Zugl.: Siegen, Univ., Diss., 2008

Techn. Universiẗat, Diss., 1999--Darmstadt.

Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2002.

Techn. Universiẗat, Diss., 1999--Berlin.

Universiẗat, Diss., 2004--Münster (Westfalen).

Histone post-translational modifications (PTMs), as the histone code assumes, are related with regulation of gene transcription, an important mechanism of cells in the differentiation process. Many PTMs are simultaneously present in histone proteins, and changes in the PTM stoichiometric ratios can have several effects, like changes in the chromatin structure leading to a transcriptionally active or repressive state. Significant progresses were made to map variations of histone PTMs by mass spectrometry (MS), and although many protocols were developed there are still some drawbacks. Incomplete and side reactions were identified, which can directly affect the quantification of histone PTMs, because both (incomplete and side reactions) can be misinterpreted as endogenous histone post translational modifications. Therefore, a protocol for derivatization of histones with no noticeable undesired reactions (<10%) was required. In this thesis a new chemical modification methodology is presented, which allows the improvement of sequence coverage by acylation with propionic anhydride of lysine residues and N-terminal (free ε- and α- amino groups) and trypsin digestion. more than 95% of complete reaction was achieved with the new derivatization methodology. This strategy (chemical derivatization of histones), in combination with bottom-up MS approach, allows the quantification of lysine methylation (Kme) and acetylation (Kac) in histones from Saccharomyces cerevisiae (S.cerevisiae), mouse embryonic stem cells (mESCs) and human cell lines. The results showed histone H3 PTM pattern as the most variable profile regarding histone Kme and Kac across the three different organisms and experimental conditions. Therefore, it was concluded that quantification of H3 PTM pattern can be used to examine changes in chromatin states when cells are subjected to any kind of perturbation.

In der vorliegenden Arbeit wurden Einsatzmöglichkeiten der Headspace-Festpahsenmikroextraktion (HS-SPME) in Kombination mit der GC-MS für forensische und toxikologische Fragestellungen, insbesondere in der Haaranalytik, untersucht. Für basenstabile Drogen- und Medikamentenwirkstoffe wurden Nachweismethoden nach alkalischer Hydrolyse der Haare mit Natriumhydroxid und anschließender HS-SPME entwickelt. Für das Lokalanaesthetikum Lidocain und für das Heroinsubstitutionsmittel Methadon wurden optimierte Verfahren auf Haarproben von Drogentodesfällen angewandt. Um die Einsatzmöglichkeiten der HS-SPME gerade für Wirkstoffmetaboliten zu erweitern, wurden drei Derivatisierungsmöglichkeiten überprüft: (i) Umsetzung von primären und sekundären Aminen im alkalischen Haarhydrolysat mit Alkylchloroformiaten zu Carbamaten ("in sample" Derivatisierung), (ii) "On Fiber" Derivatisierung primärer und sekundärer Amine nach erfolgter HS-SPME mit N-Methyl-bis-trifluoracetamid (MBTFA) sowie (iii) Reaktion von Monofluoressigsäure mit 1-Pyrenyldiazomethan (PDAM) an einer vorher mit dem Derivatisierungsreagenz benetzten SPME-Faser. Fettsäureethylester konnten nach einer Flüssigextraktion der Haare von Alkoholikern mit einem DMSO/n-Hexan-Gemisch extrahiert und nach optimierter HS-SPME nachgewiesen werden. Im Vergleich zu Haarproben von Abstinenzlern und Gelegenheitstrinkern ergaben sich deutliche Unterschiede in den Konzentrationen. Für die schnelle Bestimmung von Valproinsäure und Trichlorethanol wurde eine Quantifizierungsmethode aus Blut- und Urinproben erarbeitet. Die Anwendung der HS-SPME ermöglichte eine schnelle, einfache und lösungsmittelfreie Extraktion bei geringem Probenverbrauch. Sie führte zu sauberen Extrakten und für dieses Verfahren hohen absoluten Extraktionsausbeuten. Bessere Reproduzierbarkeiten, ein hoher Probendurchsatz und eine verlängerte Einsetzbarkeit der SPME-Faser wurden durch die Verwendung eines automatischen Probengebers erreicht. / In the presented thesis possible fields of applications of the headspace solid-phase microextraction (HS-SPME) in combination with gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) for forensic and toxicological problems were investigated with special focus on hair analysis. Detection methods after alkaline hydrolysis of hair with sodium hydroxid and following HS-SPME were developed for basic stable drugs. For the local anaesthetic lidocaine and for the heroine substitute methadone optimized methods were applied to hair of drug fatalities. In order to enhance the fields of application of the HS-SPME especially for drug metabolites three derivatization procedures were tested: (i) conversion of primary and secondary amines in the alkaline hair extract with alkylchloroformates to carbamates ("in sample" derivatization), (ii) "on fibre" derivatization of primary and secondary amines after HS-SPME with N-methyl-bis-trifluoroacetamide (MBTFA) and (iii) reaction of monofluoroacetic acid (compound 1080) with 1-pyrenyldiazomethane (PDAM) on a SPME-fibre previously occupied with the derivatization reagent. Fatty acid ethyl ester (FAEE) could detected after liquid extraction from hair of alcoholics with a mixture of DMSO/n-hexane and optimized HS-SPME. In comparison to hair samples of teetotalers and social drinkers significant differences in the concentrations of the FAEE were found. A quantification method were developed for the fast determination of valproic acid and trichloroethanol from blood and urine. The application of HS-SPME allows a fast, simple and solvent free extraction from a small sample amount. HS-SPME lead to clean extracts and high absolute extraction yields for this kind of extraction. Better reproducibilities, a high sample throughput and extended lifetime of the SPME-fibre were obtained using an automatic sampler.

From its first use in the field of biochemistry, instrumental analysis offered a variety of invaluable tools for the comprehensive description of biological systems. Multi-selective methods that aim to cover as many endogenous compounds as possible in biological samples use different analytical platforms and include methods like gene expression profile and metabolite profile analysis. The enormous amount of data generated in application of profiling methods needs to be evaluated in a manner appropriate to the question under investigation. The new field of system biology rises to the challenge to develop strategies for collecting, processing, interpreting, and archiving this vast amount of data; to make those data available in form of databases, tools, models, and networks to the scientific community.<br><br> On the background of this development a multi-selective method for the determination of phytohormones was developed and optimised, complementing the profile analyses which are already in use (Chapter I). The general feasibility of a simultaneous analysis of plant metabolites and phytohormones in one sample set-up was tested by studies on the analytical robustness of the metabolite profiling protocol. The recovery of plant metabolites proved to be satisfactory robust against variations in the extraction protocol by using common extraction procedures for phytohormones; a joint extraction of metabolites and hormones from plant tissue seems practicable (Chapter II).<br><br> Quantification of compounds within the context of profiling methods requires particular scrutiny (Chapter II). In Chapter III, the potential of stable-isotope in vivo labelling as normalisation strategy for profiling data acquired with mass spectrometry is discussed. First promising results were obtained for a reproducible quantification by stable-isotope in vivo labelling, which was applied in metabolomic studies.<br><br> In-parallel application of metabolite and phytohormone analysis to seedlings of the model plant Arabidopsis thaliana exposed to sulfate limitation was used to investigate the relationship between the endogenous concentration of signal elements and the ‘metabolic phenotype’ of a plant. An automated evaluation strategy was developed to process data of compounds with diverse physiological nature, such as signal elements, genes and metabolites – all which act in vivo in a conditional, time-resolved manner (Chapter IV). Final data analysis focussed on conditionality of signal-metabolome interactions. / Die instrumentelle Analytik stellt mit ihrem unschätzbaren Methodenreichtum Analysenwerkzeuge zur Verfügung, die seit ihrem Einzug in die Biologie die Aufzeichnung immer komplexerer ‚Momentaufnahmen’ von biologischen Systemen ermöglichen. Konkret hervorzuheben sind dabei vor allem die sogenannten ‚Profilmethoden’. Die Anwendung von Profilmethoden zielt darauf ab, aus einer bestimmten Stoffklasse so viele zugehörige Komponenten wie nur möglich gleichzeitig zu erfassen. <br><br> Für die Auswertung derart komplexer Daten müssen nun auch entsprechende Auswertungsmethoden bereit gestellt werden. Das neu entstandene Fachgebiet der Systembiologie erarbeitet deshalb Strategien zum Sammeln, Auswerten und Archivieren komplexer Daten, um dieses gesammelte Wissen in Form von Datenbanken, Modellen und Netzwerken der allgemeinen Nutzung zugänglich zu machen.<br><br> Vor diesem Hintergrund wurde den vorhandenen Profilanalysen eine Methode zur Erfassung von Pflanzenhormonen hinzugefügt. Verschiedene Experimente bestätigten die Möglichkeit zur Kopplung von Pflanzenhormon- und Pflanzeninhaltsstoff(=metabolit)-Profilanalyse. In weiteren Untersuchungen wurde das Potential einer innovativen Standardisierungstechnologie für die mengenmässige Erfassung von Pflanzeninhaltsstoffen in biologischen Proben betrachtet (in vivo labelling mit stabilen Isotopen).<br><br> Hormon- und Metabolitprofilanalyse wurden dann parallel angewandt, um Wechselwirkungen zwischen der Konzentration von Signalkomponenten und der Ausprägung des Stoffwechsels in Keimlingen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana zu untersuchen. Es wurde eine Prozessierungsmethode entwickelt, die es auf einfache Art und Weise erlaubt, Daten oder Komponenten verschiedenen Ursprungs wie Signalelemente, Gene und Metabolite, die in biologischen Systemen zeitlich versetzt aktiv oder verändert erscheinen, im Zusammenhang zu betrachten. Die abschließende Analyse aller Daten richtet sich auf die Abschätzung der Bedingtheit von Signal-Metabolismus Interaktionen.

Vor dem Hintergrund des weltweit wachsenden Bedarfes an Bodenverbesserungsmitteln, durch die Humus-, Nährstoff- und Wassermangel auf Problemstandorten kompensiert werden sollen, war es das Ziel der vorliegenden Arbeit, Bodenwasser-speicher auf Basis der nachwachsenden Biopolymere Stärke und Lignin zu entwickeln. Durch Derivatisierung der Stärke wurde deren Hydrophilie deutlich gesteigert, was Voraussetzung für die Bildung von Hydrogelen war. Es konnte gezeigt werden, dass durch Vernetzung der wasserlöslichen Stärkederivate Carboxymethylstärke und Monostärkemonophosphat mit Di-/Tricarbonsäuren quellfähige Hydrogele erzeugt werden, deren Quellungsvermögen und rheologische Eigenschaften über die Wahl des Vernetzers und die Vernetzerstoffmenge gezielt eingestellt werden können. Die Modifizierung von Lignin wurde durch Oxidation mit Wasserstoffperoxid, z.T. in Kombination mit Fe(II)- bzw. Mn(II)-Chloriden realisiert. Dadurch wurde die Vernetzbarkeit von Lignin deutlich verbessert, was auf oxidativ bedingte Strukturänderungen des Lignins zurückzuführen war. Diese bestanden im Wesentlichen in der Spaltung und Oxidation der Lignin-Seitenkette sowie der Hydroxylierung der Seitenkette und aromatischer Strukturen. Die Vernetzung von Lignin mit Poly-(ethylenglycol)-diglycidylether ergab quellfähige Hydrogele, deren Wasseraufnahmevermögen und rheologische Materialfunktionen von der eingesetzten Vernetzerstoffmenge abhängig sind. Es konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz von Stärkephosphat- und Lignin-Hydrogelen das Wasserspeichervermögen erhöht und die Evaporationsraten eines entsprechend behandelten Sandbodens verringert werden. Im Wachstumsversuch wurden die Frischmasseerträge von Gelbsenf (Sinapis alba) durch Behandlung eines Sandbodens mit Hydrogelen gesteigert. / Soil degradation leading to a lack of humus, nutrients and water especially on exploited sites causes the worldwide need in soil amendments. Aim of the work was the development of hydrogels from renewable biopolymers starch and lignin improving water retention especially in degraded soils. A significant increase of hydrophilic properties of starch was obtained by chemical modification with the objective of forming starch based hydrogels. Swellable hydrogels were formed by cross-linking of water soluble starch derivatives like carboxymethyl starch and monostarch monophosphates with di- and tricarboxylic acids. Swelling capacity and rheological properties of the starch gels were selective adjusted by variation of cross linking agent and whose amounts. Modification of lignin was realized by oxidation with hydrogen peroxide partly in combination with ferrous and manganese chlorides, respectively. In consequence of oxidative structural changes which were cleavage and oxidation of side chain as well as aliphatic and aromatic hydroxylation, gelation of lignin was improved significant. Lignin hydrogels with different swelling capacities and rheological functions were formed by cross-linking lignin with different amounts of poly (ethylene glycol) diglycidyl ether. Application of hydrogels based on starch and lignin causes increased water storing capacity/field capacity and decreased evaporation of a sandy soil as well as an increased biomass yield of yellow mustard (Sinapis alba).

Characterization of cellulose by its molecular weight distribution is afforded after polymeranalogeous dissolution. Additionally, a molecular dispersion of the polymer is a prerequisite. Common processes are dissolution of cellulose in dimethylacetamide-lithiumchloride, nitration and carbanilation. Degradation of the polysaccharide chains can occur in each of the mentioned processes. It is shown that degradation in pyridine occurs via beta-elimination at carbonyl groups along the cellulose chains. Carbanilierung in DMSO is much more pronounced. It comprises oxidation along the Pfitzner-Moffatt-mechanism and subsequent beta-elimination at the thus formed carbonyl-groups. This was elucidated with model systems and by investigation of the carbanilation in different media. Carbonyl groups of cellulose are masked through reaction with phenylisocyanate. This was shown with model. Therefore, the determination of carbonyl groups in cellulose-tricarbanilates is not possible. The separation of low-molecular weight byproducts was optimised. The influence of pretreatment and preactivation of cellulose-samples on the completeness of the conversion was studied. A standard protocol for the carbanilation of cellulose is provided. / Cellulose wird u.a. durch ihre Molmassenverteilung charakterisiert, deren Ermittlung ein polymeranaloges Verfahren zur molekulardispersen Auflösung des Polymers erfordert. Hierfür sind die Direktlösung, die Nitrierung und die Carbanilierung in Gebrauch. Bei allen Prozessen kann es zum Abbau der Polysaccharidketten kommen, wobei diesen Prozessen wenig Beachtung geschenkt wurde. In der Arbeit wird gezeigt, daß der Abbau bei der Carbanilierung in Pyridin durch Beta-Eliminierung an vorhandenen Carbonylgruppen erfolgt. Die Carbanilierung in DMSO fällt stets stärker aus als bei Einsatz von Pyridin und umfasst die Prozesse Oxidation nach dem Pfitzner-Moffatt-Mechanismus und anschließende Beta-Eliminierung an den neu gebildeten Carbonylgruppen. Dies wird durch Untersuchungen an Modellsystemen und am Polymer herausgearbeitet. Carbonylgruppen an Cellulose werden durch die Umsetzung mit Phenylisocyanat maskiert, was an Modellverbindungen gezeigt wurde (Bildung von Endioldicarbanilaten und carbanilierten Halbacetalen). Ihre Bestimmung in Cellulosecarbanilaten ist daher nicht möglich. Die Abtrennung von niedermolekularen Nebenprodukten der Umsetzung wurde optimiert. Der Einfluss der Vorbehandlung und Voraktivierung von Celluloseproben auf die Vollständigkeit der Umsetzung wurde eingehend untersucht. Es wird ein Standardverfahren zur Carbanilierung von Cellulose angegeben.