Untersuchungen zur Reaktion von Proteinen während einer Hochdruckbehandlung (HD) ermöglichen ein besseres Verständnis der Reaktivität und Struktur auf molekularer Ebene. In der vorliegenden Arbeit wurde die enzymatische Oligomerisierung von Hühnereiweißlysozym (HEWL) mithilfe der druckstabilen mikrobiellen Transglutaminase (mTGase) unter HD untersucht. Die resultierenden Oligomere wurden anschließend hinsichtlich ihrer strukturellen und funktionellen Eigenschaften charakterisiert. Vergleichende Untersuchungen wurden mit dem evolutionsbiologisch verwandten Protein, dem α-Lactalbumin durchgeführt. Abschließend erfolgten orientierende Studien zur nicht-enzymatischen Vernetzung von HEWL und ausgewählten Milchproteinen, bei welchen eine kovalente Verknüpfung über vergleichbare Isopeptide nachgewiesen werden konnte. Kompakte, globuläre Proteine, wie das untersuchte HEWL stellten unter Normaldruck keine Substrate für die mTGase dar. Auch war eine enzymatische Vernetzung nach erfolgter Hochdruckbehandlung aufgrund der Reversibilität der druckinduzierten Auffaltung nicht möglich. So wurde HEWL nur bei simultaner Behandlung mit mTGase und hohem hydrostatischem Druck zu Homooligomeren vernetzt. Neben einem geeigneten Puffersystem wurden der pH-Wert, die Inkubationszeit, die Temperatur, der hydrostatische Druck, die Enzymaktivität der mTGase und die Proteinkonzentration des Lysozyms verändert. Abhängig von den Reaktionsbedingungen wurden Produkte mit stark variierenden Vernetzungsgraden erhalten, wobei eine maximale Oligomerisierung von zirka 75% aus einer 3%igen HEWL-Probe in Tris-HCl-Puffer bei pH 7,5 mit 160 U mTGase/g Protein über 30 min, 600 MPa und 40°C erreicht wurde. Zudem erfolgte eine Kategorisierung aller resultierenden Proben anhand ihres mittels Gelelektrophorese bestimmten Vernetzungsgrades in drei Untergruppen: LMW (niedrig vernetzt, 0 - 30%), MMW (mittel vernetzt, 30 - 60%) und HMW (hoch vernetzt, 60 - 100%). In den so vernetzten Proben wurden das reaktionsspezifisch gebildete Isopeptid N ε (γ L Glutamyl)-L-Lysin (Glu_Lys) nachgewiesen und die beteiligten reaktiven Aminosäuren identifiziert. Die Bestimmung von Glu_Lys, welches für die kovalenten Verknüpfungen verantwortlich ist, erfolgte nach enzymatischer Hydrolyse am Aminosäureanalysator mit Ninhydrin-Nachsäulen-Derivatisierung. Eine erste Abschätzung des Isopeptid¬gehaltes zeigte zudem, dass es bei der Oligomerisierung sowohl zu inter- als auch intra¬molekularer Vernetzung kam. Der minimal notwendige Gehalt an Cross-Link-Aminosäuren, [CLAA]min lag zum Teil um den Faktor zwei unter dem Gehalt des quantifizierten Glu_Lys. Anschließend konnte nach tryptischem Verdau über die RP-HPLC/ESI-TOF-MS für die gering vernetzten Proben (LMW) genau eine definierte kovalente Verknüpfungsstelle ermittelt werden. Für die MMW- und HMW-Proben wurden fünf bzw. sechs Peptidfragmente detektiert. Bei den LMW-Proben wurde Lys1 mit Gln121 vernetzt. Den höher oligomerisierten Proben konnten die Lysinreste Lys1, Lys13, Lys116 und die Glutaminreste Gln41, Gln57, Gln121 zugeordnet werden. Somit gelang eine erste strukturelle Aufklärung der Vernetzungsprodukte. Der Aufbau der Oligomere läuft demnach zuerst gerichtet und linear ab. Insbesondere bei höheren Temperaturen und Enzymaktivitäten werden jedoch ungeordnete Strukturen gebildet. Die einzelnen Vernetzungsprodukte scheinen aufgrund der Lage der reaktiven Aminosäuren im HEWL-Molekül über mehrere intermolekulare Bindungen eine variierende Struktur auszubilden. Eine Quantifizierung der einzelnen Isopeptide erfolgte nicht, orientierende MS-Untersuchungen lassen aber vermuten, dass auch hier bevorzugte Reaktionsorte existieren. Die vernetzten Proben wurden nachfolgend über Ammoniumsulfatfällung konzentriert und mittels Gelpermeationschromatographie (GPC) fraktioniert. Die Ausbeuten der GPC waren sehr gering. Eine Fraktionierung in einzelne, selektiv verknüpfte Oligomere wurde nicht erreicht. Die enzymatisch oligomerisierten Proben sowie ausgewählte GPC-Fraktionen mit höheren Oligomeren wurden hinsichtlich funktioneller und struktureller Konsequenzen untersucht. Begonnen wurde dabei mit der lytischen Enzymaktivität des HEWL gegen Zellwände des Micrococcus lysodeikticus. Eine abnehmende bzw. verbleibende Lyseaktivität korrelierte mit einer zunehmenden Oberflächen¬hydrophobität der Oligomerengemische. Beide Größen verhielten sich indirekt proportional zueinander. Während der hydrophobe Kern des Moleküls mit steigender Oligomerisierungsrate freigelegt wurde, senkte sich die Lyseaktivität bis auf null ab. Eine räumliche Deformation oder Barriere entstand mutmaßlich im oder in der Nähe des reaktiven Zentrums (Glu35 und Asp52) des Lysozyms, so dass der Enzym-Substrat-Komplex nicht mehr ausgebildet werden konnte. Die Untersuchung der Veränderung sekundärer und tertiärer Strukturbestandteilte erfolgte mithilfe der Zirkular-Dichroismus-Spektroskopie. Gleichwohl für die Tertiärstruktur keine großen Veränderungen aufgezeigt wurden, ist für die Sekundärstruktur mit zunehmendem Vernetzungsgrad eine Abnahme der α-Helices und eine Zunahme von ungeordneten und β Faltblatt-Bereichen detektiert worden. Es konnte daher die unter Hochdruck bekannte Auffaltung des HEWL über die enzymatische Vernetzung derart stabilisiert werden, dass eine vollständige Rückfaltung nicht mehr gegeben war. Das Fibrillierungsverhalten der oligomerisierten Proben im Sauren im Vergleich zum unbehandelten HEWL stellte eine weitere Charakterisierungsmöglichkeit dar. Die Analyse der inkubierten Proben erfolgte mithilfe dreier photometrischer Methoden (Umsetzung mit den Reagenzien 8-Anilino-1-naphtalinsulfonsäure, Kongorot oder Thioflavin T). Die fibrillierten Proben wurden zudem transmissionselektronenmikroskopisch (TEM) untersucht. Mit zunehmender Vernetzung war dabei eine abnehmende Fibrillierungsneigung zu beobachten, welche gut strukturell zu erklären ist, da die zusätzlichen, kovalenten Isopeptidbindungen die Proteinmoleküle gegen eine saure Auffaltung stabilisieren. Eine Auffaltung ist jedoch die Grundvoraussetzung für eine Assoziation und Bildung in-vitro-induzierter, amyloider Strukturen. Ferner wurde das antimikrobielle Verhalten der Präparate gegen grampositive und -negative Mikroorganismen getestet. Unbehandeltes Lysozym zeigt grundsätzlich gegenüber grampositiven Mikroorganismen eine gute antimikrobielle Aktivität. Eingesetzt wurden der Agardiffusions- und der bakterielle Hemmtest (Trübungsassay). Hierbei zeigten alle geprüften Proben keine Wirkung gegenüber gramnegativen Bakterien. Die antimikrobielle Wirkung gegenüber den grampositiven Mikroorganismen variierte stark. Das Phänomen der erhöhten Sensibilität gegenüber ausgewählten Bakterienstämmen im niederkonzentrierten Bereich wurde für Bacillus subtilis (grampositiv) und die mittel- bzw. hochvernetzten Proben im Vergleich zu unbehandelten HEWL (je 0,00625% Probe, w/v) reproduzierbar nachgewiesen. Auf die umfassende Charakterisierung der enzymatisch vernetzten HEWL-Proben folgten orientierende Vergleichsstudien mit dem evolutionsbiologisch verwandten α Lactalbumin (α-LA). Die enzymatische Oligomerisierung konnte für das Molkenprotein dabei im Gegensatz zum HEWL bereits unter Atmosphärendruck erzielt werden. Die Vernetzungsraten betrugen, unabhängig von den untersuchten Rahmenparametern aber abhängig vom Calciumgehalt, zirka 35% (mit Ca) bis 72% (ohne Ca). Das α-LA als Calcium-bindendes Protein wurde somit durch die Abwesenheit des Metallions derart destabilisiert, dass es für die mTGase besser umsetzbar wurde. Die im Vergleich zum Lysozym vermehrt enthaltenen potentiell reaktiven Aminosäuren (doppelt so viel Lys und Gln) trugen ebenfalls zu einer stärkeren Oligomerisierung bei. Abschließend erfolgten Studien zu nicht-enzymatischen, vakuuminduzierten Kondensations-reaktionen. Dabei wurde trockenes HEWL im Vakuum thermisch induziert vernetzt. Die Methode ist in der Literatur als Zero-Length-Cross-Linking (ZLCL) beschrieben. Die Untersuchung der Parameter Vakuum, Temperatur, pH-Wert und Zyklenzahl erfolgte an dem globulären Protein. Dieses konnte unter nicht denaturierenden Bedingungen bis zum Di- und Trimer vernetzt werden. Weitere Milchproteinproben (ein Molkenproteinisolat und β-Casein) wurden nur exemplarisch unter Standardbedingungen untersucht. Hierbei wurde das Molkenproteinisolat deutlich besser als HEWL und das β-Casein bei 85°C über je 24 h und Einsatz von Vakuum am stärksten oligomerisiert. Die gute Umsetzung des β-Caseins ist dabei auf die fehlende Tertiär- und Sekundärstruktur zurückzuführen. Zum Teil entstanden auch Casein-Polymere, welche nicht mehr elektrophoresegängig waren. Die beteiligten Isopeptide wurden analog zu den enzymatisch vernetzten Proben über die Aminosäureanalytik nachgewiesen. Es konnte das Isopeptid N-ε-(β-Aspartyl-)Lysin (Asp_Lys) neben Lysinoalanin (LAL), aber kein Glu_Lys in HEWL nachgewiesen werden. Beide Isopeptide (Asp_Lys und Glu_Lys) sowie LAL sind dagegen im β Casein gebildet worden. Der Einfluss struktureller Gegebenheiten auf die Reaktionsfähigkeit der Proteine konnte folglich eindeutig belegt werden.

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Untersuchungen zur Reaktion von Proteinen während einer Hochdruckbehandlung (HD) ermöglichen ein besseres Verständnis der Reaktivität und Struktur auf molekularer Ebene. In der vorliegenden Arbeit wurde die enzymatische Oligomerisierung von Hühnereiweißlysozym (HEWL) mithilfe der druckstabilen mikrobiellen Transglutaminase (mTGase) unter HD untersucht. Die resultierenden Oligomere wurden anschließend hinsichtlich ihrer strukturellen und funktionellen Eigenschaften charakterisiert. Vergleichende Untersuchungen wurden mit dem evolutionsbiologisch verwandten Protein, dem α-Lactalbumin durchgeführt. Abschließend erfolgten orientierende Studien zur nicht-enzymatischen Vernetzung von HEWL und ausgewählten Milchproteinen, bei welchen eine kovalente Verknüpfung über vergleichbare Isopeptide nachgewiesen werden konnte. Kompakte, globuläre Proteine, wie das untersuchte HEWL stellten unter Normaldruck keine Substrate für die mTGase dar. Auch war eine enzymatische Vernetzung nach erfolgter Hochdruckbehandlung aufgrund der Reversibilität der druckinduzierten Auffaltung nicht möglich. So wurde HEWL nur bei simultaner Behandlung mit mTGase und hohem hydrostatischem Druck zu Homooligomeren vernetzt. Neben einem geeigneten Puffersystem wurden der pH-Wert, die Inkubationszeit, die Temperatur, der hydrostatische Druck, die Enzymaktivität der mTGase und die Proteinkonzentration des Lysozyms verändert. Abhängig von den Reaktionsbedingungen wurden Produkte mit stark variierenden Vernetzungsgraden erhalten, wobei eine maximale Oligomerisierung von zirka 75% aus einer 3%igen HEWL-Probe in Tris-HCl-Puffer bei pH 7,5 mit 160 U mTGase/g Protein über 30 min, 600 MPa und 40°C erreicht wurde. Zudem erfolgte eine Kategorisierung aller resultierenden Proben anhand ihres mittels Gelelektrophorese bestimmten Vernetzungsgrades in drei Untergruppen: LMW (niedrig vernetzt, 0 - 30%), MMW (mittel vernetzt, 30 - 60%) und HMW (hoch vernetzt, 60 - 100%). In den so vernetzten Proben wurden das reaktionsspezifisch gebildete Isopeptid N ε (γ L Glutamyl)-L-Lysin (Glu_Lys) nachgewiesen und die beteiligten reaktiven Aminosäuren identifiziert. Die Bestimmung von Glu_Lys, welches für die kovalenten Verknüpfungen verantwortlich ist, erfolgte nach enzymatischer Hydrolyse am Aminosäureanalysator mit Ninhydrin-Nachsäulen-Derivatisierung. Eine erste Abschätzung des Isopeptid¬gehaltes zeigte zudem, dass es bei der Oligomerisierung sowohl zu inter- als auch intra¬molekularer Vernetzung kam. Der minimal notwendige Gehalt an Cross-Link-Aminosäuren, [CLAA]min lag zum Teil um den Faktor zwei unter dem Gehalt des quantifizierten Glu_Lys. Anschließend konnte nach tryptischem Verdau über die RP-HPLC/ESI-TOF-MS für die gering vernetzten Proben (LMW) genau eine definierte kovalente Verknüpfungsstelle ermittelt werden. Für die MMW- und HMW-Proben wurden fünf bzw. sechs Peptidfragmente detektiert. Bei den LMW-Proben wurde Lys1 mit Gln121 vernetzt. Den höher oligomerisierten Proben konnten die Lysinreste Lys1, Lys13, Lys116 und die Glutaminreste Gln41, Gln57, Gln121 zugeordnet werden. Somit gelang eine erste strukturelle Aufklärung der Vernetzungsprodukte. Der Aufbau der Oligomere läuft demnach zuerst gerichtet und linear ab. Insbesondere bei höheren Temperaturen und Enzymaktivitäten werden jedoch ungeordnete Strukturen gebildet. Die einzelnen Vernetzungsprodukte scheinen aufgrund der Lage der reaktiven Aminosäuren im HEWL-Molekül über mehrere intermolekulare Bindungen eine variierende Struktur auszubilden. Eine Quantifizierung der einzelnen Isopeptide erfolgte nicht, orientierende MS-Untersuchungen lassen aber vermuten, dass auch hier bevorzugte Reaktionsorte existieren. Die vernetzten Proben wurden nachfolgend über Ammoniumsulfatfällung konzentriert und mittels Gelpermeationschromatographie (GPC) fraktioniert. Die Ausbeuten der GPC waren sehr gering. Eine Fraktionierung in einzelne, selektiv verknüpfte Oligomere wurde nicht erreicht. Die enzymatisch oligomerisierten Proben sowie ausgewählte GPC-Fraktionen mit höheren Oligomeren wurden hinsichtlich funktioneller und struktureller Konsequenzen untersucht. Begonnen wurde dabei mit der lytischen Enzymaktivität des HEWL gegen Zellwände des Micrococcus lysodeikticus. Eine abnehmende bzw. verbleibende Lyseaktivität korrelierte mit einer zunehmenden Oberflächen¬hydrophobität der Oligomerengemische. Beide Größen verhielten sich indirekt proportional zueinander. Während der hydrophobe Kern des Moleküls mit steigender Oligomerisierungsrate freigelegt wurde, senkte sich die Lyseaktivität bis auf null ab. Eine räumliche Deformation oder Barriere entstand mutmaßlich im oder in der Nähe des reaktiven Zentrums (Glu35 und Asp52) des Lysozyms, so dass der Enzym-Substrat-Komplex nicht mehr ausgebildet werden konnte. Die Untersuchung der Veränderung sekundärer und tertiärer Strukturbestandteilte erfolgte mithilfe der Zirkular-Dichroismus-Spektroskopie. Gleichwohl für die Tertiärstruktur keine großen Veränderungen aufgezeigt wurden, ist für die Sekundärstruktur mit zunehmendem Vernetzungsgrad eine Abnahme der α-Helices und eine Zunahme von ungeordneten und β Faltblatt-Bereichen detektiert worden. Es konnte daher die unter Hochdruck bekannte Auffaltung des HEWL über die enzymatische Vernetzung derart stabilisiert werden, dass eine vollständige Rückfaltung nicht mehr gegeben war. Das Fibrillierungsverhalten der oligomerisierten Proben im Sauren im Vergleich zum unbehandelten HEWL stellte eine weitere Charakterisierungsmöglichkeit dar. Die Analyse der inkubierten Proben erfolgte mithilfe dreier photometrischer Methoden (Umsetzung mit den Reagenzien 8-Anilino-1-naphtalinsulfonsäure, Kongorot oder Thioflavin T). Die fibrillierten Proben wurden zudem transmissionselektronenmikroskopisch (TEM) untersucht. Mit zunehmender Vernetzung war dabei eine abnehmende Fibrillierungsneigung zu beobachten, welche gut strukturell zu erklären ist, da die zusätzlichen, kovalenten Isopeptidbindungen die Proteinmoleküle gegen eine saure Auffaltung stabilisieren. Eine Auffaltung ist jedoch die Grundvoraussetzung für eine Assoziation und Bildung in-vitro-induzierter, amyloider Strukturen. Ferner wurde das antimikrobielle Verhalten der Präparate gegen grampositive und -negative Mikroorganismen getestet. Unbehandeltes Lysozym zeigt grundsätzlich gegenüber grampositiven Mikroorganismen eine gute antimikrobielle Aktivität. Eingesetzt wurden der Agardiffusions- und der bakterielle Hemmtest (Trübungsassay). Hierbei zeigten alle geprüften Proben keine Wirkung gegenüber gramnegativen Bakterien. Die antimikrobielle Wirkung gegenüber den grampositiven Mikroorganismen variierte stark. Das Phänomen der erhöhten Sensibilität gegenüber ausgewählten Bakterienstämmen im niederkonzentrierten Bereich wurde für Bacillus subtilis (grampositiv) und die mittel- bzw. hochvernetzten Proben im Vergleich zu unbehandelten HEWL (je 0,00625% Probe, w/v) reproduzierbar nachgewiesen. Auf die umfassende Charakterisierung der enzymatisch vernetzten HEWL-Proben folgten orientierende Vergleichsstudien mit dem evolutionsbiologisch verwandten α Lactalbumin (α-LA). Die enzymatische Oligomerisierung konnte für das Molkenprotein dabei im Gegensatz zum HEWL bereits unter Atmosphärendruck erzielt werden. Die Vernetzungsraten betrugen, unabhängig von den untersuchten Rahmenparametern aber abhängig vom Calciumgehalt, zirka 35% (mit Ca) bis 72% (ohne Ca). Das α-LA als Calcium-bindendes Protein wurde somit durch die Abwesenheit des Metallions derart destabilisiert, dass es für die mTGase besser umsetzbar wurde. Die im Vergleich zum Lysozym vermehrt enthaltenen potentiell reaktiven Aminosäuren (doppelt so viel Lys und Gln) trugen ebenfalls zu einer stärkeren Oligomerisierung bei. Abschließend erfolgten Studien zu nicht-enzymatischen, vakuuminduzierten Kondensations-reaktionen. Dabei wurde trockenes HEWL im Vakuum thermisch induziert vernetzt. Die Methode ist in der Literatur als Zero-Length-Cross-Linking (ZLCL) beschrieben. Die Untersuchung der Parameter Vakuum, Temperatur, pH-Wert und Zyklenzahl erfolgte an dem globulären Protein. Dieses konnte unter nicht denaturierenden Bedingungen bis zum Di- und Trimer vernetzt werden. Weitere Milchproteinproben (ein Molkenproteinisolat und β-Casein) wurden nur exemplarisch unter Standardbedingungen untersucht. Hierbei wurde das Molkenproteinisolat deutlich besser als HEWL und das β-Casein bei 85°C über je 24 h und Einsatz von Vakuum am stärksten oligomerisiert. Die gute Umsetzung des β-Caseins ist dabei auf die fehlende Tertiär- und Sekundärstruktur zurückzuführen. Zum Teil entstanden auch Casein-Polymere, welche nicht mehr elektrophoresegängig waren. Die beteiligten Isopeptide wurden analog zu den enzymatisch vernetzten Proben über die Aminosäureanalytik nachgewiesen. Es konnte das Isopeptid N-ε-(β-Aspartyl-)Lysin (Asp_Lys) neben Lysinoalanin (LAL), aber kein Glu_Lys in HEWL nachgewiesen werden. Beide Isopeptide (Asp_Lys und Glu_Lys) sowie LAL sind dagegen im β Casein gebildet worden. Der Einfluss struktureller Gegebenheiten auf die Reaktionsfähigkeit der Proteine konnte folglich eindeutig belegt werden.:Abbildungsverzeichnis V Tabellenverzeichnis VIII Abkürzungsverzeichnis XI 1 Einleitung und Zielstellung 1 2 Theoretische Grundlagen 3 2.1 Lysozym 3 2.1.1 Wirkmechanismen des Lysozyms 4 2.1.2 Anwendungsmöglichkeiten von Lysozym 7 2.1.3 Modifizierung des Lysozyms 8 2.1.3.1 Fibrillen und amyloide Strukturen von HEWL 9 2.1.3.2 Neue biologische Funktionen durch Konformationsänderung 13 2.1.4 Evolutionäre Entwicklung und Verwandtschaft zu α-Lactalbumin 14 2.2 Die enzymatische Vernetzung 15 2.2.1 Mikrobielle Transglutaminase 15 2.2.1.1 TGase katalysierte Reaktionen und Reaktionsmechanismus 17 2.2.1.2 Analytische Aspekte 19 2.2.1.3 Einsatz in der Lebensmittelindustrie 19 2.3 Nicht-enzymatische Vernetzung 21 2.3.1 Thermisch induzierte Vernetzung 21 2.3.2 In-Vacuo Zero-Length Cross-Linking 23 2.3.3 Anwendungsmöglichkeiten nicht-enzymatisch vernetzter Proteine 23 2.4 Wirkung hoher hydrostatischer Drücke auf Proteine 24 2.4.1 Wirkung von Hochdruck auf Hühnereiweiß-Lysozym 26 2.4.2 Wirkung von Hochdruck auf die mikrobielle Transglutaminase 27 3 Experimenteller Teil 29 3.1 Chemikalien, Materialien, Geräte und Software 29 3.1.1 Chemikalien 29 3.1.2 Geräte und Verbrauchsmaterialien 31 3.1.3 Untersuchungsmaterialien 33 3.1.4 Software 33 3.2 Erzeugung modifizierter Proteine 34 3.2.1 Enzymatische Vernetzung von Proteinen 34 3.2.1.1 Erzeugung von Protein-Oligomeren unter Hochdruck 34 3.2.1.2 Reinigung mittels Gelpermeationschromatographie (GPC) 35 3.2.1.3 Konzentrierung durch Ammoniumsulfatfällung 35 3.2.2 Thermisches und Vakuum-induziertes Zero-length Cross-linking 36 3.3 Erzeugung von HEWL-Fibrillen 38 3.4 Isolierung von α-Lactalbumin 38 3.5 Dialyse der Proteinlösungen 39 3.6 Aktivität der Transglutaminase 39 3.7 Analytische Verfahren zur Strukturuntersuchung und Charakterisierung der Proteinproben 41 3.7.1 Restwasserbestimmung mittels Karl-Fischer-Titration 41 3.7.2 Proteinbestimmung mittels Lowry 42 3.7.3 Polyacrylamidgelelektrophorese (SDS-PAGE) 44 3.7.4 Aminosäureanalytik (ASA) 47 3.7.4.1 Saure Hydrolyse 49 3.7.4.2 Enzymatische Hydrolyse 49 3.7.5 Hochdruckflüssigchromatographie mit anschließender Massenspektroskopie (RP-HPLC/ESI-TOF-MS) 51 3.7.5.1 Probenvorbereitung - Tryptischer Verdau 51 3.7.5.2 RP-HPLC/ESI-TOF-MS-Messung 51 3.7.6 Aktivitätsbestimmung für HEWL und HEWL-haltige Proben 52 3.7.6.1 Klassische Methode - Trübungsassay 52 3.7.6.2 Modifizierte Methode der Aktivitätsermittlung mit Blue-ML 53 3.7.7 Methode zur Oberflächenhydrophobitätsermittlung 54 3.7.8 Bestimmung der Sekundär- und Tertiärstruktur mittels Zirkulardichroismus Spektroskopie (CD-Spektroskopie) 56 3.7.9 Charakterisierung der HEWL-Fibrillen 57 3.7.9.1 8-Anilino-1-naphthalinsulfonsäure-Assay (ANS-Assay) 57 3.7.9.2 Kongorot-Assay 58 3.7.9.3 Thioflavin-T-Assay 59 3.7.9.4 Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) 61 3.7.10 Bestimmung der antimikrobiellen Wirksamkeit 62 3.7.10.1 Agardiffusionstest 62 3.7.10.2 Bakterieller Hemmtest 63 4 Ergebnisse und Diskussion 64 4.1 Enzymatische Vernetzung von HEWL mittels mTGase und Einfluss verschiedener Reaktionsparameter 64 4.1.1 Geeignete Puffersysteme und pH-Werte 67 4.1.2 Einfluss variierender Inkubationsdauer und unterschiedlicher Drücke 68 4.1.3 Einfluss der Lysozymkonzentration 70 4.1.4 Einfluss der mTGase-Aktivität 71 4.1.5 Temperatur 73 4.1.6 Optimierte Parameter für den höchstmöglichen Vernetzungsgrad 74 4.2 Analytik der Isopeptide 76 4.2.1 Identifizierung des N-ε-(γ-L-Glutamyl)-L-Lysin-Isopeptids (Glu_Lys) 76 4.2.2 Beurteilung einer intra- und intermolekularen Vernetzung 79 4.2.3 Lokalisierung der reaktiven Lysin- und Glutaminreste mittels HPLC/MS 80 4.2.4 Strukturvorschlag 88 4.3 Isolierung und Konzentrierung enzymatisch vernetzter Lysozym-Oligomere 89 4.3.1 Ammoniumsulfatfällung 89 4.3.2 Ergebnisse der Gelpermeationschromatographie 91 4.4 Funktionelle Charakterisierung der LMW-, MMW- und HMW-Proben des HEWL 96 4.4.1 Vergleichende Untersuchungen der verbleibenden Enzymaktivität 97 4.4.2 Beurteilung der Oberflächenhydrophobität 100 4.4.3 Veränderung der Sekundär- und Tertiärstruktur 104 4.4.4 Fibrillbildung und -eigenschaften von HEWL 109 4.4.4.1 Etablierung der Charakterisierungmethoden für HEWL-Fibrillen 110 4.4.4.2 Fibrillinduktion an HEWL-Präparaten ausgewählter Vernetzungsgrade 118 4.4.5 Antimikrobielle Wirksamkeit gegenüber grampositiven und gramnegativen Mikroorganismen 126 4.5 Vergleichende Untersuchungen an dem strukturanalogen Protein α-Lactalbumin 137 4.6 Orientierende Untersuchungen zur nicht-enzymatischen In-Vakuo-Thermo-Vernetzung von HEWL und ausgesuchten Proteinen 142 4.6.1 Einfluss verschiedener Reaktionsparameter auf die Vernetzung von HEWL 143 4.6.2 Identifizierung der gebildeten Isopeptide 145 4.6.3 Vergleich der nicht-enzymatischen und enzymatischen Vernetzung von HEWL 146 4.6.4 Vergleich der In-Vakuo-Thermo-Vernetzung an HEWL mit β-Casein und erste Untersuchungen an einem Molkenproteinisolat 149 4.7 Fazit der Untersuchungen zur enzymatischen und der nicht-enzymatischen Vernetzung verschiedener Proteine 152 5 Zusammenfassung 154 6 Literaturverzeichnis 157 Veröffentlichungen 172 Danksagung 173 Versicherung 174

The proteasome, a multiprotease complex, is clinically validated as an anticancer target by the FDA approval of bortezomib and carfilzomib for the treatment of multiple myeloma. The emergence of resistance to proteasome inhibitors however remains a major clinical challenge. Recently, distinct types of proteasomes termed ‘intermediate proteasomes’, which contain unconventional mixtures of catalytic subunits, have been implicated with drug resistance of tumor cells. In elucidating the role of intermediate proteasomes in drug resistance, a crucial step is to unequivocally determine the subunit composition of intermediate proteasomes in cells. With this in mind, the goal of the studies reported in this dissertation is to develop novel chemical tools which can facilitate the investigation of intermediate proteasomes via two complementary approaches: a FRET-based approach and a bifunctional cross-linking approach. Chapter 2 describes the structure-based design, synthesis, and characterization of a peptide epoxyketone-based fluorescent probe, named as LKS01-B650, which selectively targets the immunoproteasome subunit β5i/LMP7. In addition to its utility in determining the identity of intermediate proteasomes as FRET-based probe, this imaging agent may also serve as a valuable tool in visualizing the immunoproteasome in living cells. Chapter 3 describes the design and synthesis of various epoxyketone-based bifunctional agents. The ability of these bifunctional agents to cross-link different catalytic subunits within a proteasome complex is shown by mobility shift assays.These bifunctional agents may provide important information in determining the subunit composition of proteasomes. Chapter 4 describes a systematic study of the relationship between the proteasome inhibitor structure and the inhibitory activity against critical subunits of the proteasome. Given the reported role of β5i/LMP7 in autoimmune diseases, this study may provide useful insights in developing therapeutic agents for autoimmune diseases as well as other diseases. Chapter 5 describes a separate study which is not related to proteasome biology. A concise approach to synthesize 1-azaspirocyclic ring systems is developed by utilizing a novel semi-pinacol/Beckmann rearrangement. Additionally, an environmentally benign, microwave-assisted, and solvent-free self-condensation of carbonyl compounds is reported.

in English β-N-Acetylhexosaminidase (EC 3.2.1.52) is exoglycosidase, which exhibits the unique properties in the filamentous fungi. Enzyme from these organisms are dimeric, inducible and secreted extracelluary. It is expresed as preproprotein, consists of a signal sequence, a large propeptid and a catalytic subunit. Although the enzyme is widely distributed, its structure differs in varies organisms. Bacteria have only monomeric hexosaminidase. Human enzymes are dimeric as well as fungal, but only hexosaminidase from filamentous fungi have the catalytic subunit noncovalently associated with the propeptide. Propeptide is a essential for the enzyme activity. It exists a homologues model of the catalytic subunit of β-N-acetylhexosaminidase from Penicillium oxalicum, but the structure of the propeptide has not yet been solved. The first part of this diploma thesis deals with the optimization of production and purification conditions. The second part deals with structural studies of β-N-acetylhexosaminidases from the filamentous fungi Penicillium oxalicum CCF 3438. These studies were carried out using chemical cross-linking and high resolution mass spectrometry. The combination of these methods revealed region of the noncovalent interaction of the catalytic subunit with the propeptide.

Viruses are obligate intracellular pathogens. Therefore, their successful replication, at every stage from attachment to assembly and egress, is dependent on host cell functions. The host cell in turn engages mechanisms to counteract virus replication. As a result, viruses have evolved mechanisms to evade these counteracting measures as well as ways to reshape the cellular environment into one that’s favourable for successful replication. Systematic studies offer a platform for unravelling virus-cell interactions and in particular can address three important aspects 1) increase our understanding of basic biology of the virus, 2) identify and characterise novel cellular functions 3) provide important leads for novel targets for antiviral therapy. In this study, I investigated two aspects of virus host interaction; the role of microRNAs (miRNAs) in virus infection and the role of interferon inducible genes in virus infection. Human cytomegalovirus (HCMV) is a β herpes virus that infects humans. HCMV maintains a persistent lifelong infection in the host involving a cycle of latency and reactivation. Infection of healthy individuals with HCMV results in relatively minor symptoms. In contrast, infection of individuals with a compromised immune system, as in the case of organ transplant recipients and AIDS patients, can cause significant morbidity and mortality. In common with other herpes viruses, HCMV expresses multiple small regulatory RNAs called miRNAs. HCMV encodes at least 14 miRNAs. Identifying the targets of these miRNAs will help us understand their functional importance during infection. Recently, a biochemical technique called Cross-Linking, Ligation and Sequencing of Hybrids (CLASH), was developed by Tollervey and colleagues, representing the most advanced systematic technique for the identification of miRNA targets. We adapted this approach to identify high confidence miRNA targets during HCMV infection. However, the protocol was sub-optimal and presented us with technical challenges. Although high quality data sets were not generated, the work was crucial for the establishment of the system which is now generating promising data. Virus-cell interactions can also be elucidated by probing for host factors that are important for virus replication. Type I interferon is a highly effective inhibitor of HCMV replication. Treatment of cells with interferon results in up regulation of multiple effectors known as interferon stimulated genes (ISGs). How these genes block HCMV replication is poorly understood. A library of more than 380 ISG expressing lentiviruses was screened to determine the effects of individual ISGs on HCMV replication. The screen was performed in primary human fibroblast cells and a glioblastoma cell line called U373s. Multiple inhibitory ISGs were identified including well characterised ISGs such as cGAS, STAT2, NOD2, DDX60 and HPSE as well as novel candidates TXNIP, ELF1, FAM46C, MT1H and CHMP5. Five ISGs were identified as HCMV replication enhancers including previously published ISGs BST2 and IFITM1 and novel enhancers ODC1, BCL3 and IL28RA. siRNA screens against top hits demonstrated that STAT2, CPT1A and cGAS are dominant inhibitory factors during HCMV infection and knockdown of these genes can partially rescue HCMV replication following interferon treatment. Finally, using a corresponding rhesus ISG library we show that rhesus SAMHD1 effectively inhibits HCMV replication while human SAMHD1 has no effect, suggesting that HCMV expresses a species-specific inhibitor of SAMHD1. This study defines interferon stimulated pathways important for HCMV replication and identifies multiple novel host factors that both restrict and enhance HCMV replication. These studies demonstrate the effectiveness of using systematic approaches for the identification of novel host virus interactions.

In the last decades, intensive research has been carried out in order to replace oil-based polymers with bio-based polymers due to growing environmental concerns. So far, most of the barrier materials used in food packaging are petroleum-based materials. The purpose of the barrier is to protect the packaged food from oxygen, water vapour, water and fat. The mechanical and barrier properties of coatings based on starch-plasticizer and starch-poly(vinyl alcohol) (PVOH)-plasticizer blends have been studied in the work described in this thesis. The plasticizers used were glycerol, polyethylene glycol and citric acid. In a second step, polyethylene coatings were extruded onto paperboard pre-coated with a starch-PVOH-plasticizer blend. The addition of PVOH to the starch increased the flexibility of the film. Curing of the film led to a decrease in flexibility and an increase in tensile strength. The flexibility of the starch-PVOH films was increased more when glycerol or polyethylene glycol was added than citric acid. The storage modulus of the starch-PVOH films containing citric acid increased substantially at high temperature. It was seen that the addition of polyethylene glycol or citric acid to the starch-PVOH blend resulted in an enrichment of PVOH at the surface of the films. Tensile tests on the films indicated that citric acid acted as a compatibilizer and increased the compatibility of the starch and PVOH in the blend. The addition of citric acid to the coating recipe substantially decreased the water vapour transmission rate through the starch-PVOH coated paperboard, which indicated that citric acid acts as a cross-linker for starch and/or PVOH. The starch-PVOH coatings containing citric acid showed oxygen-barrier properties similar to those of pure PVOH or of a starch-PVOH blend without plasticizer when four coating layers were applied on a paperboard. The oxygen-barrier properties of coatings based on a starch-PVOH blend containing citric acid indicated a cross-linking and increase in compatibility of the starch-PVOH blends. Polyethylene extrusion coating on a pre-coated paperboard resulted in a clear reduction in the oxygen transmission rate for all the pre-coating formulations containing plasticizers. The addition of a plasticizer to the pre-coating reduced the adhesion of polyethylene to pre-coated board. Polyethylene extrusion coating gave a board with a lower oxygen transmission rate when the paperboard was pre-coated with a polyethylene-glycol-containing formulation than with a citric-acid-containing formulation. The addition of polyethylene glycol to pre-coatings indicated an increase in wetting of the pre-coated paperboard by the polyethylene melt, and this may have sealed the small defects in the pre-coating leading to low oxygen transmission rate. The increase in brittleness of starch-PVOH films containing citric acid at a high temperature seemed to have a dominating effect on the barrier properties developed by the extrusion coating process. / Over the last few decades, industry and academia have made joint efforts to generate knowledge about renewable barrier materials in order to replace the oil-based barrier materials currently used in food packaging. This work has focused on the possibility of producing a material with high oxygen barrier properties including polyethylene as a moisture protection. The flexibility of starch films was increased by adding poly(vinyl alcohol) (PVOH) to the starch and the addition of a plasticizer to the starch-PVOH blend films further increase the flexibility of the films. The plasticizers used were glycerol, polyethylene glycol and citric acid. Curing of the films reduce their flexibility. The addition of citric acid to a starch-PVOH blend increased the compatibility of the starch-PVOH blend and affected the barrier properties of the coating layers containing citric acid. When a sufficient number of coating layers was applied, the starch-PVOH-citric-acid coatings showed oxygen-transmission-rate-values similar to those of the pure PVOH and of the starch-PVOH blend without plasticizers. Polyethylene extrusion coating on pre-coated paperboard resulted in a clear reduction in the oxygen transmission rate of all the pre-coating recipes based on starch-PVOH blends. The polyethylene extrusion coating showed a higher oxygen transmission rate for a board pre-coated with citric-acid-containing recipes than for a board pre-coated with polyethylene-glycol-containing recipes.

ATP binding cassette (ABC) transporters constitute one of the largest families of transport proteins. The occurrence of multidrug resistance (MDR) in human cancer cells has been correlated with the over expression of human ABC, P-glycoprotein (Pgp). Streptomyces peucetius produces two anticancer agents, doxorubicin and daunorubicin, that belong to the anthracycline family of antibiotics. The organism is self-resistant to the potent effects of the antibiotics it produces due to the action of an efflux pump, DrrAB. Both Pgp and DrrAB carry out similar functions, but in two different cell types. An understanding of the bacterial drug transporter DrrAB is thus expected to help in obtaining a better understanding of the function and evolution of the multidrug transporter P-glycoprotein. In DrrAB, the catalytic and membrane domains are present on separate subunits, DrrA and DrrB respectively. How the catalytic ATP-binding domains and the membrane domains in transporters interact with each other, or how energy is transduced between them, is not well understood. We introduced several single cysteine substitutions in DrrB and then by using a cysteine to amine hetero-bifunctional cross-linker showed that DrrA interacts predominantly with the N-terminal cytoplasmic tail of DrrB. Within this region of DrrB, we also identified a sequence with similarities to the EAA motif found in importers of the ABC family of proteins, thus leading to the proposal that the EAA or the EAA-like motif may be involved in forming a generalized interface between the ABC and the TMD of both uptake and export systems. By using a combination of approaches, including point mutations and disulfide cross-linking analysis, we show here that the Q-loop region of DrrA plays an important role in dimerization of DrrA as well as in interactions with DrrB. Furthermore, we also show that the interaction of the Q-loop with the N-terminus of DrrB is involved in transmitting conformational changes between DrrA and DrrB. The scope of the present study further extends into identifying the factors involved in the biogenesis of the DrrAB pump. We have identified two accessory proteins namely, FtsH and GroEL that may be involved in proper folding and assembly of the transporter.

The thermal conductivities of foamed polymer based materials are much lower thermal conductivity values than unfoamed polymeric materials. Especially, thermal conductivity values of foamed polymers with closed-cell structure decreases to 0.03 W/m.K. The reinforcement of foamed polymeric materials by mixing with bitumen lowers the raw material cost. The main objective of this study is to make a new thermal insulation material with low thermal conductance. In this study, the effects of concentration of calcium carbonate as inorganic filler and the effects of cross-linking on the properties foamed and unfoamed ethylene-vinyl acetate (EVA) copolymer based bituminous blends and composites were investigated. Applications such as thermal, mechanical characteristics of foamed and unfoamed EVA based bituminous composites were investigated. Foamed EVA based bituminous composites were prepared by using Brabender Plastic Coder, PLV 151. Mixing was made at 120 &ordm / C at 60 rpm for 15 minutes. The prepared blends were molded by a technique called Hand Lay-up Self-expanding Batch Molding (HLUSEBM) which was firstly applied by our group. The molding temperature was 170 &ordm / C at which chemical blowing agent and cross-linking agent decomposes. According to test results, at moderate chemical blowing agent and EVA content, the best closed-cell structure with high porosity and low thermal conductivity values were obtained. The compressive properties of foamed polymer based bituminous composites (FPBBCs) increase with increasing CBA and EVA content. With increasing calcium carbonate and EVA concentration, the porosity of FPBBCs increases but thermal conductivity of them decreases. On the other hand, with increasing filler content but with decreasing EVA concentration elastic modulus of FPBBCs increases but elastic recovery decreases.

Aortic Valve Analysis and Area Prediction using Bayesian Modeling Miheer S. Ghotikar ABSTRACT Aortic valve stenosis affects approximately 5 out of every 10,000 people in the United States. [3] This disorder causes decrease in the aortic valve opening area increasing resistance to blood flow. Detection of early stages of valve malfunction is an important area of research to enable new treatments and develop strategies in order to delay degenerative progression. Analysis of relationship between valve properties and hemodynamic factors is critical to develop and validate these strategies. Porcine aortic valves are anatomically analogous to human aortic valves. Fixation agents modify the valves in such a manner to mimic increased leaflet stiffness due to early degeneration. In this study, porcine valves treated with glutaraldehyde, a cross-linking agent and ethanol, a dehydrating agent were used to alter leaflet material properties. The hydraulic performance of ethanol and glutaraldehyde treated valves was compared to fresh valves using a programmable pulse duplicator that could simulate physiological conditions. Hydraulic conditions in the pulse duplicator were modified by varying mean flow rate and mean arterial pressure. Pressure drops across the aortic valve, flow rate and back pressure (mean arterial pressure) values were recorded at successive instants of time. Corresponding values of pressure gradient were measured, while aortic valve opening area was obtained from photographic data. Effects of glutaradehyde cross-linking and ethanol dehydration on the aortic valve area for different hydraulic conditions that emulated hemodynamic physiological conditions were analyzed and it was observed that glutaradehyde and ethanol fixation causes changes in aortic valve opening and closing patterns. Next, relations between material properties, experimental conditions, and hydraulic measures of valve performance were studied using a Bayesian model approach. The primary hypothesis tested in this study was that a Bayesian network could be used to predict dynamic changes in the aortic valve area given the hemodynamic conditions. A Bayesian network encodes probabilistic relationships among variables of interest, also representing causal relationships between temporal antecedents and outcomes. A Learning Bayesian Network was constructed; direct acyclic graphs were drawn in GeNIe 2.0ʾ using an information theory dependency algorithm. Mutual Information was calculated between every set of parameters. Conditional probability tables and cut-sets were obtained from the data with the use of Matlabʾ. A Bayesian model was built for predicting dynamic values of opening and closing area for fresh, ethanol fixed and glutaradehyde fixed aortic valves for a set of hemodynamic conditions. Separate models were made for opening and closing cycles. The models predicted aortic valve area for fresh, ethanol fixed and glutaraldehyde fixed valves. As per the results obtained from the model, it can be concluded that the Bayesian network works successfully with the performance of porcine valves in a pulse duplicator. Further work would include building the Bayesian network with additional parameters and patient data for predicting aortic valve area of patients with progressive stenosis. The important feature would be to predict valve degenration based on valve opening or closing pattern.