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With the benefits of an ever increasing advance of industrialization around the globe come formidable environmental CO2 . Three environmental problems that have relevance to the research described in this thesis are the 1) buildup of atmospheric CO2 gas through the burning of fossil fuels, 2) eutrophication of aquatic systems, and 3) the acidification of environments from acid mine drainage (AMD) resulting from coal-mining activities. In particular research is presented in this thesis that investigated the surface chemistry of CO2 and phosphate (PO43-) on a suite of environmentally relevant iron oxyhydroxide materials and the chemistry of phospholipid molecules on environmentally relevant iron sulfide surfaces to suppress AMD. To develop a microscopic understanding of the surface chemistry of the different systems, an array of experimental and computational techniques were used in the research. Techniques included X-ray photoelectron spectroscopy, atomic adsorption, X-ray diffraction, scanning transmission microscopy with electron dispersive X-ray spectroscopy (STEM/EDS), ion chromatography (IC), and attenuated total reflectance Fourier transform Infrared (ATR-FTIR). Results from the latter technique were interpreted with the aid of density function theory (DFT) calculations. Iron oxyhydroxides, which consisted of ferrihydrite (FeOOH), goethite α-FeOOH), ferrimagnetic ferrihydrite (FerriFh), and aluminum-doped iron oxyhydroxide (content from 0-100 mol%) were synthesized and studied before and after exposure to gaseous CO2 , CO32-, and PO43- species. FeOOH and mixed Al/Fe oxyhydroxide surfaces showed high affinities for the formation of carbonate and bicarbonate species upon exposure to gaseous CO2 . Within the Al/Fe oxyhydroxide circumstance, a low Al level of incorporation in the iron oxyhydroxide structure caused a slight increase in surface area and increase in the amount of oxyanion (e.g., CO32- or PO43-) adsorption up to an Al level of 30 mol%. Significant changes were observed in the binding geometry of the adsorbed complexes on the Al/Fe mineral compared to single phase α-FeOOH, AlOOH, and FeOOH surfaces. ATR-FTIR results combined with vibrational frequency (DFT) calculations suggested the formation of multiple phosphate surface complexes via a variety of configurations such as inner-sphere/outer-sphere bidentate, monodentate depending on the solution pH and the Al mol% substituted into the Fe-oxyhydroxide. Studies investigated the adsorption of CO2 on FerriFh and compared those results to CO2 on ferrihydrite. The CO2 pressures used in these particular studies ranged from 1 to 57.8 bars. It is found that citrate bound species, resulting from the synthesis conditions used to make FerriFh, blocked surface sites for the formation of carbonate and bicarbonate species on the magnetic FerriFh and ferrihydrite oxyhydroxide minerals upon CO2 (gas) exposure. A bicarbonate or bent-CO2 like species (~1220 cm-1) formed at lower CO2 pressures (≤ 3.5 bars) but was absent at the higher pressures. Additional studies investigated the adsorption of various phospholipid molecules on pyrite, and iron sulfide with FeS2 stoichiometry. These studies were focused on suppressing the oxidative decomposition of pyrite to sulfuric acid, the root cause of AMD. Batch and column studies were employed to investigate the ability of phospholipids to reduce AMD over an extended period of time (up to 3 years). In studies that used actual coal mining refuse, which contained significant amount of pyrite, it was shown that the rate of acid production from pyrite decomposition could be reduced by as much as 70% due to the presence of surface bound phospholipid. Assembly of the phospholipid into a bilayer motif on the sulfide surface was hypothesized to form a hydrophobic barrier that kept dissolved O2 and bacteria from facilitating the oxidation of FeS2. Column experiments showed that when water at pH 7 was flowed over the coal mining waste, the effluent had a pH close to 3. In contrast when water at pH 7 was flowed over the pyrite containing waste, which was pretreated with lipid, the effluent had a pH closer to 7, and the total amount of Fe (Fe2+/Fe3+) and SO42- in the effluent waters was also reduced relative to the untreated pyrite containing waste circumstance. These studies showed that the application of phospholipid to pyrite containing coal mining waste could potentially be an environmentally friendly remediation technique. / Chemistry

Eine wichtige Eigenschaft der Plasmamembran eukaryotischer Zellen ist die stabile transversale Asymmetrie der Phospholipide. Sie wird energieabhängig durch die Aktivität einer Aminophospholipidtranslokase aufrechterhalten und gilt als wichtige Voraussetzung für die Homöostasis der Zellen. Die Plasmamembran einiger Säugerzellen weist zudem laterale Lipiddomänen auf, denen eine wesentliche Bedeutung bei der Signaltransduktion zugeschrieben wird. Während der Genese durchlaufen die Membranen der Säugerspermien intensive Veränderungen. Um die Bedeutung der Phospholipidasymmetrie für die Funktion der Spermien zu untersuchen, wurde die Lokalisation und Dynamik von Phosphatidylserin in der Zell- und Akrosommembran von Eberspermien im Verlauf von Kapazitation und Akrosomreaktion betrachtet. Unter Ausnutzung der selektiven, kalziumabhängigen Bindung von AnnexinV an endogenes Phosphatidylserin konnte dessen Lokalisation an morphologisch differenzierten Zellen verfolgt werden. Eine Markierung der Zellen mit NBD-markierten Phospholipidanaloga lieferte zudem Informationen zur Dynamik der Phospholipide in der Plasmamembran. Die Differenzierung der Zellen erfolgte entweder am Durchflusszytometer oder fluoreszenz- bzw. elektronenmikroskopisch. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit weisen sowohl auf eine transversale als auch laterale Ungleichverteilung der Lipide in der Zell- und Akrosommembran während der Genese der Spermien hin. Neben der stabilen transversalen Phospholipidasymmetrie der Plasmamembran konnte erstmals eine zytoplasmatische Lokalisation von Phosphatidylserin auf der äußeren Akrosommembran nachgewiesen werden. Somit akkumulieren die beiden einander zugewandten zytoplasmatischen Monolayer von Plasmamembran und äußerer Akrosommembran Phosphatidylserin. Kapazitationsbedingt kommt es zu einer engen Wechselwirkung zwischen Plasmamembran und äußerer Akrosommembran. Die Ausbildung lateraler Membrandomänen, in denen Phosphatidylserin zytoplasmatisch akkumuliert, wird als Voraussetzung für diese enge Assoziation diskutiert. Weitere Hinweise auf eine funktionelle Bedeutung lateraler Membrandomänen lieferten die Arbeiten zur Isolation Triton-unlöslicher Lipiddomänen aus der Plasmamembran von Forellenspermien. / One of the essential qualities of cell membranes in Eucaryotae is a stable transverse phospholipid asymmetry. It is regulated and maintained by ATP-dependent action of an aminophospholipid translocase and is a major prerequisite for cell homeostasis. The plasma membranes of several mammalian cells show moreover lateral lipid domains, which are imputed to play a significant role in signal transduction. The membranes of mammalian spermatozoa undergo significant changes during genesis. The localisation and dynamics of phosphatidylserine in the cell as well as acrosome membranes of boar sperm cells was studied during capacitation and acrosome reaction to assess the relevance of lipid asymmetry for sperm function. The localisation of endogenous phosphatidylserine in morphologically differentiated cells was followed using the selective calcium depending binding of annexinV. Information on the transverse dynamics of phospholipids in the plasma membrane was obtained by labelling the cells with a NBD-phospholipid analogues. The morphological status of the cells was assessed by flow cytometry, fluorescence and electron microscopy. The results of this study indicate both a transversal and lateral inhomogenous distribution of lipids in the cell membrane as well as in the outer acrosome membrane during sperm genesis. The plasma membrane of boar sperm shows a stable transversal lipid asymmetry characterised by an accumulation of phosphatidylserine in the cytoplasmic monolayer. Moreover a cytoplasmic localisation of phosphatidylserine on the outer acrosome membrane could be detected for the first time. Therefore the two facing cytoplasmic leaflets of the outer acrosome and cell membrane contain phosphatidylserine. Applying microscopy substantiated the hypothesis that there are close interactions between the cell membrane and the outer layer of the acrosome membrane because of capacitation. The cytoplasmic accumulation of phosphatidylserine in lateral lipid domains is probably essential for the strong association of plasma and outer acrosome membrane finally leading to local fusions of both membranes. An indication for the functional meaning of lateral membrane domains in sperm cells was futher deduced from the isolation of Triton-insoluble lipid domains from membranes of trout sperm cells.

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Les membranes cellulaires naturelles sont des structures complexes et posent de nombreux problèmes lorsqu'elles sont étudiées dans leur forme native. Par conséquent, des systèmes modèles lipidiques plus simples sont souhaitables pour étudier les composants des membranes cellulaires et leur interaction avec les molécules biologiques. Immobiliser ces modèles lipidiques sur des surfaces solides métalliques, pour former des bicouches biomimétiques supportées (SLB pour Supported Lipid Bilayer en anglais), est encore plus avantageux grâce leur adaptabilité à de nombreuses techniques de caractérisation de surface, telles que la microscopie de force atomique (AFM), la spectroscopie de résonance des plasmons de surface (SPR), l’électrochimie et les spectroscopies vibrationnelles (IR, Raman). Former ces bicouches lipidiques supportées par fusion des vésicules a toujours été la technique la plus adaptée vue sa simplicité et son efficacité. Cependant, cette technique exige des conditions expérimentales critiques comme la nécessité de surfaces planes lisses et hydrophiles (mica, verre…), des vésicules à base de phospholipides zwitterioniques en phase fluide, une concentration élevée en lipides, et une longue durée d’incubation (>1h). Dans cette thèse, nous visons à développer une nouvelle méthode simple, rapide et polyvalente permettant de former une large gamme de bicouches biomimétiques supportées, de type zwitterionique et anionique, en phase gel et fluide sur un substrat d’or. Cette nouvelle approche consiste en l’utilisation des réactions d’appariement ionique générées par un système rédox confiné en surface pour induire l’assemblage de phospholipides et former la bicouche lipidique. Le premier objectif de cette thèse est d’étudier le comportement électrochimique d’une monocouche auto-assemblée de ferrocényldodécanethiolates (FcC12SAu) en présence de molécules amphiphiles avec des groupes anioniques de types carboxyle (sel d’acide gras) et phosphate (groupes qu’on trouve dans les phospholipides) et une simple chaîne hydrocarbonée. Dans le même contexte, nous viserons également l’utilisation des réactions d’appariement ionique pour induire l’assemblage des surfactants n-alkyl carboxylate et n-alkyl phosphate à l’interface SAM/électrolyte. Le second objectif de ce travail de thèse consiste en l’utilisation du système rédox confiné en surface pour déclencher par appariement ionique l’assemblage des phospholipides (molécules amphiphiles à double chaînes hydrocarbonées) pour former des bicouches biomimétiques supportées sur une surface d’or, à partir de vésicules unilamellaires, à température ambiante et en quelques minutes. La couverture de surface en ferrocènes et l’hydrophobicité/hydrophilicité de la surface seront altérées par la suite pour investiguer l’effet sur la formation des bicouches lipidiques supportées. / Natural cell membranes are complex structures and may present many problems when studied in their native form. It is therefore desirable to have simpler lipid bilayer systems to study the components of cell membranes and their interaction with biological molecules. Immobilizing these lipid membranes on metallic solid surfaces, to form Supported Lipid Bilayers (SLB), is more advantageous due to the integrity with a wide range of surface-sensitive characterization techniques, such as atomic force microscopy (AFM), surface plasmon resonance spectroscopy (SPR), electrochemistry and vibrational spectroscopies (IR, Raman). The preparation of SLBs by vesicle fusion has always been the most suitable technique due to its simplicity and efficiency, but it requires critical experimental conditions such as the need for smooth and hydrophilic flat surfaces (mica, glass...), vesicles based on zwitterionic phospholipids in fluid phase, high lipid concentration, and lengthy SLB preparation times (>1h). In this thesis, we aim to develop a new simple, fast, and versatile method to form a wide range of supported biomimetic bilayers using zwitterionic and anionic phospholipid vesicles in gel and fluid phase on a gold substrate. This new approach consists in the use of ionic pairing reactions generated by a surface-confined redox system to induce the assembly of phospholipids and form the lipid bilayer. The first part of this thesis focuses on studying the electrochemical behavior of a self-assembled monolayer of ferrocenyldodecanethiolates (FcC12SAu) in the presence of amphiphilic molecules containing a carboxyl (fatty acid salt) and phosphate anionic group and a single hydrocarbon chain. This part will also focus on the use of ion-pairing reactions to induce the assembly of n-alkyl carboxylate and n-alkyl phosphate surfactants at the SAM/electrolyte interface. The second and main objective of this thesis work was subsequently devoted to the use of the surface-confined redox system to trigger by ion-pairing the assembly of phospholipids (amphiphilic molecules with double hydrocarbon chains) to form biomimetic bilayers supported on a gold surface from unilamellar vesicles at room temperature and within minutes. The surface coverage of ferrocenes and the hydrophobicity/hydrophilicity of the surface will be altered later to investigate the effect on the formation of supported lipid bilayers.

Diese Arbeit konzentriert sich auf die Anwendbarkeit eines hochmodernen 100 kHz BB-VSFG-Spektrometers, das kürzlich im SALSA Photonics Lab entwickelt wurde, für die Analyse der Grenzflächenstruktur von Alkylketten, des sie umgebenden Wassers und der Phosphatkopfgruppen von Phospholipidschichten. Zunächst wurden Phospholipid-Doppelschichten, die mehrere Komponenten enthalten, bei Laserwiederholraten von 5, 10, 50 und 100 kHz mit konstanter Pulsenergie untersucht. Die BB-VSFG-Spektren legen nahe, dass die Phospholipid-Doppelschichten während der Messungen ohne wärmeinduzierte Veränderungen stabil waren. Darüber hinaus bot die Erhöhung der Laserwiederholungsrate eine praktikable Möglichkeit, Spektren in kurzen Datenerfassungszeiten zu erhalten, ohne dass das Signal-Rausch-Verhältnis beeinträchtigt wurde. Die extrem kurze Aufnahmezeit von 500 ms, die hohe spektrale Auflösung und alle verwendeten Pulsparameter sorgen dafür, dass bei Messungen unter Umgebungsbedingungen keine thermisch bedingten Photoschäden auftreten. Es wurde eine systematische Untersuchung von ein- und zweikomponentigen Phospholipid-Monoschichten in Abhängigkeit von der Oberflächenspannung und dem Mischungsverhältnis für verschiedene Kombinationen an Polarisationen durchgeführt und die Abhängigkeit der Schwingungsspektren untersucht. Die Struktur von Alkylketten und umgebendem Wasser wurde anhand derselben Modellsystemen analysiert. Bislang nicht beobachtete Schwingungsbanden und Spektren von Monolagen mit geringer Oberflächenbedeckung wurden mit einem bisher nicht erreichten Signal-Rausch-Verhältnis gemessen und beschrieben. Die Struktur von Phospholipid-Monolagen mit identischen Kopfgruppen und unterschiedlichen Ketten wurde analysiert und verglichen. Die Spektren bestätigten die Anwesenheit von Wassermolekülen in der Nähe der Phosphat- und Cholingruppen der Phospholipid-Monolagen. / This thesis focuses on the applicability of a state-of-the-art 100 kHz BB-VSFG spectrometer recently developed at the SALSA Photonics Lab and on the analysis of the interfacial structure of alkyl chains, surrounding water, and the phosphate head groups of phospholipid layers. First, multi-component phospholipid bilayers were studied at laser repetition rates of 5, 10, 50, and 100 kHz at constant pulse energy. The spectra suggest that the phospholipid bilayers were stable during the measurements with no heat-induced distortions. Moreover, an increase in the laser repetition rate provided a feasible route to obtain spectra in short data acquisition times without compromising the signal-to-noise ratio. The extremely short acquisition time of 500 ms, the high spectral resolution, and all applied pulse parameters ensured no thermal induced photodamages occur during the measurements. A systematic study of one- and two-component phospholipid monolayers as a function of surface tension and mixture ratio at different polarization combinations was performed and the dependence of the vibrational spectra was explored. The structure of alkyl chains and surrounding water was analyzed using the same model systems. Vibrational modes that were previously unseen and spectra of monolayers at low surface coverage were reported for the first time with an unprecedented signal-to-noise ratio. The structure of phospholipid monolayers containing identical head groups and different chains was analyzed and compared. The order of the phospholipid molecules as a function of the composition of the monolayers was inferred from the spectral data. The influence of the hydration and/or changes in the orientation of the phosphate group was visible from the spectra as well.

Die Phospholipid-Hydroperoxid Glutathion-Peroxidase (phGPx) ist ein monomeres Selenoprotein, welches innerhalb der Familie der Glutathion-Peroxidasen aufgrund seiner breiten Substratspezifität und der Fähigkeit Proteinthiole zu modifizieren eine Sonderstellung einnimmt. Vom Gen der phGPx werden nach heutigem Kenntnisstand drei verschiedene Protein-Isoformen gebildet. Die mitochondriale Isoform enthält am N-Terminus ein mitochondriales Insertionssignal und wird bevorzugt im Testis exprimiert. Von einem im Leserahmen stromabwärts liegenden Startkodon wird die kürzere, ubiquitär exprimierte zytosolische Isoform synthetisiert. Eine dritte phGPx-Isoform besitzt eine N-terminale nukleäre Lokalisationssequenz (kodiert von einem alternativen Exon 1) und wird vornehmlich in den Kernen post-meiotischer Zellen der Spermatogenese gefunden. Aufgabe dieser Arbeit war es, die molekularen Mechanismen zu untersuchen, die am Zustandekommen des vielfältigen Expressionsmusters der phGPx-Isoformen beteiligt sind. Im ersten Teil der Arbeit wurden transkriptionelle Regulationsmechanismen der phGPx-Expression untersucht. Im proximalen Promotorbereich (-100 bp – +228 bp) des phGPx-Gens wurden unter in vitro (Supershift-Assay) und in vivo (Chromatin-Immunopräzipitation) Bedingungen die Transkriptionsfaktoren Sp1 und NF-Y identifiziert, die an drei GC-reiche Motive beziehungsweise zwei inverse CCAAT-Boxen binden. Darüber hinaus konnten in kompetetiven Gelshift-Assays im proximalen Promotorbereich zwei Bindungssequenzen identifiziert werden, die von Faktoren der Smad-Familie gebunden werden. Funktionelle in vitro Promotorstudien mit mutierten Promotorkonstrukten zeigten, dass die Mutagenesen der Sp1- und NF-Y Bindestellen einen starken Einfluss auf die Reportergenaktivität hatten. Im zweiten Teil der Arbeit wurden durch Untersuchungen von Protein-RNA-Interaktionen post-transkriptionelle Mechanismen der Expressionsregulation studiert. Mit Hilfe des in vivo Ansatzes des Hefe Drei-Hybrid Systems wurde der Guanin-reiche Sequenz bindende Faktor 1 (GRSF1) identifiziert, der in der 5’-untranslatierte Region der mitochondrialen phGPx-mRNA bindet. In RNA Gelshift-Assays wurde die Spezifität dieser Interaktion bestätigt und näher charakterisiert. Schließlich wurden für GRSF1 und die phGPx Expressionsprofile in murinen Gewebe erstellt sowie die zeitabhängige Expression beider Proteine während der Embryogenese verfolgt. Die auffällig ähnlichen Expressionsmuster lassen ähnliche Regulationsmechanismen vermuten. Die in dieser Arbeit identifizierten trans-regulatorischen Proteine Sp1, NF-Y, Smad und GRSF1 sollten an der differentiellen Expression der phGPx-Isoformen beteiligt sein. / The Phospholipid Hydroperoxide Glutathione Peroxidase (phGPx) is a monomeric selenoprotein that is unique in the family of Glutathione Peroxidases due to its low substrate specificity and its ability to oxidise protein thiols. Three different isoforms are known to derive from one common gene. The mitochondrial Isoform contains an N-terminal mitochondrial insertion sequence and is preferentially expressed in postpubertal testis. The shorter, ubiquitously expressed, cytosolic isoform is expressed from an in-frame start codon. A third isoform contains an N-terminal nuclear localization signal coded for by an alternative exon 1 and is preferentially expressed in the nuclei of post-meiotic spermatides. The aim of the present study is to investigate the molecular mechanisms leading to the different isoforms and causing their tissue specific expression pattern. In the first part of this work transcriptional regulatory mechanisms will be analysed. Within the proximal promoter region (-100 to +228 bp) of the phGPx gene the transcription factors SP1 and NF-Y were identified to bind to three GC-boxes and two CCAAT-boxes respectively using in vitro methods (Supershift Assays) and in vivo methods (Chromatine immunoprecipitation). Moreover, performing competitive gel shift assays two binding elements for the smad family of transcription factors could be identified. Functional in vitro reporter gene assays provided evidence that the mutagenesis of the binding sequences for NF-Y and Sp1 has a strong impact on promoter activity. In the second part of this work post-transcriptional events in the expression regulation of the phGPx were analysed on the basis of protein/RNA interactions. Applying the in vivo approach of the yeast three hybrid system the Guanin-riche sequence binding factor 1 (GRSF1) could be identified binding to the 5’-untranslated region of the mitochondrial phGPx messenger. RNA mobility shift assays were performed to further characterize the specificity of this protein/RNA interaction. Eventually, the tissue distribution of GRSF1 and phGPx was studied in murine tissues and their expression kinetics were followed during murine embryogenesis. The obvious parallel expression kinetics for mitochondrial phGPx and GRSF1 suggest common regulatory mechanisms for these two genes. All the identified trans-regulatory elements are very likely to be involved in the differential expression regulation of the phGPx isoforms.