Proteinadsorption ist in vielen biotechnologischen Anwendungen ubiquitär und ein zentrales Forschungsfeld in der Physik der weichen Materie. Das Verstehen der treibenden Kräfte hinter der Proteinadsorption würde zu einer besseren Kontrolle des Adsorptionsprozesses führen und die Entwicklung von Biosystemen mit beispielloser Funktionalität ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wird die Proteinadsorption an weichen polymerartigen Biomaterialien sowie deren physikalische Wechselwirkungen unter Verwendung von zwei unterschiedlichen neu entwickelten Ansätzen theoretisch untersucht. Im ersten Teil wird ein neues mehrkomponentiges kooperatives Bindungsmodell entwickelt, um die Gleichgewichts-Adsorption von Proteinen auf Mikrogelen zu beschreiben. Es war somit möglich, die wahre treibende Kraft der Proteinadsorption zu identifizieren, die hauptsächlich elektrostatischen Ursprungs ist. Eine Errungenschaft des kooperativen Bindungsmodells ist die Vorhersage der kompetitiven Proteinadsorption und -desorption auf das Mikrogel, die auf thermodynamischen Parametern der Adsorption von Proteinen einzelner Sorten basiert. Vergleiche zwischen Experimenten mit binären Proteinmischungen und theoretischen Berechnungen zeigten sehr gute Übereinstimmungen. Der zweite Teil fokussiert auf Protein-Wechselwirkungen mit Polyelektrolyten, um Adsorptionsprozesse auf mikroskopischer Ebene zu erklären. Dafür wurden geladene fleckige Partikel konstruiert und als Proteinmodelle verwendet, während ein einfaches Kugel-Feder-Modell für das Polyelektrolyt und Polyelektrolytbürste benutzt wurde. Ein zentraler Aspekt war die Bestimmung der freien Energie, das Potential der mittleren Kraft (PMF), für die Komplexbildung der beiden Bestandteile mit Vergleichen zur Modellentwicklungen. Die Simulationsergebnisse legen ein komplexes Wechselspiel von elektrostatischen Kräften und Ionenfreisetzungsmechanismen dar, die für die starken attraktiven Wechselwirkungen in den PMFs verantwortlich sind. / Protein adsorption is ubiquitous in many biotechnological applications and has become a central research field in soft matter. Understanding the driving forces behind protein adsorption would allow a better control of the adsorption process and the development of biosystems with unprecedented functionality. In this thesis, protein adsorption onto soft polymeric biomaterials and their physical interactions is studied theoretically by using two different and newly developed approaches. In the first part, a novel multi-component cooperative binding model is developed to describe the equilibrium adsorption of proteins onto microgels. It was thus possible to correctly identify the true driving force behind the protein adsorption which was found to be mainly of electrostatic origin. A key achievement by the cooperative binding model is the prediction of competitive protein adsorption and desorption onto the microgel that is based on thermodynamic parameters related to single-type protein adsorption without any variable parameters. Comparisons between experimental data of binary protein mixtures and theoretical calculations have shown excellent agreements. The second part is focused on protein interactions with polyelectrolyte materials to elucidate adsorption processes on a microscopic level. For this purpose, charged patchy particles are constructed and used as protein models while a simple bead-spring model is employed for the polyelectrolyte and polyelectrolyte brush. A central aspect was the determination of the associated free energy, the potential of mean force (PMF), on the complex formation between the two constituents with comparisons to theoretical model developments. The simulation results evidenced a complex interplay of electrostatic forces and ion release mechanisms to be responsible for the strong attractive interactions observed in the PMFs.

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Les minéraux argileux sont omniprésents dans les environnements géologiques de surface et sub-surface du globe terrestre. Parmi eux, ceux qu'on appelle communément " argiles gonflantes " peuvent être de très petite taille (<2µm) et de fait adsorber de grandes quantités d'eau et de solutés à leurs surfaces. De ce fait, même en faible proportion, les minéraux argileux gonflants peuvent contrôler une grande partie des propriétés physiques, mécaniques et chimiques des environnements dans lesquels ils sont présents. Ce manuscrit se focalise sur différents modèles, basés sur des formalismes thermodynamiques, que l'on a proposés pour décrire et prédire les propriétés d'adsorption de ces minéraux, vis-à-vis de cations inorganiques en solution aqueuse (cations majeurs des eaux naturelles et cations traces métalliques). Des modèles d'échange d'ions, parfois dénommé modèles " macroscopiques ", tout comme des modèles de complexation de surface intégrant une description de l'interface solide/solution et de ce fait parfois nommé modèles " microscopiques " sont reportées et discutées, notamment par rapport à la bibliographie existante sur le sujet. Ces modèles, tous multi-sites et prenant en compte l'adsorption de toutes les espèces présentes dans le milieu aqueux (notamment H+), ont été contraints, quand cela était possible, par des données structurales et morphologiques des particules représentatives des conditions saturées en eau ; conditions pour lesquelles les modèles d'adsorption sont généralement proposés. Puis, la capacité d'un modèle proposé pour une montmorillonite du Wyoming (smectite basse charge) et basé sur la théorie des échangeurs d'ions à prédire les propriétés d'assemblages minéralogiques complexes pauvres en matière organique (sédiment, horizon Bt de sol) aussi bien en mode statique (batch) qu'en mode dynamique (expérience en colonne) est présentée. Nous discutons également de la capacité d'un modèle multi-site basé sur le formalisme Gaines Thomas décrivant les propriétés d'adsorption d'une vermiculite (minéral argileux gonflant haute charge) à prédire des données obtenues en régime dynamique en milieu très dilué (faible rapport solide/solution) sur ce même matériau. Pour cela, différentes études ont été réalisées soit en régime advectif/dispersif avec une poudre dispersée, soit en régime purement diffusif avec des monocristaux. Enfin, des perspectives sont présentées et concernent la capacité des modèles précédemment proposés à pouvoir contraindre les modèles de diffusion double milieu qui interpréteraient des données macroscopiques de diffusion obtenues avec des échantillons de vermiculite compactée.

FKBP12 est une protéine ubiquitaire, principalement cytosolique, qui est au carrefour de plusieurs voies signalétiques. Son abondance naturelle dans les tissus nerveux peut être reliée à son implication dans les maladies neurodégénératives telles que les maladies d'Alzheimer et de Parkinson ainsi que dans les neuropathies périphériques et diabétiques ou dans des blessures des cordons spinaux. De nombreuses études ont montré que des molécules exogènes (ligands) venant se fixer sur cette protéine permettent la régénération d'un grand nombre de connexions neuronales endommagées. Une difficulté provient cependant du fait que, pour un ligand donné, il n'existe aucune relation claire entre sa structure et sa capacité de liaison à FKBP12. Notre étude vise ainsi à rationaliser la relation entre la structure d'un ligand et son affinité pour cette protéine. Deux complexes modèles, formés entre FKBP12 et chacun des deux ligands 8 et 308, ont été utilisés. Ces deux ligands de haute affinité ont des structures différentes. Notre travail s'est appuyé sur des simulations de dynamique moléculaire pour caractériser l'état intermédiaire qui est formé transitoirement lors du processus de complexation entre la protéine et son ligand. Dans cet état particulier, l'identification des interactions naissantes entre les partenaires a permis (i) de comprendre l'implication des différentes parties du ligand dans le mécanisme de reconnaissance avec FKBP12 et (ii) de rationaliser les affinités de certains ligands apparentés. / FKBP12 is an ubiquitous, mostly cytosolic, protein found at the crossroads of several signaling pathways. Its natural abundance in the nervous tissues can be related to its implication in neurodegenerative diseases like Alzheimer's and Parkinson's as well as in peripheral neuropathies and diabetes or in injuries of the spinal cords. Several studies have demonstrated that exogenous molecules (ligands) that can bind to FKBP12 allow the regeneration of many damaged neuron connections. However, there is no clear relationship between the structure of a ligand and its ability to bind to FKBP12. Our study aims at rationalizing the relationship between the structure of a ligand and its affinity to FKBP12. Two model complexes, formed between FKBP12 and each of the two high-affinity ligands 8 and 308, were studied. These two ligands are structurally different. We used molecular dynamics simulations to characterize the intermediate state that is transiently formed during the binding process between the protein and its ligand. In this state, the analysis of the nascent interactions allowed (i) to unravel the role played by the various ligand moieties in the recognition process with FKBP12 and (ii) to rationalize the affinities of related ligands.

The main aim of doctoral thesis is the study on physicochemical properties of humic substances (HS) by modern instrumental techniques. The subject of the study were HS isolated from South Moravian lignite, South Bohemian peat, forest soil Humic Podzol and finally extract from brown sea algae Ascophyllum nodosum. With respect on determination of structure and reactivity of these unique “biocolloids”, standard samples (Leonardite HA, Elliott Soil HS and Pahokee Peat HS) were also studied. These samples were obtained from International Humic Substances Society (IHSS). All mentioned substances were characterized by elemental analysis (EA), molecular absorption spectroscopy in ultraviolet and visible region (UV/Vis), infrared spectroscopy with Fourier transformation (FTIR), nuclear magnetic resonance spectroscopy of carbon isotope 13C (LS 13C NMR), steady-state and time resolved fluorescence spectroscopy. Obtained fluorescence, UV/Vis and 13C NMR spectra were used for calculation of fluorescence and absorption indexes, values of specific absorbance and structural parameters respectively, which were used for fundamental characterization of these “biocolloidal” compounds. Infrared spectroscopy with Fourier transformation was utilized for the identification of functional groups and structural units of HS. Evaluation of infrared spectra is quiet complicated by overlapping of absorption bands especially in fingerprint region. This problem was overcome by Fourier self-deconvolution (FSD). Steady-state fluorescence spectroscopy was used for deeper characterization of HS with respect to origin, structural units, amount of substituents with electron-donor and electron-acceptor effects, content of reactive functional groups, “molecular” heterogeneity, the degree of humification, etc. Parameters of complexation of samples Elliott Soil with heavy metal ions (Cu2+, Pb2+ and Hg2+) were obtained by using modified Stern-Volmer equation. These ions were chosen purposefully, because the interaction of HS with these ions is one of the fundamental criteria for the assessment of the reactivity of HS. Key part of the whole doctoral thesis is time-resolved fluorescence spectroscopy. It is able to determine the origin of emission of HS by method Time-Resolved Area Normalized Emission Spectra (TRANES). The viscosity of micro medium about excited fluorophores of HS was determined by Time-Resolved Emission Spectra (TRES).

The objective of this project was to study the influence of increased salinities on interaction processes in the system radionuclide – organics – clay – aquifer. For this purpose, complexation, redox, sorption, and diffusion studies were performed under variation of the ionic strength (up to 4 mol/kg) and the background electrolyte. The U(VI) complexation by propionate was studied in dependence on ionic strength (up to 4 mol/kg NaClO4) by TRLFS, ATR FT-IR spectroscopy, and DFT calculations. An influence of ionic strength on stability constants was detected, depending on the charge of the respective complexes. The conditional stability constants, determined for 1:1, 1:2, and 1:3 complexes at specific ionic strengths, were extrapolated to zero ionic strength. The interaction of the bacteria Sporomusa sp. MT-2.99 and Paenibacillus sp. MT-2.2 cells, isolated from Opalinus Clay, with Pu was studied. The experiments can be divided into such without an electron donor where biosorption is favored and such with addition of Na-pyruvate as an electron donor stimulating also bioreduction processes. Moreover, experiments were performed to study the interactions of the halophilic archaeon Halobacterium noricense DSM-15987 with U(VI), Eu(III), and Cm(III) in 3 M NaCl solutions. Research for improving process understanding with respect to the mobility of multivalent metals in systems containing humic matter was focused on the reversibility of elementary processes and on their interaction. Kinetic stabilization processes in the dynamics of humate complexation equilibria were quantified in isotope exchange studies. The influence of high salinity on the mobilizing potential of humic-like clay organics was systematically investigated and was described by modeling. The sorption of Tc(VII)/Tc(IV) onto the iron(II)-containing minerals magnetite and siderite was studied by means of batch sorption experiments, ATR FT-IR and X-ray absorption spectroscopy. The strong Tc retention at these minerals could be attributed to surface-mediated reduction of Tc(VII) to Tc(IV). An influence of ionic strength was not observed. The influence of ionic strength (up to 3 mol/kg) and background electrolyte (NaCl, CaCl2, MgCl2) on U(VI) sorption onto montmorillonite was studied. The U(VI) sorption is influenced by the background electrolyte, the influence of ionic strength is small. Surface complexation modeling was performed applying the 2SPNE SC/CE model. Surface complexation constants were determined for the NaCl and CaCl2 system and were extrapolated to zero ionic strength. Surface complexation in mixed electrolytes can be modeled applying surface complexation constants derived for pure electrolytes. The influence of citrate on U(VI) diffusion in Opalinus Clay was studied using Opalinus Clay pore water as background electrolyte. The diffusion parameter values obtained for the HTO through-diffusion and the U(VI) in-diffusion in the absence of citric acid were in agreement with literature data. In the presence of citric acid, U(VI) diffusion was significantly retarded, which was attributed to a change in speciation, probably U(VI) was reduced to U(IV). Larger-scale heterogeneous material effects on diffusive transport were investigated with PET. Diffusion parameters were derived by optimum fit of a FEM-model to the measurement. These parameters are in accordance with the results from 1D-through-diffusion experiments. Deviations from the simple transversal-isotropic behavior, which are identified as residuals from the model, are indications for heterogeneous transport on the mm-scale. PET measurements were also conducted in order to display the improvement of the EDZ with waterglass injections. These experiments enable to draw conclusions on the complex reactive transport process and thus an estimation of the achieved improvement of the barrier function. The image reconstruction procedure was largely improved, mainly with the aid of Monte-Carlo simulations, and now allows quantitative analysis and error estimation.

Dreiwertige Actinide (An(III)) und Lanthanide (Ln(III)) stellen im Falle ihrer Inkorporation eine ernste Gefahr für die Gesundheit des Menschen dar. An(III) sind künstlich erzeugte, stark radioaktive Elemente, die insbesondere bei der nuklearen Energiegewinnung in Kernkraftwerken entstehen. Durch Störfälle oder nicht fachgerechte Lagerung radioaktiven Abfalls können sie in die Umwelt und die Nahrungskette des Menschen gelangen. Ln(III) sind hingegen nicht radioaktive Elemente, die natürlicherweise vorkommen und für vielfältige Anwendungen in Technik und Medizin abgebaut werden. Folglich kann der Mensch sowohl mit An(III) als auch Ln(III) in Kontakt kommen bzw. sie inkorporieren. Es ist daher von enormer Wichtigkeit, das Verhalten dieser Elemente im menschlichen Körper aufzuklären. Während makroskopische Vorgänge wie Verteilung, Anreicherung und Ausscheidung bereits sehr gut untersucht sind, ist das Wissen hinsichtlich der chemischen Bindungsform (Speziation) von An(III) und Ln(III) in Körperflüssigkeiten noch sehr lückenhaft. In der vorliegenden Arbeit wurde daher erstmals die chemische Bindungsform von Cm(III) und Eu(III) in natürlichem menschlichem Urin (in vitro) spektroskopisch aufgeklärt und die gebildeten Komplexe identifiziert. Hierzu wurden auch grundlegende Untersuchungen zur Komplexierung von Cm(III) und Eu(III) in synthetischem Modellurin sowie mit den urinrelevanten organischen Modellliganden Harnstoff, Alanin, Phenylalanin, Threonin und Citrat durchgeführt und die noch unbekannten Komplexbildungskonstanten bestimmt. Abschließend wurden alle experimentellen Ergebnisse mit Literaturdaten und Vorherberechnungen mittels thermodynamischer Modellierung verglichen. Auf Grund der hervorragenden Lumineszenzeigenschaften von Cm(III) und Eu(III) konnte insbesondere auch die Eignung der zeitaufgelösten laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie (TRLFS) als Methode zur Untersuchung dieser Metallionen in unbehandelten, komplexen biologischen Flüssigkeiten demonstriert werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern damit neue Erkenntnisse zu den biochemischen Reaktionen von An(III) und Ln(III) in Körperflüssigkeiten auf molekularer Ebene und tragen zu einem besseren Verständnis der bekannten, makroskopischen Effekte dieser Elemente bei. Darüber hinaus sind sie die Grundlage weiterführender in-vivo-Untersuchungen.:1 Motivation und Zielstellung 2 Speziationsbestimmung exogener Schwermetalle in Biofluiden 2.1 Actinide und Lanthanide 2.2 Biochemisches Verhalten exogener Schwermetalle im Menschen 2.3 Speziationsbestimmung von Metallen 3 Komplexbildung von Curium(III) und Europium(III) mit organischen Modellliganden 3.1 Lumineszenzspektroskopische Eigenschaften von Curium(III) und Europium(III) in Wasser 3.2 Harnstoff – Hauptbestandteil des menschlichen Urins 3.3 Citronensäure – ubiquitäres Biomolekül0 3.4 Aminosäuren – Grundbausteine des Lebens 4 Speziation von Curium(III) und Europium(III) in menschlichen Urinproben 4.1 Charakterisierung und Analyse der natürlichen menschlichen Urinproben 4.2 Bestimmung der Speziation von Curium(III) und Europium(III) in Modellurin 4.3 Bestimmung der Speziation von Curium(III) und Europium(III) in menschlichem Urin 5 Diskussion 5.1 Vergleich der Komplexbildungseigenschaften von Curium(III) und Europium(III) 5.2 Thermodynamische Modellierung der Speziation von Curium(III) und Europium(III) in menschlichem Urin 5.3 Ausblick 6 Experimentelles / In case of incorporation, trivalent actinides (An(III)) and lanthanides (Ln(III)) pose a serious health risk to humans. An(III) are artificial, highly radioactive elements which are mainly produced during the nuclear fuel cycle in nuclear power plants. Via hazardous accidents or nonprofessional storage of radioactive waste, they can be released in the environment and enter the human food chain. In contrast, Ln(III) are nonradioactive, naturally occurring elements with multiple applications in technique and medicine. Consequently it is possible that humans get in contact and incorporate both, An(III) and Ln(III). Therefore, it is of particular importance to elucidate the behaviour of these elements in the human body. While macroscopic processes such as distribution, accumulation and excretion are studied quite well, knowledge about the chemical binding form (speciation) of An(III) and Ln(III) in various body fluids is still sparse. In the present work, for the first time, the speciation of Cm(III) and Eu(III) in natural human urine (in vitro) has been investigated spectroscopically and the formed complex identified. For this purpose, also basic investigations on the complex formation of Cm(III) and Eu(III) in synthetic model urine as well as with the urinary relevant, organic model ligands urea, alanine, phenylalanine, threonine and citrate have been performed and the previously unknown complex stability constants determined. Finally, all experimental results were compared to literature data and predictions calculated by thermodynamic modelling. Since both, Cm(III) and Eu(III), exhibit unique luminescence properties, particularly the suitability of time-resolved laser-induced fluorescence spectroscopy (TRLFS) could be demonstrated as a method to investigate these metal ions in untreated, complex biofluids. The results of this work provide new scientific findings on the biochemical reactions of An(III) and Ln(III) in human body fluids on a molecular scale and contribute to a better understanding of the known macroscopic effects of these elements. Furthermore, they are the basis of subsequent in vivo investigations.:1 Motivation und Zielstellung 2 Speziationsbestimmung exogener Schwermetalle in Biofluiden 2.1 Actinide und Lanthanide 2.2 Biochemisches Verhalten exogener Schwermetalle im Menschen 2.3 Speziationsbestimmung von Metallen 3 Komplexbildung von Curium(III) und Europium(III) mit organischen Modellliganden 3.1 Lumineszenzspektroskopische Eigenschaften von Curium(III) und Europium(III) in Wasser 3.2 Harnstoff – Hauptbestandteil des menschlichen Urins 3.3 Citronensäure – ubiquitäres Biomolekül0 3.4 Aminosäuren – Grundbausteine des Lebens 4 Speziation von Curium(III) und Europium(III) in menschlichen Urinproben 4.1 Charakterisierung und Analyse der natürlichen menschlichen Urinproben 4.2 Bestimmung der Speziation von Curium(III) und Europium(III) in Modellurin 4.3 Bestimmung der Speziation von Curium(III) und Europium(III) in menschlichem Urin 5 Diskussion 5.1 Vergleich der Komplexbildungseigenschaften von Curium(III) und Europium(III) 5.2 Thermodynamische Modellierung der Speziation von Curium(III) und Europium(III) in menschlichem Urin 5.3 Ausblick 6 Experimentelles

Tesis por compendio / El presente proyecto de investigación está enfocado al desarrollo de sensores químicos fluoro-cromogénicos, para la detección y determinación de especies químicas de interés biológico, industrial y medioambiental de forma selectiva y con alta sensibilidad. En forma general, se busca el diseñar nuevos sistemas sensores basados en compuestos (receptores) formados por dos unidades: una unidad coordinante que interacciona con el anión a determinar y una unidad generadora de señal que alerta del reconocimiento molecular efectuado. Durante este estudio se están preparando diversas moléculas receptoras funcionalizandas con grupos modificadores de estructura para evaluar su influencia sobre las capacidades de detección y selectividad como receptores de especies específicas en diferentes condiciones y medios. Las diferentes aproximaciones en prueba implican a su vez el diseño y síntesis molecular, así como el análisis de las diferentes señales ópticas producidas en el reconocimiento, con el fin de diseñar sistemas de alta eficacia y eficiencia, y con posibilidades reales de aplicación. / Santos Figueroa, LE. (2014). New approaches for the development of chromo-fluorogenic sensors for chemical species of biological, industrial and environmental interest [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/43216 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales / Compendio