanten mit steigender Variabilität sinkt, so dass der verfügbare Sequenzraum stets begrenzt bleiben muss, um eine zufriedenstellende Ausbeute an funktionellen Klonen zu gewährleisten.Item Open Access Enzymatic asymmetric dihydroxylation of alkenes(2016) Gally, Christine; Hauer, Bernhard (Prof. Dr.)The introduction of chirality into C=C double bonds is of special interest in organic synthesis. In particular, the catalytic asymmetric dihydroxylation (AD) of alkenes has attracted considerable attention due to the facile transformation of the chiral diol products into valuable derivatives. By chemical means, the metal-catalyzed AD of olefins provides both stereo- and regiospecific cis-diol moieties. Next to their toxicity, however, these metal catalysts can also lead to byproduct formation as a result of oxidative fission. In nature, Rieske non-heme iron oxygenases (ROs) represent promising biocatalysts for this reaction since they are the only enzymes known to catalyze the stereoselective formation of vicinal cis-diols in one step. ROs are key enzymes in the degradation of aromatic hydrocarbons and can target a wide variety of different arenes. Despite their broad substrate scope, limited data is available for the conversion of unnatural substrates by this class of enzymes. To explore their potential for alkene oxidation, three ROs were tested for the oxyfunctionalization of a set of structurally diverse olefins including linear and cyclic arene-substituted alkenes, cycloalkenes as well as several terpenes. Naphthalene- (NDO), benzene- (BDO) and cumene dioxygenases (CDO) from different Pseudomonas strains where selected as they are amongst the RO enzymes that have already been reported to catalyze the oxidation of a small number of olefins. The majority of compounds from the selected substrate panel could be converted by NDO, BDO or CDO and products were either isolated and identified by NMR analysis or using the authentic standards. Dependent on the substrate, allylic monohydroxylation was found in addition to the corresponding diol products, a reaction which is chemically still most reliably achieved by the use of SeO2 in stoichiometric amounts. However, having been evolved for the dihydroxylation of aromatic compounds, wild type ROs displayed low conversions (< 50%) and modest stereoselectivities (≤ 80% ee/de) for several of the tested olefins. To overcome these limitations, changes in the active site topology of RO catalysts were introduced. A single targeted point mutation that was identified based on sequence and structural comparisons with other members of the RO family proved to be sufficient to generate BDO and CDO variants displaying remarkable changes in regio- and stereoselectivity for various substrates. In particular biotransformations with CDO M232A gave excellent stereoselectivities (≥ 95% ee/de) and good activities (> 90%) also for linear alkenes, which have been reported to be challenging substrates for RO-catalyzed oxyfunctionalizations. Site-saturation mutagenesis at position 232 in CDO revealed a correlation between the steric demand of the amino acid side chain and its influence on regio- and/ or stereoselectivities for styrene and indene. While the wild type enzyme almost exclusively catalyzed the dihydroxylation of the aromatic ring, the regioselectivity was shifted with decreasing side chain size to the terminal vinyl group of styrene, yielding up to 96% of the alkene-1,2-diol. For cis-1,2-indandiol formation, enantiocomplementary enzymes could be generated, a fact further highlighting the importance of position 232 for the engineering of ROs. Moreover, site-saturation mutagenesis of additional residues in the substrate binding pocket of CDO (F278, I288, I336 and F378) identified further positions having an influence on selectivity and product formation for alkene oxidation. To proof the applicability of ROs for organic synthesis, semi-preparative scale biotransformations (70 mg) of selected substrates were performed with CDO M232A. Without further optimization of the reaction set-up, products were successfully isolated in > 30% yield. In addition, up-scaling of (R)-limonene hydroxylation to 4 L in a bioreactor with growing cells gave final isolated product titers of 0.4 g L-1 even though substrate volatility and product toxicity diminished the yield. In conclusion, these examples demonstrated that a single point mutation was sufficient to transform CDO wild type into an efficient catalyst, furthermore constituting the first example of the rational engineering of CDO and BDO enzymes for the oxyfunctionalization of a broad range of alkenes.Item Open Access Functional role of lanthanides in enzymatic activity and transcriptional regulation of Pyrroloquinoline quinone-dependent alcohol dehydrogenases in Pseudomonas putida KT2440(2017) Wehrmann, Matthias; Billard, Patrick; Martin-Meriadec, Audrey; Zegeye, Asfaw; Klebensberger, JanoschThe oxidation of alcohols and aldehydes is crucial for detoxification and efficient catabolism of various volatile organic compounds (VOCs). Thus, many Gram-negative bacteria have evolved periplasmic oxidation systems based on pyrroloquinoline quinone-dependent alcohol dehydrogenases (PQQ-ADHs) that are often functionally redundant. Here we report the first description and characterization of a lanthanide-dependent PQQ-ADH (PedH) in a nonmethylotrophic bacterium based on the use of purified enzymes from the soil-dwelling model organism Pseudomonas putida KT2440. PedH (PP_2679) exhibits enzyme activity on a range of substrates similar to that of its Ca2+-dependent counterpart PedE (PP_2674), including linear and aromatic primary and secondary alcohols, as well as aldehydes, but only in the presence of lanthanide ions, including La3+, Ce3+, Pr3+, Sm3+, or Nd3+. Reporter assays revealed that PedH not only has a catalytic function but is also involved in the transcriptional regulation of pedE and pedH, most likely acting as a sensory module. Notably, the underlying regulatory network is responsive to as little as 1 to 10 nM lanthanum, a concentration assumed to be of ecological relevance. The present study further demonstrates that the PQQ-dependent oxidation system is crucial for efficient growth with a variety of volatile alcohols. From these results, we conclude that functional redundancy and inverse regulation of PedE and PedH represent an adaptive strategy of P. putida KT2440 to optimize growth with volatile alcohols in response to the availability of different lanthanides.Item Open Access Modellierung der Adsorption von Proteinen an Oberflächen(2009) Steudle, Alexander Patrick; Pleiss, Jürgen (Prof. Dr.)Die Adsorption von Proteinen an Oberflächen ist ein äußerst komplexer Prozess, der in vielen Bereichen, wie der Medizin, Pharmazie, Nanotechnologie und Biotechnologie, von großer Bedeutung ist. In der vorliegenden Arbeit wurden computergestützte Methoden zur Vorhersage der Orientierung und des Bindungsverhaltens von Proteinen bei der Adsorption entwickelt. Die Arbeit konzentrierte sich hierbei auf die Gebiete der Ionenaustauschchromatografie, der hydrophoben Interaktionschromatografie und der Immobilisierung. Als untersuchte Proteine wurden Hühnereiweiß-Lysozym, die Hämdomäne der bakteriellen Cytochrom P450-BM3 Monooxygenase und humane monoklonale Antikörper verwendet. Lysozym gehört zu den am besten charakterisierten und meisten analytisch verwendeten Proteinen, da es billig und in großen Mengen hergestellt werden kann. Viele bisherige Untersuchungen wurden mit Lysozym durchgeführt und die adsorbierte Orientierung auf Kationenaustauschern konnte experimentell bestimmt werden. Der Adsorptionsvorgang von Cytochrom P450-BM3 ist von Interesse bei Immobilisierungen, welche zu verbesserten Eigenschaften bei Betrieb und Lagerung sowie zu einer einfachen Separation des Produkts führen. Wichtig ist hierbei eine Orientierung des Enzyms mit freiliegendem Substratzugang. Auch bei der Bindung auf beschichteten Elektroden, durch welche sich die Möglichkeit der Entwicklung analytischer und biokatalytischer Anwendungen sowie eine einfache und billige Elektronenquelle ergibt, ist die Orientierung wichtig. Ebenso wie der Substratzugang ist hier die korrekte Orientierung des elektronenakzeptierenden Bereichs wichtig, da dieser mit der Elektrodenoberfläche in Kontakt stehen sollte. Antikörper gehören zu den am häufigsten eingesetzten therapeutischen Proteinen. Ihre Produktion ist teuer, da sie meist über Protein A aufgereinigt werden. Es besteht großes Interesse an billigeren alternativen Verfahren, wie der Ionenaustauschchromatografie. Früher wurden Adsorptionsprozesse meist mit vereinfachten Modellen eines Proteins, beispielweise als kugelförmiges Gebilde, modelliert. Durch die zunehmende Aufklärung der Proteinstrukturen in atomarer Auflösung wurden auch weiter entwickelte Adsorptionsmodelle erstellt, jedoch wurden Proteine dabei meist als unflexible Objekte modelliert. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass es durch ein unflexibles Modell des Proteins, abhängig von der verwendeten Struktur und dem Abstand zur Oberfläche, bei der Modellierung von Adsorptionen zu Abweichungen von der experimentell bestimmten Orientierung kommen kann. Eine grobe Abschätzung der Bindungsorientierung ist bei einem kurzen Abstand aber noch möglich. Durch multiple Molekulardynamische Simulationen (MD-Simulationen), in welchen das Protein frei und flexibel an die Oberfläche binden konnte, hat sich am Beispiel Lysozym gezeigt, dass der Mittelwert der festgestellten gebundenen Orientierungen mit der experimentell bestimmten Orientierung, unabhängig von der zu Beginn verwendeten Proteinstruktur, übereinstimmte. Im Vergleich zeigten verschiedenen Proteine auch ein unterschiedliches Bindungsverhalten. Während bei Lysozym die Simulationen über einer negativ geladenen Oberfläche nur ein ähnliches Bindungsverhalten mit ähnlichen Bindungsorientierungen zeigte, erfolgte die Bindung der Cytochrom P450-BM3-Hämdomäne auf einer positiv geladenen Oberfläche aufgrund ihres starken Dipolmoments immer in gleicher Weise und mit gleicher Orientierung. Die Orientierung der Cytochrom P450-BM3-Hämdomäne in der frühen Phase der Bindung konnte auch mittels der rigiden Bestimmungsmethode festgestellt werden. Ein Kippen der kompletten Proteinstruktur nach dem ersten Kontakt zur Oberfläche wurde jedoch nur mittels MD-Simulationen vorhergesagt. Es konnte am Modell gezeigt werden, dass die adsorbierte Orientierung auf einer positiv geladenen Oberfläche zu einer Beeinträchtigung des Substratzugangs führt und, im Falle der Immobilisierung auf einer positiv geladenen Adsorberoberfläche, welche beispielsweise bei beschichteten Elektroden eingesetzt wird, eine ungünstige Ausgangsorientierung für die Elektronenübertragung vorliegt. Mittels MD-Simulationen der Cytochrom P450-BM3-Hämdomäne über verschiedenen Anionenaustauscherliganden konnte eine Korrelation der Bindungsenergien bei verschiedenen Salzkonzentrationen mit experimentell gemessenen chromatografischen Daten bestimmt werden. MD-Simulationen mit Antikörper waren durch die rechenintensiven, langreichweitigen Wechselwirkungen zwischen Adsorber und Protein im Rahmen der zur Verfügung stehenden technischen Möglichkeiten nicht durchführbar. Es konnten dennoch die Regionen, die bei der Aufreinigung mittels Ionenaustauschchromatografie Einfluss auf die Retention nehmen und somit für eine Optimierung des Proteins für den Aufreinigungsprozess infrage kommen, beispielsweise durch gezielte Mutationen in diesem Bereich, an der Proteinoberfläche mittels eines starren Modells bestimmt werden.Item Open Access Untersuchung von Lipasen - Elektrostatik, Selektivität und Einfluss von Lösungsmitteln auf Struktur und Dynamik(2008) Trodler, Peter; Schmid, Rolf D. (Prof. Dr.)Lipasen katalysieren die Hydrolyse von Estern und die Veresterung. Lipasen sind Biokatalysatoren mit hoher Selektivität, einem breiten Substratspektrum unter milden Bedingungen und sind wichtig in der Anwendung in organischen Synthesen. Ein Merkmal der meisten Lipasen ist die Grenzflächenaktivierung an einer hydrophoben Grenzschicht. Die meisten Lipasen haben einen Deckel, das lid, ein bewegliches Strukturelement das den Zugang zum aktiven Zentrum verschließt. Die Grenzflächenaktivierung ist verbunden mit einem Konformationsübergang von der geschlossenen zur offenen Konformation. Bei Kontakt an eine hydrophobe Grenzfläche wird das lid geöffnet und erlaubt dem Substrat den Zugang zum aktiven Zentrum. Die Eigenschaften von Lipasen, wie Temperaturstabilität, Selektivität oder Aktivität ändern sich beim Wechsel des Lösungsmittels. In dieser Arbeit wurde der Einfluss organischer Lösungsmittel auf die Struktur und die Dynamik von Lipasen durch Simulationen untersucht. Candida antarctica Lipase B (CALB) ist die wichtigste Lipase in der industriellen organischen Synthese. Im Gegensatz zu den meisten anderen Lipasen hat CALB kein lid und zeigt keine Grenzflächenaktivierung. CALB ist in organischem Lösungsmittel stabil und kann Reaktionen bei höheren Temperaturen katalysieren. Durch Simulationen sollte das Verhalten von CALB in den Lösungsmitteln Methanol, Chloroform, Isopentan, Cyclohexan, Toluol und Wasser untersucht werden. Die Struktur war in allen Lösungsmitteln stabil. Das umgebende Lösungsmittel hatte einen großen Einfluss auf die Flexibilität von CALB, bei einer höheren Dielektrizitätskonstante des Lösungsmittels nahm die Flexibilität zu. Bei kleineren Dielektrizitätskonstanten des Lösungsmittels nahm die Zahl der an die Oberfläche gebundenen Wassermoleküle zu. Durch die größere Zahl an langsam ausgetauschten Wassermolekülen an der Oberfläche bildete sich ein umspannendes Wassernetzwerk. Der Grund der verringerten Flexibilität von CALB in unpolaren Lösungsmitteln war die geringere Beweglichkeit von Wassermolekülen an der Oberfläche und deren langsamerer Austausch. Burkholderia cepacia Lipase (BCL) wurde in Simulationen untersucht. BCL hat ein lid und zeigt Grenzflächenaktivierung an einer hydrophoben Grenzschicht. Zur Untersuchung der Grenzflächenaktivierung wurden Simulationen der offenen und geschlossenen Konformation von BCL in Wasser und Toluol durchgeführt. In der geschlossenen Konformation von BCL in Wasser blieb das lid geschlossen. In Simulationen von geschlossenem BCL in Toluol wurde die Öffnung des lids beobachtet. Die vollständige Öffnung des lids wurde in der Simulation durch Helix α6 blockiert und verhinderte die weitere Bewegung von Helix α5 zur geöffneten Konformation. In der Simulation von offenem BCL in Wasser wurde eine Schließbewegung des lids beobachtet die durch Wechsel des Lösungsmittels reversibel war. In der Simulation der offenen Kristallstruktur in Toluol zeigte das lid eine etwas weitere Öffnung als zu Beginn der Simulation. Kristallkontakte verhindern eine vollständig geöffnete Konformation in der Kristallstruktur. Theoretische Untersuchungen wurden auch mit der experimentellen Arbeit verbunden. Durch rationales Design wurde eine neue einstufige Aufreinigungsmethode für CALB entwickelt. Im Allgemeinen können Lipasen durch Ionen-Austausch Chromatographie aufgereinigt werden. CALB konnte jedoch bisher nicht auf Säulen in der Ionen-Austausch Chromatographie oder der Hydrophoben-Interaktions Chromatographie unter den verwendeten Bedingungen gebunden werden. Bei der elektrostatischen Charakterisierung von CALB wurde ein breiter isoelektrischer Bereich, an Stelle eines isoelektrischen Punkts gefunden. Eine einstufige Aufreinigungsmethode durch Ionen-Austausch Chromatographie für CALB mit Bindung bei pH 3 wurde entwickelt. Das rationale Design einer Aufreinigungsmethode kann auch zur Entwicklung von Aufreinigungsmethoden anderer Proteine verwendet werden. Acrylierung dient zur Einführung von Vernetzungs-Funktionalität in Verbindungen. Chemische Prozesse zur Herstellung von acrylierten Estern bei hohen Temperaturen führen gleichzeitig zur teilweisen Polymerisierung der acrylischen Doppelbindungen. Die Acrylierung von Hydroxypropylcarbamaten sollte für einen biotechnologischen Prozess durch CALB etabliert werden. Die Methode des rationalen Designs wurde zur Erhöhung der Aktivität der Acrylierung von Hydroxypropylcarbamaten durch CALB bis zur vollständigen Umsetzung verwendet. Hydroxypropylcarbamat besteht aus zwei Enantiomerenpaaren von denen ein Enantiomer von CALB kaum acryliert wird. Das schlecht umgesetzte Substrat wurde durch Modellierung identifiziert und Mutanten mit höherer Aktivität vorgeschlagen. Die zur Vergrößerung der Bindetasche des sekundären Alkohols vorgeschlagenen Mutanten an Position 278 waren in der Hydrolyse von Tributyrin und der Acrylierung aktiver als der WT.Item Open Access Screening, nucleotide sequencing and biochemical characterisation of novel lipolytic enzymes from Bacillus sp. 01-855 associated with marine sponge Aplysina aerophoba(2004) Karpushova, Anna Alexandrovna; Schmid, Rolf D. (Prof. Dr.)The particular microbial ecology of the sponge mesohyl with respect to the high number of taxonomically diverse bacteria provides vast potential for biotechnology in terms of novel enzymes and bioactive compounds. The uncharacterised micro-organisms can be novel sources for the enzymes and biologically active compounds with little overlap to those of terrestrial origin. In this work identification and preliminary physiological characterisation of a novel Bacillus sp. 01-855 isolated from the marine sponge Aplysina aerophoba was performed. Two novel esterases (EC 3.1.1.1) called EstB1 and EstB2 and a new putative amidase (EC 3.5.1.) AmdB1 were isolated from genomic DNA library of Bacillus sp. 01-855 by means of screening using plate assay. The estB1, estB2 and amdB1 were cloned and functionally expressed in E. coli. The purification of the EstB1 and EstB2 to homogeneity was done in a single step by IMAC. Refolding method for the EstB2 esterase, which forms inclusion bodies, was established. Preliminary biochemical characterisation of the EstB1 and EstB2 esterases was done. The biochemical characterisation revealed the unique properties of the EstB1 and EstB2 esterases, that could be potentially used for different biotechnological applications. Further studies on the biochemical properties of the AmdB1 amidase are necessary.Item Open Access Impact of remote mutations on metallo-beta-lactamase substrate specificity : implications for the evolution of antibiotic resistance(2005) Ölschläger, Peter; Mayo, Stephen L.; Pleiss, JürgenMetallo-beta-lactamases have raised concerns due to their ability to hydrolyze a broad spectrum of beta-lactam antibiotics. The G262S point mutation distinguishing the metallo-beta-lactamase IMP 1 from IMP 6 has no effect on the hydrolysis of the drugs cephalothin and cefotaxime, but significantly improves catalytic efficiency toward cephaloridine, ceftazidime, benzylpenicillin, ampicillin, and imipenem. This change in specificity occurs even though residue 262 is remote from the active site. We investigated the substrate specificities of five other point mutants resulting from single nucleotide substitutions at positions near residue 262: G262A, G262V, S121G, F218Y and F218I. The results suggest two types of substrates: type I (nitrocefin, cephalothin and cefotaxime), which are converted equally well by IMP-6, IMP-1, and G262A, but even more efficiently by the other mutants, and type II (ceftazidime, benzylpenicillin, ampicillin, and imipenem), which are hydrolyzed much less efficiently by all the mutants, with IMP-1 being the most active. G262V, S121G, F218Y, and F218I improve conversion of type I substrates, whereas G262A and IMP-1 improve conversion of type II substrates, indicating two distinct evolutionary adaptations from IMP-6. Substrate structure may explain the catalytic efficiencies observed. Type I substrates have R2 electron donors, which may stabilize the substrate intermediate in the binding pocket and lead to enhanced activity. In contrast, the absence of these stabilizing interactions with type II substrates may result in poor conversion and increased sensitivity to mutations. This observation may assist future drug design. As the G262A and F218Y mutants confer effective resistance to Escherichia coli BL21(DE3) cells (high minimal inhibitory concentrations), they are likely to evolve naturally.Item Open Access DNA microarray based gene expression profiling in human hepatocyte cells to serve as a basis for dynamic modelling of the human liver : a systems biology approach(2008) Reichart, Thomas; Schmid, Rolf D. (Prof. Dr.)This thesis provides a holistic overview over the gene expression pattern in human hepatocyte cells after induction with rifampicin. The expression levels of all human genes were determined using full genome microarrays from Affymetrix after several points in time (6, 24 and 72 h) after induction in three individual patients. In addition 151 liver specific genes were monitored more frequently using sub-genome Arrays from Eppendorf. The results were confirmed by Realtime PCR and Western-Blot analysis. Identified genes play a role in carbon metabolism (gluconeogenesis), in heme biosynthesis, in bulirubin-, bile acid- and lipid metabolism as well as xenobiotic-metabolism and transport. The observed cell response on RNA level over time allowed new insights in the regulation of this complex system. Next to the network reconstruction, based on the full genome array data, the highly time resolved measurements enable dynamic modelling of expression and therefore a mathematical reproduction of the cellular response upon the stimulus. Using the developed models predictions concerning the behaviour of the "system hepatocyte" and the associated regulations will be possible in the future. This model based prognosis will especially allow improved drug development and personalized medicine.Item Open Access Studien zur Substratspezifität der Linalool Dehydratase-Isomerase mit dem Fokus auf der Dehydratisierung von tertiären Alkoholen(2015) Geinitz, Christopher; Hauer, Bernhard (Prof. Dr.)Die natürliche Funktion der aus dem Proteobakterium Castellaniella defragrans stammenden Linalool Dehydratase-Isomerase liegt in der Funktionalisierung des Monoterpens Myrcen. Dabei wird im ersten Schritt Myrcen zu Linalool hydratisiert, während im zweiten Schritt die Isomerisierung von Linalool zu Geraniol stattfindet. Im weiteren Verlauf wird Geraniol vermutlich zu Geranial und Geranialsäure weiteroxidiert und kann so über die β-Oxidation abgebaut werden. In dieser Arbeit mit dem Fokus auf der Substratspezifität bezüglich der Dehydratisierung konnte sehr viel mehr über die LDI, vor allem in Hinblick auf den Mechanismus, das Substratspektrum und der weiteren Charakterisierung der LDI, in Erfahrung gebracht werden. So beschränkt sich das Substratspektrum nicht bloß auf die Monoterpene Myrcen, Linalool und Geraniol sondern es werden auch die Diterpene Farnesol und Nerolidol ohne Probleme akzeptiert. Neben diesen konnte auch eine Vielzahl anderer Substrate umgesetzt werden, wobei allen Substraten ein spezifisches Strukturmotiv eigen ist. Alle Substrate bestehen aus einem tertiären α-Methylallylalkohol und einem variierenden Rest. Interessanterweise muss an dem Kohlenstoff der Alkoholfunktion nicht zwingend in α-Stellung eine Methylgruppe liegen. Hier konnte auch gezeigt werden, dass eine Ethylgruppe oder ein Cyclopentanring ebenfalls von der LDI akzeptiert werden. Neben diesen Substraten konnten auch sehr kurze Substrate wie 2-Methyl-3-buten-2-ol 16 umgesetzt werden, aber auch aromatische Substrate 23 oder sehr lange Substrate wie Isophytol 32. Durch Synthesen einer Vielzahl strukturell abgewandelter Derivate des Linalools konnte indes ein guter Überblick über den Mechanismus gewonnen werden. Die Tatsache, dass kein Substrat ohne Vinylgruppe umgesetzt werden konnte, auch wenn diese aus elektronischer Sicht durch eine andere Doppelbindung ersetzt wurde, unterstreicht die Wichtigkeit dieser für die Bindung in das aktive Zentrum. Zudem konnte unter Verwendung von Rotameren mehr über die nähere Umgebung des aktiven Zentrums herausgefunden und gleichzeitig begründet werden, warum einige der synthetisierten Substrate wie 7 und 8 nicht umgesetzt werden konnten. Unter Zuhilfenahme von Deuteriumoxid im Puffer sowie durch den Vergleich der Dehydratisierung von Linalool mit d5-Linalool konnte zudem herausgefunden werden, dass der geschwindigkeitsbestimmende Schritt nicht die C-H Bindungsspaltung an dem Methylenkohlenstoff ist, sondern die Protonierung und Abspaltung der Hydroxyfunktion was zur Ausbildung eines Karbokations führt. Dieses Karbokation wird zudem über die Vinylgruppe durch Hyperkonjugation mesomerie-stabilisiert. Im weiteren Verlauf wird ein Proton am α-Methylkohlenstoff abgespalten und es folgt die Ausbildung der C-C Doppelbindung. Dieser Mechanismus konnte erfolgreich gegenüber anderen funktionellen Gruppen getestet werden. Hierbei konnte der Methylether des Linalools ebenfalls erfolgreich eliminiert werden. Aufgrund des etwas niedrigeren pKB-Wertes des Methoxysauerstoffs gegenüber dem des tertiären Alkohols, kann dieser protoniert und Methanol abgespalten werden. Interessant war hierbei, dass sogar die Rückreaktion in 30 % Methanol gelang, wenn auch nur in sehr begrenzten Mengen. Andere Strukturmotive wie die des Esters wurden ebenfalls getestet. Vor allem die Ergebnisse bezüglich Vinylester sind sehr interessant. Leider konnte hierbei keine reine LDI getestet werden, weswegen die Aussagen dieser Ergebnisse nicht als gefestigt angesehen werden sollten. Um die LDI weiter zu charakterisieren, wurden die Reaktionen der Hydratisierung und der Dehydratisierung am Beispiel von Linalool und Myrcen in unterschiedlichen Lösungsmitteln getestet. Interessanterweise führte die Verwendung aller Lösungsmittel zur Inaktivierung der LDI, wobei vor allem auffällt das polar-protische Lösungsmittel wie DMSO, Methanol und Ethanol einen eher geringen Einfluss haben, wohingegen aprotische Lösungsmittel wie Ethylacetat, THF oder Toluol sehr schnell zur Inaktivierung führen. Einzige Ausnahme ist, dass bei der Hydratisierung von Myrcen polar-protische Lösungsmittel ohne Vorinkubation zu einer deutlichen Aktivitätssteigerung in den ersten Minuten führen. Die Möglichkeit Methanol aus Substrat 15 eliminieren zu können, ermöglichte es ein Screening auf Basis der Oxidation von Methanol in Formaldehyd mit Hilfe der Glucose Oxidase zu entwickeln. Das hierbei gebildete Wasserstoffperoxid dient der Meerrettichperoxidase die Kupplungsreaktion von 4-Aminoantipyrin und Vanillinsäure durchzuführen. Während die Reaktion im Eppimaßstab eine rote Färbung des Lysats nach sich führte, war die Differenz zwischen Negativ- und Positivkontrolle in den 96 Well Platten innerhalb der gegebenen Zeit zu gering, um verlässliche Aussagen zu liefern. Das Problem lag hierbei eindeutig in der zur Verfügung stehenden Menge an LDI im Lysat. Das Expressionssystem BL21(DE3) reichte für das Screening nicht aus, um einen nennenswerten Umsatz zu erzielen. Von daher ist es hier sinnvoll, ein neues Expressionssystem zu entwickeln. Erste Ansätze mit einem auf dem T5 Promotor basierenden Expressionssystem sehen vielversprechend aus. Da Dehydratisierungsreaktionen eine immer wichtigere Rolle spielen, was vor allem der Defunktionalisierung von nachwachsenden Rohstoffen und deren Folgeprodukten geschuldet ist, lässt weitere Forschung hinsichtlich enzymatisch vermittelter Reaktionen notwendig erscheinen. Die LDI wird vermutlich in der Defunktionalisierung von Zuckern und Derivaten keine Rolle spielen, da sich ihre Aktivität bisher auf Substrate mit einem spezifischen tertiären Allylalkohol-Motiv beschränkt. Dennoch ist das ermittelte Substratspektrum sehr groß wobei vor allem die Möglichkeit sehr kleine Substrate zu dehydratisieren sowie selektiv tertiäre (R)- und (S)-Alkohole herzustellen, für die Industrie von großem Interesse ist.