RNA-bindende Proteine sind zentrale Regulatoren der Genexpression, aber ihre Funktionen bei der Koordinierung von Zellschicksalsentscheidungen sind unzureichend verstanden. In dieser Studie haben wir RNA interactome capture angewandt, um die globalen Dynamiken des RNA-gebundenen Proteoms während der Auflösung der Pluripotenz und neuronaler Differenzierung zu bestimmen. Wir haben entdeckt, dass 30-40% der RNA-bindenden Proteine sehr dynamisch während der Zellschicksalentscheidungen sind, die Abundanzdynamiken dieser Proteine aber nicht hauptursächlich dafür zu sein scheinen. Basierend auf unseren Daten haben wir ZAP (ZC3HAV1) als einen Faktor identifiziert, der mit Pluripotenz assoziiert ist. Um die Rolle von ZAP in der Stammzellbiologie zu analysieren, haben wir PAR-CLIP, SLAMseq und einen Differenzierungsassay angewandt. Unsere Daten haben gezeigt, dass ZAP mehr als 2,000 mRNA-Transkripte innerhalb des murinen Stammzelltranskriptoms in Abhängigkeit von CG-Dinukleotiden bindet. Zieltranskripte sind angereichert mit Genfunktionen in Zell-Zell-Interaktionen, Gewebemorphogenese und Pluripotenzregulation und werden in Abwesenheit von ZAP stabilisiert. Auβerdem haben wir herausgefunden, dass Depletion von ZAP zu flacherer und breiterer Koloniemorphologie von Stammzellen bei gleichzeitiger Fehlexpression von hunderten von Genen inklusive Lineage-Faktoren führt. Desweiteren führt Abwesenheit von ZAP zu erhöhter Geschwindigkeit bei der Auflösung der Pluripotenz. Zusammengefasst stellen wir die These auf, dass ZAP ein multi-modaler Regulator der Pluripotenz ist. ZAP agiert als positiver Regulator während Aufrechterhaltung der Pluripotenz, während es am Anfang der Pluripotenzauflösung pluripotenz-fördernde Faktoren herunterreguliert. Schlussendlich demonstriert diese Studie, wie die Erforschung von Dynamiken des RNA-gebundenen Proteoms während Zellschicksalsentscheidungen neue Wege öffnet, um die Funktion von RNA-bindenden Proteinen im entwicklungsbiologischen Kontext zu analysieren. / RNA-binding proteins are key regulators of gene expression, but their functions in coordinating cell fate transitions are poorly understood. In this study, we applied RNA interactome capture to determine the global dynamics of the RNA-bound proteome during dissolution of pluripotency and neuronal differentiation. We discovered that 30-40% of RNA-binding proteins are highly dynamic during cell fate transitions and that these dynamics do not appear to be predominantly governed by alterations in their abundance. Based on our data, we identified ZAP (ZC3HAV1) as a factor highly associated with pluripotency. In order to dissect the role of ZAP in mESC biology, we applied a variety of approaches including PAR-CLIP, SLAMseq and pluripotency exit reporter assays. We found that ZAP binds more than 2,000 mRNAs in the mESC transcriptome in a CG dinucleotide-dependent manner. Targets are enriched for transcripts encoding cell-cell adhesion, tissue morphogenesis and pro-pluripotency regulators and stabilized in absence of ZAP. Furthermore, we found that ZAP depletion leads to flattened and spreading stem cell colony morphology, concomitant misexpression of hundreds of transcripts including lineage factors and accelerated early dissolution of pluripotency. In conclusion, we propose that ZAP is a multi-modal stem cell RNA-binding protein acting as a positive regulator in maintenance of pluripotency while aiding downregulation of pro-pluripotent factors at the onset of differentiation. Ultimately, this study demonstrates how exploration of RNA-bound proteome dynamics during cell fate transitions can open paths to dissecting functions of RNA-binding proteins in a developmental context.

In der vorliegenden Arbeit diente das Kapsid der Bakteriophage Qbeta als multivalentes Gerüst und ermöglichte die Bildung eines monodispersen multivalenten Systems, welches mit Homopropargylglycin als unnatürliche Aminosäure modifiziert wurde. Das so eingeführte Alkin ermöglichte kupferkatalysierte Alkin-Azid-Cycloaddition zur Anbindung von Sialinsäuregrupen. Die entsprechende Synthese der hierzu kompatiblen Azid-modifizierten Sialinsäurederivate war eine der Hauptaufgaben dieser Arbeit. Zu diesem Zweck wurde das einfach zugängliche 5-N-Acetyladamantanylthiosialosid als Glykosylierungsdonor in der alpha-selektiven Synthese von Sialosiden evaluiert. Eine effiziente Aktivierung dieses Donors wurde unter optimierten Bedingungen bei -78°C mit N-Iodsuccinimid und Trifluormethansulfonsäure erreicht, was zu hohen alpha-Selektivitäten und Gesamtausbeuten der gewünschten Sialoside führte. Insbesondere Azidoethylenglykol-verknüpfte Sialinsäuren wurden synthetisiert, die für nachfolgende Biokonjugationsreaktionen an das Qbeta-Kapsid verwendet wurden. Die so dargestellten Sialinsäure-modifizierten Qbeta-Kapsidpartikel wurden dann eingehend mit Hilfe mehrerer biophysikalischer und biologischer Tests hinsichtlich ihrer Fähigkeit an Hämagglutinin zu binden und eine Influenza-Infektion zu inhibieren charakterisiert. Niedrige nanomolare Affinitäten wurden in diesen Assays gemessen. Eine sehr effiziente Infektionshemmung in vergleichbaren Konzentrationsbereichen konnte in einem in vitro Zell-, sowie einem in vivo Maus- als auch einem menschlichen ex vivo Modellsystem beobachtet werden. Verschiedene pathologisch relevante Influenzastämme konnten über die hier vorgestellte Strategie ebenfalls gebunden werden. Die monodisperse und definierte Struktur des Qbeta-Gerüsts erlaubte es außerdem ein theoretisches Modell der zugrundeliegenden Bindungsmodi zu erstellen. / In this thesis, the bacteriophage Qbeta capsid served as a multivalent scaffold and facilitated the generation of a monodisperse multivalent system which was modified with homopropargylglycine as an unnatural amino acid. The introduced alkyne enabled copper-catalyzed alkyne-azide cycloaddition to attach sialic acid groups. The corresponding synthesis of the compatible azide-modified sialic acid derivatives was one of the main tasks of this work. For this purpose, the straightforwardly accessible 5-N-acetyladamantanyl thiosialoside was evaluated as a glycosylation donor in the alpha-selective synthesis of sialosides. Efficient activation of this donor was achieved under optimized conditions at -78°C with N-iodosuccinimide and trifluoromethanesulfonic acid which led to high alpha selectivities and overall yields of the desired sialosides. Particularly azidoethylene glycol-linked sialic acids were synthesized which were used for subsequent bioconjugation reactions to the Qbeta capsid. These synthesized sialic acid-modified Qbeta capsid particles were then thoroughly characterized by multiple biophysical and biological assays regarding their ability to bind to hemagglutinin and to inhibit influenza infection. Low nanomolar affinities were measured in these assays. A very efficient infection inhibition in a comparable concentration range was observed in in vitro cellular, in vivo mouse and ex vivo human model systems. Several pathologically relevant influenza strains could also be bound with the strategy presented here. The monodisperse and defined structure of the Qbeta scaffold additionally allowed for the establishment of a theoretical model describing the underlying binding modes.

Ein vielversprechender Ansatz zur Verhinderung von Infektionen mit Influenzavirus ist die kompetitive Inhibition der Virusanhaftung an die Wirtszellen durch Behinderung der Bindung des viralen Hemagglutinin (HA) an sialylierte Glykanrezeptoren. Allerdings erschwert die hohe Variabilität des HA die Entwicklung von universellen Sialinsäure (SA)-basierten Virostatika. In dieser Arbeit wurde der antivirale Effekt von mit SA funktionalisierten Polyglycerolen (PGs) auf Influenza A Viren (IAV) evaluiert. SA-basierte PGs waren nur bei der Inhibition einer geringen Anzahl an IAV Stämmen effektiv. Um die molekulare Basis für diese Beschränkung zu ergründen, wurden mittels Serienpassagen IAV Mutanten selektiert, die gegen sialyliertes PG resistent waren. Es entwickelten sich drei unabhängige resistente Virusvarianten, die einen einfachen bzw. doppelten Aminosäuren-Austausch in der HA RBS aufwiesen. Durch Hemagglutinations-Elution, Einzel-Virus Kraft-Untersuchungen und Glykanarray Analysen konnte eine verringerte Rezeptorbindungsstabilität sowie ein verändertes Rezeptorbindeprofil für diese Virusvarianten gezeigt werden. Interessanterweise wurden drei unterschiedliche Fälle von Virusbindung und Inhibition beobachtet: 1) Virales HA wurde vom PG gebunden und die Virusreplikation inhibiert, 2) virales HA wurde vom PG gebunden ohne Inhibition der Virusreplikation und 3) Virales HA wurde nicht vom PG gebunden und es gab keine Inhibition. Diese Ergebnisse suggerieren, dass es eine Mindestanforderung an die Affinität oder Avidität für eine effektive kompetitive Inhibition von HA gibt. Durch modifizierte PGs, die Sialyllaktose statt SA und einen Amidlinker enthielten, konnte das Potential von PGs als breite IAV Inhibitoren demonstriert werden. Zusammenfassend bieten die Ergebnisse dieser Arbeit wertvolle Einblicke in die Entwicklung von Resistenzen in IAV gegen Inhibitoren des HA-Attachment und in das strategische Design von sialylierten mutlivalenten Inhibitoren gegen IAV. / A promising approach to block influenza virus infections is competitive inhibition of virus attachment to host cells by interfering with binding of the viral surface protein hemagglutinin (HA) to sialylated glycan receptors. However, the high structural and genetic variability of the viral HA has hampered the development of universal sialic acid (SA)-based antivirals. Here, the antiviral effect of biocompatible Polyglycerols (PGs) functionalized with SA on influenza A virus (IAV) was evaluated. PG compounds were only effective at inhibiting a narrow spectrum of IAV strains. To elucidate the molecular basis for this restriction, PG-resistant IAV mutants were selected using serial passaging. Three independent resistant variants developed with single or double amino acid changes mapping to the HA RBS. By employing hemagglutination elution, single-virus force measurements and glycan array analyses, a reduced receptor binding stability as well as an altered receptor binding profile of mutant viruses was shown. Intriguingly, three different cases of virus binding and inhibition were observed using Cy3-labeled compound: 1) viral HA was bound by the compound and resulted in inhibition of replication, 2) viral HA was bound by the compound but replication was not inhibited and 3) viral HA was not bound by the compound and no inhibition occurred. These results suggest that there is an affinity or avidity requirement for effective competitive inhibition of HA attachment. The suitability of PGs as IAV inhibitors with potential for broad activity was demonstrated by a modified PG incorporating sialyllactose instead of SA and an amide linkage covering an extended spectrum of inhibited IAV strains. Taken together, results described in this thesis provide valuable insights into the development of resistance against inhibitors of HA attachment in IAV and into the strategic design of sialylated, multivalent inhibitors aiming at broad activity against influenza viruses.

Die Acetyl-CoA Synthase (ACS) beinhaltet ein einzigartiges Metallcluster (Cluster A) in seinem aktiven Zentrum, welches wichtig für ein autotrophes Wachstum von Bakterien und Archaeen ist, die den reduktiven Acetyl-CoA-Weg nutzen. Der letzte Schritt dieses Syntheseweges wird von der ACS am proximal zum [4Fe-4S] Cluster liegenden Ni ion katalysiert (Nip). In meiner Arbeit wurde die ACS von Carboxydothermus hydrogenoformans (ACSCh) auf seine Ligandenbindung untersucht und in verschiedenen Konformationen kristallisiert. Zuerst wurde die ACSCh in einer neuen Konformation (ACSCh-closed) kristallisiert und deren Struktur mit einer Auflösung von 2.1 Å bestimmt. Diese wies einen geringeren Kontakt zur Solventumgebung auf als die vorher bekannte Struktur der ACSCh (ACSCh-open, PDB-ID: 1RU3). Das Cluster A der ACSCh-closed unterscheidet sich von der ACSCh-open in der Koordination des Nip, welches verzerrt tetraedrisch koordiniert in ACSCh-closed vorliegt und quadratisch planar in ACSCh-open. Eine Analyse des Modells wies einen molekularen Tunnel auf, der nur in ACSCh-closed vorhanden ist, welcher als CO-Kanal zur Substratversorgung dienen könnte. Zweitens wurde die Kristallstruktur einer CO gebunden ACSCh-closed mit einer Auflösung von 2.0 Å gelöst. Darin wurde eine Elektronendichte am Nip identifiziert, die als CO überzeugend modelliert werden konnte. CO bindet am ebenfalls verzerrt tetraedrisch koordinierten Nip. Die Konformationsänderung von ACSCh-open zu ACSCh-closed scheint der entscheidende Schritt zu sein, um CO zur Bindungsstelle zu leiten. Die dritte Struktur zeigt eine CoA gebundene ACSCh Struktur mit einer Auflösung von 2.3 Å. CoA bindet am Nip, wobei Nip quadratisch planar koordiniert wird. Die Gegenwart von CoA wurde mit Berechnungen verschiedener Elektronendichte-Karten für CoA validiert. Die Bindung von CO und CoA an ACSCh wurde zudem mittels isothermaler Titrationskalorimetrie weiter charakterisiert. Dabei bindet CoA enthalpisch getrieben mit einem KD von 3.1 µM und CO entropisch getrieben mit einem KD von 9.4 µM an ACSCh. / The acetyl-CoA synthase (ACS) harbors a unique metal cluster (cluster A) in its active site, which is important for bacteria and archaea to survive in autotrophic growth using the reductive acetyl-CoA. The last step of this pathway is catalyzed by ACS at the Nip, the Ni ion proximal to the [4Fe-4S] cluster. In my study, the monomeric ACS of Carboxydothermus hydrogenoformans (ACSCh) was studied in its ligand binding and crystallized in different forms. At first, an ACSCh structure was solved in a new conformation at dmin of 2.1 Å and less solvent exposed (called ACSCh-closed) than the known structure of ACSCh (called ACSCh-open, PDB-ID:1RU3). The cluster A of ACSCh-closed differs to that of ACSCh-open in the coordination of the proximal Ni, which is distorted tetrahedrally coordinated in ACSCh-closed and square planar coordinated in ACSCh-open. Analysis of the model revealed a molecular tunnel that is only present in ACSCh-closed, which might act as CO channel for substrate delivery. Secondly, a CO-bound ACSCh-closed crystal was obtained and solved at a resolution of 2.0 Å. An electron density fitting with a diatomic ligand at the Nip site was clearly identified and modeled as a CO molecule. CO binds at the Nip site completing the tetrahedral coordination geometry of Nip. The conformational switch between open and closed is responsible for CO migration and binding to the catalytic site. A third crystal structure depicts a CoA bound ACSCh structure at 2.3 Å resolution. CoA binds at the Nip which shows a square planar geometry. This was further supported by calculating different electron density maps for CoA. The binding of CO and CoA to ACSCh has been characterized by isothermal calorimetry experiments. While CoA binding is enthalpically driven with a KD of 3.1 µM, CO binds to ACSCh by entropic contribution with a KD of 9.4 µM.

Der Komplex aus Kohlenmonoxid-Dehydrogenase und Acetyl-CoA-Synthase (CODH/ACS Komplex) des thermophilen Bakteriums Carboxydothermus hydrogenoformans katalysiert die Fixierung von CO2 in Acetyl-CoA und ist damit ein potenzieller Katalysator für die Erzeugung erneuerbarer Kraftstoffe aus CO2. Die Katalyse erfolgt an zwei verschiedenen Stellen: CO2 wird am Cluster C in der CODH-Untereinheit zu CO reduziert, das dann durch einen Tunnel innerhalb des Proteins zum Cluster A in der ACS-Untereinheit wandert, wo es mit einer Methylgruppe und CoA zu Acetyl-CoA reagiert. Die Art und Weise, wie die beiden katalytischen Aktivitäten zusammenwirken, sind noch unklar. Um hier mehr Licht ins Dunkel zu bringen, verfolgte diese Arbeit drei Ziele: die Bestimmung der Struktur des CODH/ACS-Komplexes von C. hydrogenoformans, die Untersuchung der CO2-Reduktionsaktivität von CODHasen und die Analyse der Rolle des internen Tunnels im CODH/ACS-Komplex. Die Struktur des CODH/ACS-Komplexes von C. hydrogenoformans wurde durch Röntgenkristallographie mit einer Auflösung von 2,04 Å bestimmt. Die CO2-Reduktion am Cluster C wurde kinetisch untersucht. Es zeigte sich, dass die CO2-Reduktion durch einen Ping-Pong-Mechanismus mit zwei Reaktionsstellen erfolgen könnte, der in früheren Studien vorgeschlagen wurde, aber auch durch andere Mechanismen. Um eine Struktur-Funktionsbeziehung für CODHs zu ermitteln, wurde die CO2-Reduktionsaktivität für drei CODHasen von C. hydrogenoformans untersucht, deren Strukturen bekannt sind: CODH-II, CODH-IV, und der CODH/ACS-Komplex. Das Tunnelsystem im CODH/ACS-Komplex ist viel enger als in den anderen CODHs und könnte somit der Grund für die vergleichsweise geringe Aktivität des CODH/ACS-Komplexes sein. Dies wurde auch durch die Manipulation und Analyse des internen Tunnels des CODH/ACS-Komplexes unterstützt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Hauptzweck des Tunnels im CODH/ACS-Komplex die Kompartimentierung von CO und nicht der schnelle Substrattransport ist. / The complex of carbon monoxide dehydrogenase and acetyl-CoA synthase (CODH/ACS complex) of the thermophilic bacterium Carboxydothermus hydrogenoformans catalyses the fixation of CO2 into acetyl-CoA and is thus a potential catalyst for the production of renewable fuels from CO2. Catalysis occurs at two different sites: CO2 is reduced to CO at cluster C in the CODH subunit, which then travels through a tunnel within the protein to cluster A in the ACS subunit, where it reacts with a methyl group and CoA to form acetyl-CoA. The way in which the two catalytic activities interact is still unclear. To shed more light on this, this work pursued three goals: to determine the structure of the CODH/ACS complex of C. hydrogenoformans, to investigate the CO2 reduction activity of CODHases and to analyse the role of the internal tunnel in the CODH/ACS complex. The structure of the CODH/ACS complex of C. hydrogenoformans was determined by X-ray crystallography at 2.04 Å resolution. The CO2 reduction at cluster C was investigated kinetically. It was found that CO2 reduction could occur by a two-site ping-pong mechanism proposed in previous studies, but also by other mechanisms. To establish a structure-function relationship for CODHs, CO2 reduction activity was investigated for three CODHases of C. hydrogenoformans whose structures are known: CODH-II, CODH-IV, and the CODH/ACS complex. The tunnel system in the CODH/ACS complex is much narrower than in the other CODHs and could thus be the reason for the comparatively low activity of the CODH/ACS complex. This was also supported by the manipulation and analysis of the internal tunnel of the CODH/ACS complex. The results suggest that the main purpose of the tunnel in the CODH/ACS complex is to compartmentalise CO and not to rapidly transport substrate.

Post-translationale Modifikationen (PTMs) sind wesentlich für die Regulierung von zellulären Mechanismen. Um diese Prozesse besser zu verstehen, ist es essentiell Methoden für deren Erforschung zu entwickeln. In dieser Arbeit wurden zwei chemoproteomische Ansätze entwickelt, um die PTMs, Proteinphosphorylierung und Proteinpyrophosphorylierung zu untersuchen. Die Proteom-weite Erforschung von Proteinphosphorylierungen beruht gewöhnlich auf der LC-MS/MS-Analyse von enzymatisch verdauten Proteomen und da die Phosphorylierung von niedriger Abundanz ist, wird ein Phosphopeptid-Anreicherungsschritt benötigt. Die Identifizierung von bestimmten Phosphopeptiden ist allerdings abhängig von der gewählten Anreicherungsmethode. Die Entwicklung von neuen Prozeduren ist daher bedeutsam, um neue Phosphorylierungsstellen zu identifizieren. Im ersten Projekt wurde eine milde und selektive Phosphopeptid-Anreicherungsmethode entwickelt und optimiert. Die Methode zeigte die Fähigkeit Phosphopeptide anzureichern und somit das Potential, das Repertoire der vorherigen Methoden zu erweitern, um neue Phosphorylierungsstellen zu identifizieren. Proteinpyrophosphorylierung ist eine unlängst identifizierte PTM, die nicht-enzymatisch an Proteine angefügt wird und es ist nur wenig ist über ihre Funktion bekannt. Vorherige Studien wiesen darauf hin, dass diese Modifikation enzymatisch entfernt wird, allerdings sind die verantwortlichen Enzyme („Proteinpyrophosphatasen“) nicht bekannt. Hier wurde eine Peptidaffinitätsmethode entwickelt, um potentielle Pyrophosphatasen und weitere interagierende Proteine aus humanen Zellen zu identifizieren. Damit wurden 6 Phosphatasen als potentielle Pyrophosphatase-Kandidaten identifiziert und weitere interagierende Proteine gaben Aufschlüsse über die Funktion der Proteinpyrophosphorylierung. Dadurch wurde das Potential der Methode aufgezeigt, interagierende Proteine der Proteinpyrophosphorylierung zu identifizieren, um die zelluläre Rolle zu verstehen. / Post-translational modifications (PTMs) are crucial for the regulation of cellular mechanisms. To better understand these processes, the development of chemical tools to investigate them is of high importance. In this thesis, two chemoproteomics approaches were established to investigate the PTMs protein phosphorylation and protein pyrophosphorylation. The proteome-wide study of protein phosphorylation usually relies on LC-MS/MS analysis of enzymatically digested proteomes, requiring a phosphopeptide enrichment step, due to the low abundance of phosphorylation. However, the identification of certain sets of phosphopeptides is dependend on the choice of enrichment method. Therefore, the development of new workflows is important to identify new phosphorylation sites. In the first project, a mild and selective phosphopeptide enrichment method was developed and optimized. The method was able to enrich phosphopeptides and therefore, showed the potential to complement the repertoire of current methods to identify new phosphorylation sites. Protein pyrophosphorylation is a recently discovered PTM, which is non-enzymatically attached to proteins and there is only sparse knowledge about the function. Previous studies have indicated the enzymatic removal of this modification, but the responsible enzymes (‘protein pyrophosphatases’) are unknown. Here, a peptide affinity capture method was developed to identify potential pyrophosphatases and further interacting proteins from human cells. Therewith, 6 phosphatases were identified as potential pyrophosphatase candidates and further interacting proteins gave insights into the function and mechanisms of protein pyrophosphorylation. Thereby, the potential of this method was demonstrated to identify interacting proteins of protein pyrophosphorylation to understand the cellular role.

Das zu den Protozoen gehörende Phylum der Apicomplexa umfasst nahezu 6000 Parasitenarten. Die meisten Apicomplexa haben sich an eine obligat intrazelluläre Lebensweise angepasst und infizieren verschiedenste Tiere und den Menschen. Zu den bedeutendsten Vertretern der Apicomplexa zählen Toxoplasma, Plasmodium und Eimeria. In dieser Arbeit lag der Schwerpunkt auf den drei repräsentativen Organismen Toxoplasma gondii, Eimeria falciformis und Plasmodium berghei, welche sich alle in einem etablierten Wirt (der Maus) reproduzieren, sich allerdings hinsichtlich ihrer Wirtszellen, Persistenz sowie in ihrem Reproduktionsverhalten deutlich unterscheiden. Somit ermöglichen die genannten Parasiten eine umfassende Untersuchung der Biologie der Apicomplexa. Die meisten Entwicklungsstufen dieser Pathogene sind sehr eng mit der Wirtszelle assoziiert, was auch metabolische Wechselwirkungen beinhaltet. Das Verständnis dieser Interaktionen ist unerlässlich, um die Evolution von Parasiten zu ergründen. Grundsätzlich war das Ziel dieser Arbeit, die metabolischen Netzwerke der genannten Parasiten zu eruieren und den Einfluss des Metabolismus auf Wachstum, Pathogenese und Adaption in verschiedenen Nährstoffumgebungen zu untersuchen. Unsere Vorgehensweise verband biochemische, revers-genetische, zellbiologische und optogenetische Bottom-Up-Methoden mit Top-Down-Methoden wie Lipidomics, Metabolomics und Transcriptomics um folgende Prämissen anzugehen: • Vergleichender Entwurf der metabolischen Netzwerke in den obengenannten Parasiten • Nährstoff-Plastizität für die Überlebensfähigkeit des Parasiten in verschiedenen Milieus • Umregulierung oder Ausbeutung des Wirtsmetabolismus durch intrazelluläre Parasiten • Stadien-spezifische Regulation des Metabolismus während der asexuellen Reproduktion • Identifizierung und Validierung potentieller anti-parasitischer Wirkstoffe / The protozoan phylum apicomplexa comprises nearly 6000 parasitic species. Most apicomplexans have adapted to obligate intracellular parasitism in a wide range of organisms, including animals and humans. Some notable members of the phylum include Toxoplasma, Plasmodium and Eimeria species. This study focused on three representative parasites, namely Toxoplasma gondii, Eimeria falciformis and Plasmodium berghei, all of which infect a common and well-established model host organism (i.e. mouse), but have diverged from each other considerably with respect to the target host cells, persistence and reproduction behavior. These parasites together therefore enable a fairly inclusive study of the apicomplexan biology. Most developmental stages of these pathogens intimately associate with host cells, involving a metabolic crosstalk between the two entwined entities. A germane understanding of such interactions is vital to appreciate the evolution of parasites. In a nutshell, this work aimed to determine the design of metabolic networks in indicated parasites and the impact of metabolism on growth, pathogenesis and adaptation in discrete nutritional milieus. Our approach blended bottom-up methods of biochemistry, reverse genetics, cell biology and optogenetics with the top-down lipidomics, metabolomics and transcriptomics to address the following major premises: • Comparative design of the selected metabolic networks in aforementioned parasites • Nutritional plasticity underlying the parasite survival in variable environments • Subversion or exploitation of host metabolism by intracellular parasites • Stage-specific rewiring of parasite metabolism during asexual reproduction • Identification and endorsement of potential anti-parasitic drug targets

Die rekombinante Expression des Vier-Helix-Bündelproteins Sulerythrin, aus Sulfolobus tokodaii-Stamm 7, wurde etabliert und für die Produktion von metallfreiem Apo-Protein optimiert. Durch Metall-Rekonstitution konnten Eisen, Nickel, Kobalt, Mangan und Eisen-57 als Cofaktoren des homo-bimetallischen Zentrums eingebracht werden. Es wurden Zusammenhänge zwischen Eigenschaften, Reaktivitäten und Strukturen verschiedener diMe-SulE-Proteine untersucht. Die Affinität der Bindungen der vier Metalle an das SulE-wt wurde mittels ITC untersucht und deutet auf eine hochaffine und eine niedrigaffine Bindungsstelle im Zentrum hin, was durch Kristallisation von mono-Fe-SulE bestätigt wurde. Die Me-SulE-wt-Proteine zeigten unterschiedliche UV-vis-Spektren im reduzierten und oxidierten Zustand. Es wurden diFe-SulE-Varianten der Koordinationssphäre des aktiven Zentrums erzeugt und deren Oxidationsraten mit Sauerstoff bei 325 nm bestimmt, wobei diFe-SulE-wt langsamer war als alle Varianten (beobachtete Geschwindigkeitskonstanten teilweise 40 bis 50-mal höher). Die reduzierten Zustände der diFe-SulE-Varianten wurden durch Mößbauer-Spektroskopie untersucht (80-100 %ige Fe(II) im high-spin Zustand). Für die diMe-SulE-wt-Varianten wurde die Katalaseaktivität gemessen. Durch die Inkubation von diCo-SulE-wt-Kristallen mit H2O2 konnte ein verbrückender μ2-η2-Peroxid-Ligand in der Proteinstruktur modelliert werden und ein Reaktionsintermediat nachgewiesen werden, dessen O-O-Bindungslänge mit 1,50 Å nahezu identisch mit H2O2 ist. Der Metall-Metall-Abstand im zweikernigen Metallzentrum der Varianten reichte von 3,97 Å für bis 3,15 Å. Anhand der Strukturen der aktiven Stellen der Varianten lassen sich strukturelle Unterschiede erkennen, die als Ursache für die unterschiedlichen Reaktivitäten und Oxidationsraten vermutet werden. Die Daten zeigen eine klare Korrelation zwischen einem abnehmenden Metall-Metall-Abstand und einem Anstieg der Geschwindigkeitskonstante für verschiedene Varianten. / The recombinant expression of the four-helix bundle protein Sulerythrin, from Sulfolobus tokodaii strain 7, was established and optimized for the production of metal-free apo-protein. By metal reconstitution, iron, nickel, cobalt, manganese and iron-57 were incorporated as cofactors of the homo-bimetallic center. Relationships between characteristics, reactivities and structures of different diMe-SulE proteins were investigated. The affinity of the bonds of the four metals to the SulE-wt was investigated by ITC and indicated a high-affinity and a low-affinity binding site in the active site, which was confirmed by crystallization of mono-Fe-SulE. The Me-SulE-wt proteins showed different UV-vis spectra in the reduced and oxidized states. diFe-SulE variants of the active site coordination sphere were generated and their oxidation rates with oxygen at 325 nm were determined, with diFe-SulE-wt being slower than all variants (observed rate constants 40 to 50 times higher in some cases). The reduced states of the diFe-SulE variants were investigated by Mössbauer spectroscopy (80-100 % Fe(II) in high-spin state). The catalase activity was measured for diMe-SulE-wt variants. By incubating diCo-SulE-wt crystals with H2O2, a bridging μ2-η2 peroxide ligand could be modeled in the protein structure and a reaction intermediate was detected whose O-O bond length of 1.50 Å is almost identical to H2O2. The metal-to-metal distance in the binuclear metal center of the variants ranged from 3.97 Å for to 3.15 Å. Based on the structures of the active sites of the variants, structural differences can be identified, which are assumed to be the cause of the different reactivities and oxidation rates. The data further provide a clear correlation between a decreasing distance between the metals and an increase in the rate constant for different variants.

In dieser Arbeit wurden die von Seitz et al. entwickelten forced intercalation (FIT)-Sonden zur mRNA-Charakterisierung in lebenden Zellen eingesetzt. Es erfolgte die Synthese verbesserter FIT-Sonden für die systematische Untersuchung der Aufnahme durch lebende Flp-In™ 293 T-REx™-Zellen. Dafür wurden sowohl hergestellte FIT-Sonden-Konjugate/Aggregate als auch kommerziell erhältliche Reagenzien, wie z.B. die Palmitinsäure und das porenbildende Enzym Streptolysin-O auf ihre Effizienz untersucht. Die optimalen Bedingungen für das Einbringen von DNA- und PNA-FIT-Sonden in Flp-In™ 293 T-REx™-Zellen lieferte das Enzym Streptolysin-O. Durch den simultanen Einsatz von drei unterschiedlichen Sonden (BO-, TO- und CB-markiert), komplementär zu drei verschiedenen Zielsequenzen, gelang es erstmals eine Dreifarben-Lebendzell-Bildgebung mit FIT-Sonden durchzuführen. Des Weiteren wurden TO-FIT-Sonden zur Unterscheidung verschiedener T-Zelllinien eingesetzt. Mithilfe eines kompetitiven Hybridisierungsexperiments konnte die spezifische Fluoreszenzemission der Sonden in den Zellen belegt werden. Untersuchungen mit zwei T-Zelllinien zeigten, dass TO-FIT-Sonden sowie terminal Cy7-markierte TO-FIT-Sonden eine erhöhte TO-Emission bei Vorhandensein der komplementären TCR-mRNA-Zielsequenz in den Zellen aufwiesen. Der terminale Cy7-Farbstoff bot mit einem zweiten Detektionskanal die Möglichkeit die Cy7-Intensität und die vorhandene TO-Intensität ins Verhältnis zu setzen, sodass Signale von ungebundener Sonde leichter ausgeschlossen werden konnten. Dies ermöglichte eine spezifische Markierung der T-Zellen. Es folgte die Synthese CB-markierter FIT-Sonden zur Aufklärung biologischer Fragestellungen, wie dem Verlauf einer Influenza A Infektion und die Synthese und Evaluation neuer Farbstoffe mit einem Absorptionsmaximum bei 590/596 nm. Zudem wurde der Einbau eines zyklischen PNA- Monomers bezüglich der Verbesserung von Responsivität und Helligkeit von PNA-FIT-Sonden analysiert. / In this work forced Intercalation (FIT) probes, developed by Seitz et al. were used for the mRNA characterization in living cells. The synthesis of improved FIT probes as well as the systematic study on the uptake of FIT probes by living Flp-In™ 293 T-REx™ cells was performed. Therefore FIT probe conjugates/aggregates as well as commercially available reagents, e.g. palmitic acid and the pore-forming enzyme Streptolysin-O were investigated under various conditions. Furthermore, the transfection was tested using an electroporator. The optimal transfection condition for the introduction of DNA and PNA FIT probes into Flp-In™ 293 T-REx™ cells was achieved using Streptolysin-O. Multicolor live cell imaging with the simultaneous use of three different FIT probes (BO, TO and QB) against three different target sequences was performed successfully. In addition, FIT probes were used for the differentiation between T cell lines. A competitive hybridization experiment with cells confirmed the specific fluorescence emission of the probes. Further studies with two cell lines and TO-FIT probes as well as terminal Cy7-labeled TO-FIT probes showed an increased TO emission in the presence of the complementary TCR mRNA target sequence in the cells. A second detection channel of the terminal Cy7 dye provided the advantage of comparing the Cy7- and TO-intensity ratio, thereby making it easier to exclude signals from unbound probe. This enabled the specific tagging of t cells. This was followed by the synthesis of QB-DNA-based FIT probes for the use in various biological applications e.g. as a pan selective marker for Influenza A infection. Moreover, the synthesis and evaluation of new dyes with an absorption maximum at 590/596 nm was performed. The incorporation of a cyclic PNA monomer next to the TO dye has also been realized to improve responsiveness and brightness in PNA-FIT probes.

In dieser Arbeit werden Strategien zur Entwicklung von biohybriden Photoelektroden, die Licht in elektrische Energie umwandeln, demonstriert und diskutiert. Der natürliche Photonen-transformierende Superkomplex der oxygenen Photosynthese aus Thermosynechococcus elongatus, das Photosystem I (PSI), kann durch die nicht-native Interaktion zum Redoxprotein Cytochrom c (Cyt c), erfolgreich funktional in Elektroden integriert werden. Hierfür wurden unterschiedliche Strategien entwickelt, z. B. bilden beide Biokomponenten unspezifische Komplexe in Lösung und assemblieren gemeinsam auf modifizierten Goldoberflächen. Aus der Kontaktierung des PSI mit einer thiol-modifizierten Goldelektrode via Cyt c ergeben sich unidirektionale kathodische Photoströme. DNA, als ein Polyelektrolytmatrixelement, kann zum Aufbau von 3D-Protein-Mehrschichtarchitekturen höherer Stabilität und Leistungsfähigkeit verwendet werden. Der Einsatz von mesoporösen Indium-Zinnoxid-Elektroden vergrößert die Photostromgenerierung um mehr als eine Größenordnung, wodurch sich hieraus skalierbare transparente Photobioelektroden mit hohen Quanteneffizienzen (bis zu 30%) erzeugen lassen. / In this thesis, strategies are demonstrated and discussed for the development of biohybrid photoelectrodes transforming light into electrical energy. The natural photon-to-charge carrier converting super-complex from oxygenic photosynthesis of Thermosynechococcus elongatus, photosystem I (PSI), can be functionally implemented into such electrodes, due to the non-native interaction with the small redox protein cytochrome c (cyt c). Different strategies have been developed, e. g. both biocomponents form complexes in solution and self-assemble on modified gold-surfaces. The electrical connection of PSI to thiol-modified gold electrodes via cyt c results in unidirectional cathodic photocurrents of high efficiency. DNA, as a polyelectrolyte matrix element, can be used to build up 3D protein multilayer architectures of higher stability and performance. The use of mesoporous indium tin oxide electrodes further enhances the photocurrent generation more than one order of magnitude, thus resulting in scalable transparent photobioelectrodes of high quantum efficiencies (up to 30 %).