Made available in DSpace on 2014-08-20T13:44:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_caroline_borges_bevilacqua.pdf: 1981019 bytes, checksum: 797e667e01edbc569a7b08d3268c701b (MD5) Previous issue date: 2013-10-30 / Cold stress adversely modifies their physiology, metabolism plant growth and development, as well as, it limits crop productivity. The responses of rice (Oryza sativa L.) subjected to low temperatures are still poorly understood. A better understanding of stress tolerance mechanism in rice plants will help to develop rice germplasm with improved field level tolerance under variable temperature and sowing depth conditions. To characterize rice genotypes with variation in sensitivity to cold, these are the following objectives: to evaluate the applicability of different Stress Indices using seedling lengthas parameter; classify accessions cultivated rice and red rice as Indica or Japonica; compare response to rice cultivars cold-tolerant and cold-sensitive to cold stress according to the dry matter accumulation and possible changes in chlorophyll content; categorize different genotypes with regard to sensitivity to cold and to sowing depth stresses and, analyze the expression of cold-responsive genes, and also genes submergence-responsive. The seeds after seven days at 25°C were exposed at 4°C for 24h and after that, photosynthesis was measured later, the plants were 72h at 25°C (recovery period) to assess the dry mass and chlorophyll. For the other experiments, the seedlings were collected 7 and/or 14 days maintained at 25°C or 18/13°C day/night and different sowing depths (1.5cm, 5cm, 10cm and 15cm), differential gene expression were performed with those seedlings using different genes induced by cold. To evaluated gene expression using different genes induced by cold and anoxia, samples were collected after exposure to 10 ° C for 6, 24 and 96 h at 1.5 cm and 10 cm deep sowing. The results showed that is possible to identify superior genotypes for tolerance to these abiotic stresses based on the Tolerance Index (STI) and Media Geometric (GM) to select genotypes tolerant to cold or sowing depth, using as a parameter the seedling shoot length measurement. Japonica and Indica subspecies respond differently to abiotic stresses, however for some of these stress-responsive genes, these subspecies responded similarly. Furthermore, the analysis at the molecular level of cold tolerance and sowing depth indicated the importance of ABA- dependent and ABA-independent signal transduction pathways in plants under abiotic stress. / O estresse causado pelo frio interfere negativamente na fisiologia, metabolismo, crescimento e desenvolvimento das plantas e, portanto, limita a produtividade em lavouras de arroz. As respostas em nível de crescimento em arroz (Oryza sativa L.) submetido a baixas temperaturas ainda são pouco compreendidas. Um melhor entendimento do mecanismo de tolerância ao estresse em plantas de arroz pode ajudar na identificação, no germoplasma de arroz, de plantas com tolerância submetidas à temperatura variável, além de ser útil para outros estresses abióticos, como diferentes profundidades de semeadura. Para caracterizar genótipos de arroz, com variação na sensibilidade ao frio, tiveram-se como objetivos:avaliar a aplicabilidade de diferentes índices de estresse utilizando-se como parâmetro o comprimento de plântula; classificar acessos de arroz cultivado e vermelho como Japonica ou Indica; comparar a resposta ao frio de cultivares de arroz tolerante e sensível a esse estresse, com relação ao acúmulo de massa seca e possíveis alterações no teor de clorofila;categorizá-los com relação à sensibilidade ao frio e à profundidade de semeadura; e analisar a expressão de genes que respondem a frio, assim como genes responsivos a submersão, sob condições de frio e/ou tratamento constituídos por diferentes profundidades de semeadura. Para avaliar o acúmulo de massa seca e o teor de clorofila, as sementes, após sete dias a 25°C, foram expostas a 4°C durante 24 h e logo após, foi medida a fotossíntese e,posteriormente, as plantas ficaram 72 h a 25°C para sua recuperação. Já para os demais experimentos,as plântulas foram coletadas 7 e/ou 14 dias mantidas a 25°C ou 18/13°C dia/noite e diferentes profundidades de semeadura (1.5cm, 5cm, 10cm e 15cm); as avaliações da expressão gênica diferencial foram realizadas com essas amostras coletadas, para 4 diferentes genes induzidos pelo frio e também em amostras coletadas após exposição a 10°C durante 6, 24 e 96 h a 1.5 cm e 10 cm de profundidade de semeadura.Os resultados indicaram que é possível a identificação de genótipos superiores para a tolerância a esses estresses abióticos com base em seus índices de estresse, utilizando como parâmetro o comprimento da parte aérea, devido a habilidade das plantas tolerar estresses abióticos afetar a morfologia assim como a fisiologia da planta de arroz. Assim como é possível a utilização do Índice de Tolerância (STI) e da Média Geométrica (GM) para selecionar genótipos tolerantes ao frio ou profundidade de semeadura, baseado no comprimento de parte aérea de plântula. As subespécies Japonica e Indica respondem diferentemente aos estresses abióticos, no entanto, para alguns genes responsivos a esses estresses, essas subespécies apresentam o mesmo respondem semelhantemente. Além disso, as análises a nível molecular da tolerância ao frio e a profundidade de semeadura indicaram a importância das vias ABA-dependente e ABA-independente como vias de transdução do sinal em plantas sob estresse abiótico.

This report aims to study the degradation of poly(trimethylene carbonate) (PTMC) caused by the enzyme carboxylesterase in vitro. As well as to characterise polymer blends of f-BTI2g-TVTCN and poly(3-hydroxybutyric acid) as core components for organic electrochemical transistors (OETCs). This is to assess the suitability of these polymers in biodegradable biosensors. The degradation study of PTMC showed a lack of degradation in contrast to previous studies performed on the material; previous studies recorded a mass loss of between (5-8)% after two months. The cause for this discrepancy is still unknown but the evidence points to both systematic faults in the gravimetric analysis as well as random errors found in the equipment. The OECT showed that increasing the PHB fraction in the polymer blend resulted in a higher output. The most stable device consisted of a 1:6 blend of f-BTI2g-TVTCN to PHB. Fewer tests were conducted on the 1:10 blend because two devices were damaged during the experiment. The statistical impact of the smaller sample size cannot be overstated so further testing should be conducted to verify the results.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第25398号 / エネ博第477号 / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー基礎科学専攻 / (主査)教授 片平 正人, 准教授 中田 栄司, 教授 菅瀬 謙治 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DFAM

L’induction de la synthèse d’une acide férulique estérase (AFE) a été étudiée chez Streptomyces ambofaciens ATCC 23877. L’activité la plus élevée a été détectée en présence de son de blé désamidonné ou de xylane d’avoine (0,22, 0,21 mU/mg protéine, respectivement). Des productions d’AFE en bioréacteur ont également été réalisées en utilisant 1% (p/v) de son de blé comme inducteur. Le niveau de production de l’AFE a été trois fois plus important en bioréacteur qu’en fiole d’Erlenmeyer. L’AFE de Streptomyces ambofaciens ATCC 23877 et celle de Humicola sp., présente dans un mélange enzymatique commercial (DepolTM 740L), ont été partiellement purifiées et caractérisées. A l’issue de la purification, l’activité AFE de Streptomyces ambofaciens ATCC 23877 a été trop faible pour pouvoir être utilisée ultérieurement en synthèse. Par contre, le potentiel de l’AFE de Humicola sp., concentrée par précipitation à l’acétone, pour la synthèse de différents esters phénoliques a été testé. Les meilleurs rendements de conversion ont été observés lors de l’absence de substitutions sur le cycle aromatique de l’acide phénolique ou en présence de groupements hydroxyles. Les synthèses en milieu non aqueux (M2B2) se sont montrées infructueuses en raison, peut-être, d’un effet néfaste du solvant sur l’enzyme / The induction of the ferulic acid esterase (FAE) synthesis was studied with Streptomyces ambofaciens ATCC 23877. The highest activity was detected in the presence of either destarched wheat bran or oat spelt xylan (0,22, 0,21 mU/mg protein, respectively). FAE productions in bioreactor were also carried out using 1% (w/v) of wheat bran as inducer. The FAE production level was three times higher in bioreactor than in Erlenmeyer flask. FAE of Streptomyces ambofaciens ATCC 23877 and that of Humicola sp., present in an enzymatic commercial mixture (DepolTM 740L), were partially purified and characterised. At the end of the purification, FAE activity of Streptomyces ambofaciens ATCC 23877 was too weak to be used later in synthesis. However, the FAE potential of Humicola sp., concentrated by acetone precipitation, for the synthesis of various phenolic esters was tested. The best conversion yields were observed in the absence of substitution on the phenolic acid aromatic cycle or in the presence of hydroxyl groups. The synthesis in non-aqueous medium (M2B2) were unsuccessful maybe because of an harmful effect of the solvent on the enzyme

L’objectif de la présente étude était d’évaluer un test d’estérase leucocytaire (LE) pour le diagnostic de l’endométrite subclinique chez les vaches Holstein en période postpartum. Les tests effectués à partir d’échantillons provenant soit de l’endomètre (UtLE) ou du col utérin (CxLE) ont été comparés à la cytologie endométriale (CE). Par ailleurs, deux méthodes d’évaluation des lames ont été comparées. Deux cent quatre vingt-cinq vaches Holstein de 5 troupeaux laitiers commerciaux ont été évaluées entre 21 et 47 jours en lait (JEL). Soixante sept vaches ont été diagnostiquées avec une endométrite clinique suite à un examen transrectal et vaginoscopique et ont été exclues de l’étude. Deux cent dix-huit vaches ont eu des prélèvements pour la CE et le test LE. La fonction ovarienne a été déterminée à la palpation transrectale. La banque de données utilisée pour chacune des vaches a été effectuée à partir du logiciel DSA (Dossier de Santé Animale) laitier. Le pourcentage de neutrophiles était significativement corrélé avec les scores de LE utérin et cervical. L’activité de CxLE et UtLE diminuait significativement avec les JEL, mais n’était pas associée au risque de gestation à 90 JEL (n= 186). Le pourcentage de neutrophiles mesuré à la CE entre 32 et 47 JEL était associé significativement au risque de gestation à 90 JEL (n=94, P=0.04). Pour la même période, selon une analyse de survie, les vaches avec >2,6% de neutrophiles à la CE étaient définies comme étant atteintes d’une endométrite subclinique avec une prévalence de 56%. Les résultats indiquent que le test d’estérase utérin ou cervical a une bonne concordance avec le pourcentage de neutrophiles à la CE. Une endométrite subclinique diagnostiquée par cytologie endometriale entre 32 et 47 JEL est associée à une réduction du risque de gestation au premier service. / The point toward this study was to determine the diagnostic test characteristics of the leukocyte esterase activity test for subclinical endometritis in postpartum Holstein dairy cows. The objectives were 1) to compare uterine leukocyte esterase activity and the endometrial cytology (EC), 2) to compare leukocyte esterase activity of the cervix (CxLE) and the uterus (UtLE), 3) Compare two methods of assessing the slides (i.e. an exhaustive method and a rapid method). Two hundred eighty five post partum Holstein cows from 5 commercial dairy herds had a post partum evaluation between 21 and 47 days in milk (DIM). Sixty seven cows where diagnosed with clinical endometritis by transrectal and vaginoscopy examinations and were excluded from the study. Two hundred eighteen cows were enrolled for endometrial cytology and esterase activity test. The ovarian status was determined by transrectal examination. Computerized databank, dairy DSA (Dossier de Santé Animale) indexing all the cows was used to retrieve individual information for analysis. The percentage of neutrophils was significantly correlated with the LE from the uterus and cervix. The LE from cervix and uterus decreased significantly with DIM, however, they were not statistically associated with pregnancy risk at 90 DIM (n=186). Between 32-47 DIM, the percentage of neutrophils and risk of pregnancy at 90 DIM were associated (n=94, P=0.04). For the same period, survival analysis identified cows with > 2.6 % neutrophils on EC as subclinical endometritis cows with a prevalence of 56%. The two methods for assessing the slides were correlated by 81%. Subclinical endometritis diagnosed by endometrial cytology between 32 and 47 DIM was associated with reduced risk of pregnancy at first service.

Lignocellulosic biomass is an abundant renewable resource targeted for biofuel production. Cellulose and hemicellulose from biomass both contain fermentable sugars and other moieties that can be converted to biofuels or other commodity chemicals. Enzymatic hydrolysis of these biopolymers is a critical step in the liberation of sugars for fermentation into desired products. In nature, anaerobic microbes produce protein nanostructures called cellulosomes that efficiently degrade cellulose substrates by combining multiple enzyme activities onto a scaffolding protein. However, current enzyme cocktails used in industry contain secretomes of aerobic microbes and are not efficient enough to be highly economical. Furthermore, most bio-processes focus on cellulose, rendering hemicellulose under-utilized. The three main objectives of this dissertation are to 1) develop multi-functional, self-assembling protein nanostructures for hemicellulose degradation using the architecture provided by cellulosomes, 2) understand the self-assembly mechanism at conditions for consolidated bioprocessing applications, and 3) compare the effectiveness of structured to non-structured hemicellulases in the hydrolysis of biomass. Xylan is a major type of hemicellulose in biomass feedstocks targeted for biofuel production. Six different xylanosomes were designed for hydrolysis of xylan within multiple biomass substrates using the cohesin-dockerin domain systems from Clostridium thermocellum, Clostridium cellulovorans, and Clostridium cellulolyticum. Each two-unit structure contained a xylanase for internal cleavage of the xylan backbone and one side-chain acting enzyme, either a ferulic acid esterase or bi-functional arabinofuranosidase/xylosidase. Expansion to three-unit xylanosomes included a family 10 or 11 xylanase, a bi-functional arabinofuranosidase/xylosidase, and bi-functional ferulic acid esterase/acetylxylan esterase. These multi-functional biocatalysts were used to degrade hemicellulose-rich wheat arabinoxylan and cellulose-containing destarched corn bran. Synergistic release of soluble sugars and ferulic acid was observed with select xylanosomes and in some cases required addition of an endoglucanase and cellobiohydrolase for enhanced hydrolysis. Furthermore, a putative ferulic acid esterase gene from the soil bacterium Cellvibrio japonicus was characterized and its role in xylan hydrolysis investigated. Information for the development of stable and functional cellulosome-like biocatalysts in metabolically-engineered microbes was collected using surface plasmon resonance. The protein-protein interaction of cohesin and dockerin domains for xylanosome self-assembly was examined at various temperatures and in the presence of ethanol to mimic different hydrolysis and fermentation processes and found to retain high affinities at the selected conditions. Moreover, the high-affinity interaction of cohesin and dockerin domains in the presence of non-specific proteins eliminated the need for protein purification for xylanosome construction. In addition to development of the first cellulosome-like biocatalysts targeted for hemicellulose degradation, this dissertation provides insight on possible improvements for the enzymatic hydrolysis of biomass, as well as the applicability of xylanosomes in consolidated bioprocessing.

L’objectif de la présente étude était d’évaluer un test d’estérase leucocytaire (LE) pour le diagnostic de l’endométrite subclinique chez les vaches Holstein en période postpartum. Les tests effectués à partir d’échantillons provenant soit de l’endomètre (UtLE) ou du col utérin (CxLE) ont été comparés à la cytologie endométriale (CE). Par ailleurs, deux méthodes d’évaluation des lames ont été comparées. Deux cent quatre vingt-cinq vaches Holstein de 5 troupeaux laitiers commerciaux ont été évaluées entre 21 et 47 jours en lait (JEL). Soixante sept vaches ont été diagnostiquées avec une endométrite clinique suite à un examen transrectal et vaginoscopique et ont été exclues de l’étude. Deux cent dix-huit vaches ont eu des prélèvements pour la CE et le test LE. La fonction ovarienne a été déterminée à la palpation transrectale. La banque de données utilisée pour chacune des vaches a été effectuée à partir du logiciel DSA (Dossier de Santé Animale) laitier. Le pourcentage de neutrophiles était significativement corrélé avec les scores de LE utérin et cervical. L’activité de CxLE et UtLE diminuait significativement avec les JEL, mais n’était pas associée au risque de gestation à 90 JEL (n= 186). Le pourcentage de neutrophiles mesuré à la CE entre 32 et 47 JEL était associé significativement au risque de gestation à 90 JEL (n=94, P=0.04). Pour la même période, selon une analyse de survie, les vaches avec >2,6% de neutrophiles à la CE étaient définies comme étant atteintes d’une endométrite subclinique avec une prévalence de 56%. Les résultats indiquent que le test d’estérase utérin ou cervical a une bonne concordance avec le pourcentage de neutrophiles à la CE. Une endométrite subclinique diagnostiquée par cytologie endometriale entre 32 et 47 JEL est associée à une réduction du risque de gestation au premier service. / The point toward this study was to determine the diagnostic test characteristics of the leukocyte esterase activity test for subclinical endometritis in postpartum Holstein dairy cows. The objectives were 1) to compare uterine leukocyte esterase activity and the endometrial cytology (EC), 2) to compare leukocyte esterase activity of the cervix (CxLE) and the uterus (UtLE), 3) Compare two methods of assessing the slides (i.e. an exhaustive method and a rapid method). Two hundred eighty five post partum Holstein cows from 5 commercial dairy herds had a post partum evaluation between 21 and 47 days in milk (DIM). Sixty seven cows where diagnosed with clinical endometritis by transrectal and vaginoscopy examinations and were excluded from the study. Two hundred eighteen cows were enrolled for endometrial cytology and esterase activity test. The ovarian status was determined by transrectal examination. Computerized databank, dairy DSA (Dossier de Santé Animale) indexing all the cows was used to retrieve individual information for analysis. The percentage of neutrophils was significantly correlated with the LE from the uterus and cervix. The LE from cervix and uterus decreased significantly with DIM, however, they were not statistically associated with pregnancy risk at 90 DIM (n=186). Between 32-47 DIM, the percentage of neutrophils and risk of pregnancy at 90 DIM were associated (n=94, P=0.04). For the same period, survival analysis identified cows with > 2.6 % neutrophils on EC as subclinical endometritis cows with a prevalence of 56%. The two methods for assessing the slides were correlated by 81%. Subclinical endometritis diagnosed by endometrial cytology between 32 and 47 DIM was associated with reduced risk of pregnancy at first service.

La ghréline est un peptide de 28 acides aminés, produit principalement par l’estomac et caractérisé par la présence d’un groupement octanoyl sur la sérine en position 3 (Kojima et al. 1999). La ghréline stimule la libération de l’hormone de croissance (GH) et régule la prise alimentaire et le métabolisme énergétique (Gualillo et al. 2003). Ces activités biologiques sont principalement médiées par le « growth hormone secretagogue receptor » (GHS-R). Deux sous-types de GHS-R, produits par épissage alternatif d’un même gène, ont été clonés :le GHS-R 1a, dont l’activation entraîne une libération de calcium via la formation d’inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3), et le GHS-R 1b, qui ne semble pas lié à une activité biologique (Howard et al. 1996). <p>La première partie de mon travail de thèse consistait en l’étude de la dégradation de la ghréline. La ghréline circule dans le sang principalement sous forme de des-acyl ghréline, une forme de ghréline dépourvue du groupement octanoyl qui ne se lie pas au GHS-R 1a. Peu d’études ont été réalisées sur le catabolisme de la ghréline. Les enzymes impliquées dans la dégradation de la ghréline étant des régulateurs importants de son activité biologique, le but de cette étude était d’identifier les sites de clivage et les enzymes impliquées dans la dégradation de la ghréline par du sérum, des sous-fractions plasmatiques et des homogénats de tissus. Nous avons montré qu’au contact de sérum humain et de rat, la ghréline est désoctanoylée, sans protéolyse. Dans le sérum humain, nous avons montré que la butyrylcholinestérase et la « platelet-activating factor acetylhydrolase » (PAF-AH), une phospholipase associée aux lipoprotéines de basse densité (LDL), sont impliquées dans ce phénomène (articles n°1 et n°2). En parallèle, nous avons montré que la ghréline peut être transportée dans la circulation sanguine par les lipoprotéines riches en triglycérides (TRL), les LDL, et les lipoprotéines de haute et de très haute densité (HDL et VHDL) (article n°2). Dans le sérum de rat, la désoctanoylation de la ghréline implique une carboxylestérase (article n°1). Au contact d’homogénats de tissus, la ghréline est dégradée à la fois par désoctanoylation et protéolyse N-terminale, suggérant la participation d’estérases et d’aminopeptidases. Nous avons identifié cinq sites de clivage dans la ghréline :entre les résidus Ser2-(acyl)Ser3 (dans l’estomac et le foie), (acyl ?)Ser3-Phe4 (dans l’estomac, le foie et le rein), Phe4-Leu5 (dans l’estomac et le rein), Leu5-Ser6 et Pro7-Glu8 (dans le rein) (article n°1). <p>La deuxième partie de mon travail de thèse consistait à étudier l’expression et la production de ghréline par différentes lignées leucémiques (HEL, HL-60, THP-1, SupT1), par des leucocytes poly- et mononucléés et par des plaquettes sanguines, et à étudier l’effet de la ghréline sur la prolifération cellulaire. Pour cela, nous avons mis au point des dosages radioimmunologiques (RIA) permettant de quantifier et de distinguer les formes octanoylées et non octanoylées de la ghréline, et nous avons caractérisé en détail les anticorps SB801 et SB969 obtenus. Par HPLC en phase inverse suivie des RIAs, nous avons mis en évidence la présence de ghrélines octanoylée et non octanoylée dans chaque population de cellules. Plus de 80 % de la ghréline produite est octanoylée dans les cellules HEL, les leucocytes et les plaquettes. Nous avons montré que la ghréline endogène stimule la prolifération des cellules HEL de façon autocrine impliquant un récepteur encore non identifié, distinct du GHS-R 1a (article n°3). La ghréline et la des-acyl ghréline inhibent la prolifération des leucocytes mononucléés mais sont dépourvues d’effet sur les cellules HL-60, THP-1 et SupT1. Malgré la présence du GHS-R 1a dans les leucocytes mononucléés, cet effet pourrait être médié par un récepteur différent puisque la des-acyl ghréline exerce le même effet que la ghréline sur la prolifération (article n°4). <p><p><p> / Doctorat en sciences pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cholesterol is an important biological molecule with many important functions. However, high serum cholesterol is a health hazard. Thus analysis of cholesterol is important and many analytical techniques have been developed. The objectives of the proposed research are to develop an economical, rapid method for the determination of total cholesterol with good selectivity and enhanced sensitivity. For evaluation of proposed flow injection analysis with peroxyoxalate chemiluminescence (FIA-POCL) method, figures of merit such as accuracy, precision, and linear dynamic range will be assessed. The proposed procedure was then applied to the determination of total cholesterol in foods. The procedure was linear for cholesterol from 0.01 to 0.120 mg/mL. The relative standard deviation was 2.57%. The recoveries were 97.5-103.3% for commercial standard cholesterol sample, and 101.5-108.0% for butter. The proposed method was applied to analysis of cholesterol in food and the results were consistent with expected values.

Antibiotika sind für die Behandlung von bakteriellen Infektionskrankheiten in der Human- und Veterinärmedizin von immenser Bedeutung. Angesichts der Korrelation zwischen Antibiotika-Einsatzmengen und der Häufigkeit resistenter Organismen ist eine unsachgemäße bzw. übermäßige Verwendung dieser antibakteriellen Wirkstoffe sowie deren Eintrag über die Kläranlagen in die Umwelt äußerst problematisch. Neben Vermeidungs- und Verminderungsstrategien besteht ein Ansatz zur Problemlösung in der Entwicklung innovativer Technologien zur Entfernung von Antibiotikarückständen aus Wässern, da konventionelle Kläranlagen dieser Anforderung nicht vollständig genügen. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte und charakterisierte biologische Verfahren basiert auf genetisch modifizierten Saccharomyces cerevisiae-Zellen, welche spezielle Enzyme sezernieren, die zur Umsetzung von Antibiotika herangezogen werden können. Als Modellsystem diente die enzymatische Hydrolyse des β-Lactam-Antibiotikums Ampicillin mit der β-Lactamase TEM-1. Unter Verwendung von enzymhaltigen Hefe-Kulturüberständen gelang es, die grundsätzliche Eignung des Systems zur Entfernung dieses Antibiotikums nachzuweisen. Untersuchungen mit weiteren β-Lactam-Antibiotika zeigten in Übereinstimmung mit der Literatur, dass TEM-1 Penicilline und Cephalosporine der 1. Generation hydrolysieren kann. Am Beispiel der TEM-8 wurde die Übertragbarkeit des Expressionssystems auf andere Lactamase-Varianten erfolgreich demonstriert. Das erweiterte Wirkspektrum dieses Enzyms, welches neben Penicillinen auch Monobactame und Cephalosporine bis zur 4. Generation umfasst, konnte bestätigt werden. Eine mittels Histidin-tag gereinigte TEM-1-His wurde eingesetzt, um systematisch den Einfluss verschiedener Faktoren, wie Temperatur, Substratkonzentration oder pH-Wert, unbeeinflusst von der Matrix der Hefe-Kulturüberstände untersuchen zu können. In diesem Zusammenhang wurde auch die Übertragbarkeit der Ergebnisse von Modell- auf Realwässer, wie Kläranlagenzu- und -ablauf, untersucht, mit dem Ergebnis, dass zumindest die TEM-1 temporär in allen getesteten Matrices aktiv ist. Mit dem Ziel, auch weitere Antibiotikaklassen transformieren zu können, wurden Esterase Ere-A-produzierende Zellen zur Umsetzung von Makrolid-Antibiotika, wie Erythromycin, herangezogen. Die Analyse der gebildeten Transformationsprodukte ergab, dass die antibakterielle Wirkung jeweils durch hydrolytische Spaltung des β-Lactam- bzw. des Makrolid-Ringes irreversibel verloren geht. Somit kann dieses biologische Verfahren prinzipiell zur gezielten Inaktivierung von Antibiotika eingesetzt werden, wobei der größte Vorteil in der erheblichen Beschleunigung der natürlicherweise ablaufenden Umsetzungsprozesse besteht. Diese Methode kann als ergänzende Technologie bei der Aufbereitung von Konzentraten und Wässern aus Spezialanwendungen angewendet werden.:Glossar Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis Kurzfassung Abstract 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielstellung 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Antibiotika und Antibiotikaresistenzen 2.1.1 Antibiotika: Definition, Bedeutung, Einsatzmengen, Klassifikation 2.1.2 Wirkmechanismen: Antibiotika versus Antibiotikaresistenzen 2.1.3 Antibiotika und antibiotikaresistente Organismen in der Umwelt 2.1.4 β-Lactam-Antibiotika 2.1.5 Resistenzen gegenüber β-Lactam-Antibiotika 2.1.6 Makrolid-Antibiotika 2.1.7 Resistenzen gegenüber Makrolid-Antibiotika 2.2 Gentechnische Methoden zur gezielten Proteinbiosynthese 2.3 Der eukaryotische Modellorganismus Saccharomyces cerevisiae 2.4 Enzymkinetik 2.5 Spurenstoffanalytik mittels LC-MS/MS-Technik 2.5.1 Einleitung, Entwicklung und Bedeutung 2.5.2 Elektrospray-Ionisation 2.5.3 Der Quadrupol als Massenanalysator 2.5.4 Analysenmodi bei der Tandem-Massenspektrometrie 3 Material und Methoden 3.1 Verwendete Geräte und Chemikalien 3.2 Arbeiten mit gentechnisch veränderte S. cerevisiae-Zellen 3.2.1 Eingesetzte S. cerevisiae-Stämme 3.2.2 Nährmedien und Kultivierung 3.3 Gewinnung von rekombinanten, in S. cerevisiae exprimierten Enzymen 3.3.1 Gewinnung von β-Lactamase-haltigen Kulturüberständen und gereinigter MFα-TEM-1-His 3.3.2 Zellaufschluss zur Gewinnung der intrazellulären Enzyme 3.4 Einsatz der rekombinanten Enzyme zur Umsetzung von β-Lactam- und Makrolid-Antibiotika 3.4.1 Herstellung und Lagerung von Antibiotika-Stammlösungen, internen Standards und Pufferlösungen 3.4.1.1 Antibiotika-Stammlösungen 3.4.1.2 Interne Standards 3.4.1.3 Herstellung von Kaliumphosphatpuffer 3.4.2 Einsatz von enzymhaltigen Kulturüberstand 3.4.2.1 Nitrocefin-Assay 3.4.2.2 Allgemeine Vorgehensweise und Standardversuchsbedingungen 3.4.2.3 Variation der Antibiotika Konzentration 3.4.2.4 Untersuchungen mit TEM-8-haltigen Kulturüberständen 3.4.3 Einsatz von gereinigter TEM-1 β-Lactamase 3.4.3.1 Proteinbestimmung 3.4.3.2 Allgemeine Vorgehensweise und Standardversuchsbedingungen 3.4.3.3 Variation der Enzymkonzentration 3.4.3.4 Einfluss der Art des Puffers 3.4.3.5 Pufferkonzentration und Leitfähigkeit 3.4.3.6 Variation des pH Wertes 3.4.3.7 Einfluss der Temperatur 3.4.3.8 Variation des eingesetzten β-Lactam-Antibiotikums (Substrat) 3.4.3.9 Variation der AMP-Konzentration 3.4.3.10 Bestimmung der Michaelis-Menten-Konstante Km bei der AMP-Umsetzung mittels TEM-1-His 3.4.3.11 Aktivität und Stabilität der TEM-1-His in Realwässern 3.4.3.12 Bestimmung der spezifischen Enzymaktivität 3.4.4 Einsatz von zellfreien Rohextrakten 3.4.4.1 Allgemeine Versuchsbedingungen 3.4.4.2 Untersuchungen zur Esterase Ere-A 3.5 LC-MS/MS-Analytik 3.5.1 Probenvorbereitung und Herstellung von Kalibrierstandards 3.5.2 HPLC-Parameter 3.5.2.1 Zusammensetzung der Eluenten 3.5.2.2 HPLC-Methoden 3.5.3 Massenspektrometrische Parameter 3.5.4 Auswertung mittels Analyst 3.5.5 Leistungsgrenzen für die qualitative und quantitative AMP Bestimmung 3.5.6 Charakterisierung von Transformationsprodukten 4 Ergebnisse und Diskussion 4.1 Einsatz von TEM-1-haltigem Kulturüberstand zur Transformation von β-Lactam-Antibiotika 4.1.1 Entwicklung einer Versuchsvorschrift zum Nachweis der Enzymaktivität gegenüber β-Lactam-Antibiotika im Kulturüberstand 4.1.1.1 Nachweis der enzymatischen Aktivität mittels Nitrocefin-Assay 4.1.1.2 Versuche mit β-Lactam-Antibiotika 4.1.1.3 Probenvorbereitung 4.1.2 Optimierung einer HPLC-MS/MS-Methode zur Quantifizierung von β-Lactam-Antibiotika unter Berücksichtigung der Probenmatrix 4.1.3 Nachweis der Antibiotika Umsetzung mit TEM-1-haltigen Kulturüberständen 4.1.4 Wirksamkeit der TEM-1-haltigen Kulturüberstände in Abhängigkeit von ausgewählten Randbedingungen 4.1.4.1 Einfluss der Enzymkonzentration 4.1.4.2 Einfluss der Leadersequenz 4.1.4.3 Einfluss des pH-Wertes 4.1.4.4 Einflüsse auf die Enzymkonzentration im Kulturüberstand 4.1.4.5 Enzymatische Stabilität bei Lagerung 4.1.4.6 Variation der Substratkonzentration 4.1.4.7 Substratspezifität 4.1.5 Zwischenfazit 4.2 Einsatz von TEM-8-haltigem-Kulturüberstand zur Transformation von β-Lactam-Antibiotika 4.2.1 Nachweis der enzymatischen Aktivität von TEM-8 4.2.1.1 Auswahl der Modellsubstanzen AMP und CEF 4.2.1.2 Versuche zum Nachweis der TEM-8-Aktivität in nicht-gepuffertem Kulturüberstand 4.2.1.3 Nachweis der TEM-8-Aktivität unter Verwendung von MES-gepuffertem Kulturmedium 4.2.2 Wirksamkeit der TEM-8-haltigen Kulturüberständen in Abhängigkeit von ausgewählten Randbedingungen 4.2.2.1 Einfluss der Leadersequenz 4.2.2.2 Einfluss des Polyhistidin-tags 4.2.2.3 Substratspezifität 4.2.3 Vergleich TEM-1 und TEM-8 4.2.3.1 Prinzipielle Unterschiede in der Kultivierung zur Gewinnung von TEM-8 4.2.3.2 Versuche zur AMP-Umsetzung 4.2.3.3 Abnahme der AMP-Konzentration in den Kontrollproben 4.2.3.4 Versuche zur CEF-Umsetzung 4.2.4 Zwischenfazit 4.3 Einsatz von isolierter TEM-1-His zur Transformation von β-Lactam-Antibiotika 4.3.1 Nachweis der Enzymaktivität 4.3.2 Wirksamkeit des Enzyms TEM-1-His in Abhängigkeit von ausgewählten Randbedingungen 4.3.2.1 Variation der Enzymkonzentration 4.3.2.2 Variation der Pufferkonzentration und Pufferart 4.3.2.3 Variation des pH-Wertes 4.3.2.4 Variation der Temperatur 4.3.2.5 Variation des Substrates 4.3.2.6 Variation der Substratkonzentration 4.3.2.7 Kinetik der enzymatischen Reaktion mit TEM-1-His 4.3.2.8 Untersuchungen zur Umsetzung in Realwässern 4.3.2.9 Langzeitstabilität der isolierten TEM-1-His 4.3.3 Zwischenfazit: spezifische enzymatische Aktivität der TEM-1-His in Abhängigkeit von verschiedenen Versuchsparametern 4.4 Einsatz von Esterase Ere-A-haltigen Rohextrakten 4.4.1 Nachweis der Enzymaktivität im Rohextrakt 4.4.2 Wirksamkeit der Esterase Ere-A in Abhängigkeit von ausgewählten Randbedingungen 4.4.2.1 Einfluss verschiedener Puffer 4.4.2.2 Einfluss von C- und N-terminal angefügten Sequenzen 4.4.2.3 Substratspezifität 4.4.3 Zwischenfazit 4.5 Charakterisierung von Transformationsprodukten 4.5.1 Vorbemerkungen 4.5.2 Transformationsprodukte bei der Umsetzung von β-Lactam-Antibiotika 4.5.3 Einsatz der Esterase Ere A zur Transformation von Makrolid-Antibiotika 4.5.3.1 Transformationsprodukte von Erythromycin 4.5.3.2 Transformationsprodukte von Clarithromycin 4.5.3.3 Transformationsprodukte von Roxithromycin 4.5.4 Zwischenfazit 5 Zusammenfassung 6 Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang A-1 Weitere Analysenmodi bei der Tandem-Massenspektrometrie A-2 Verwendete Geräte und Chemikalien A-3 HPLC-Methoden A-4 Massenspektrometrische Parameter A-5 Erster Versuch zum Nachweis der enzymatischen Aktivität von TEM-1-haltigen Kulturüberstand A-6 Nachweis der Inhibitorwirkung von Sulbactam in Kombination mit TEM-1-His A-7 TEM-1: Variation der Substratkonzentration A-8 TEM-8: Substratspezifität A-9 Vergleich der AMP-Umsetzung mit TEM-1- und TEM-8-haltigen Kulturüberständen sowie den Rohextrakten A-10 TEM-1-His: Variation des pH-Wertes A-11 TEM-1-His: Substratspezifität A-12 Ere-A: Variation der Puffer A-13 Ere-A: Substratspezifität Selbstständigkeitserklärung / Antibiotics play an important role in human and veterinary medicine for the treatment of bacterial infectious diseases. However, regarding the known correlation between the quantities of antibiotics applied and the frequency of resistant organisms, the improper and excessive use of these antibacterial agents leads to serious problems. Their presence in the environment is largely caused by sewage systems due to their incomplete removal in conventional wastewater treatment plants. Therefore, besides avoidance and reduction strategies, one approach to address this issue is to develop innovative technologies for the removal of antibiotic residues from water. The biological method developed and characterized within this work is based on genetically modified Saccharomyces cerevisiae cells, which secrete special enzymes that can be used for the transformation of antibiotics. The enzymatic hydrolysis of the β-lactam-antibiotic ampicillin by the β-lactamase TEM-1 was employed as a model system. By using enzyme-containing yeast culture supernatants, it was possible to prove the suitability of the developed system for the removal of the mentioned antibiotic. The obtained results with other β-lactam-antibiotics showed in accordance with the literature, that TEM-1 was able to hydrolyse penicillins and the cephalosporins of the first-generation. Taking TEM-8 as an example, the transferability of this expression system to alternative lactamase was successfully demonstrated. The activity of this enzyme toward an extended substrate spectrum, which includes not only penicillins but also monobactams and cephalosporins up to the fourth-generation, could be confirmed. The histidine-tagged purified TEM-1-His was used to systematically investigate the influence of various factors, such as temperature, substrate concentration or pH value, independently from the matrix of the yeast culture supernatants. Furthermore, the transferability of the results from model to real water (e. g. influent and effluent from a sewage treatment plant) was investigated with the result that TEM-1 was at least temporarily active in all tested matrices. In order to be able to transform other classes of antibiotics, esterase Ere-A-producing cells were employed to transform macrolide antibiotics, such as erythromycin. The analysis of the formed transformation products revealed that the antibacterial activity is irreversibly lost by the hydrolytic cleavage of the β-lactam or macrolide ring. Therefore, the biological process can be generally used for the selective inactivation of antibiotics, affording a considerable acceleration of the naturally occurring transformation process as its greatest advantage. This method is considered to be a complementary technology for the treatment of concentrates and water from special applications.:Glossar Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis Kurzfassung Abstract 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielstellung 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Antibiotika und Antibiotikaresistenzen 2.1.1 Antibiotika: Definition, Bedeutung, Einsatzmengen, Klassifikation 2.1.2 Wirkmechanismen: Antibiotika versus Antibiotikaresistenzen 2.1.3 Antibiotika und antibiotikaresistente Organismen in der Umwelt 2.1.4 β-Lactam-Antibiotika 2.1.5 Resistenzen gegenüber β-Lactam-Antibiotika 2.1.6 Makrolid-Antibiotika 2.1.7 Resistenzen gegenüber Makrolid-Antibiotika 2.2 Gentechnische Methoden zur gezielten Proteinbiosynthese 2.3 Der eukaryotische Modellorganismus Saccharomyces cerevisiae 2.4 Enzymkinetik 2.5 Spurenstoffanalytik mittels LC-MS/MS-Technik 2.5.1 Einleitung, Entwicklung und Bedeutung 2.5.2 Elektrospray-Ionisation 2.5.3 Der Quadrupol als Massenanalysator 2.5.4 Analysenmodi bei der Tandem-Massenspektrometrie 3 Material und Methoden 3.1 Verwendete Geräte und Chemikalien 3.2 Arbeiten mit gentechnisch veränderte S. cerevisiae-Zellen 3.2.1 Eingesetzte S. cerevisiae-Stämme 3.2.2 Nährmedien und Kultivierung 3.3 Gewinnung von rekombinanten, in S. cerevisiae exprimierten Enzymen 3.3.1 Gewinnung von β-Lactamase-haltigen Kulturüberständen und gereinigter MFα-TEM-1-His 3.3.2 Zellaufschluss zur Gewinnung der intrazellulären Enzyme 3.4 Einsatz der rekombinanten Enzyme zur Umsetzung von β-Lactam- und Makrolid-Antibiotika 3.4.1 Herstellung und Lagerung von Antibiotika-Stammlösungen, internen Standards und Pufferlösungen 3.4.1.1 Antibiotika-Stammlösungen 3.4.1.2 Interne Standards 3.4.1.3 Herstellung von Kaliumphosphatpuffer 3.4.2 Einsatz von enzymhaltigen Kulturüberstand 3.4.2.1 Nitrocefin-Assay 3.4.2.2 Allgemeine Vorgehensweise und Standardversuchsbedingungen 3.4.2.3 Variation der Antibiotika Konzentration 3.4.2.4 Untersuchungen mit TEM-8-haltigen Kulturüberständen 3.4.3 Einsatz von gereinigter TEM-1 β-Lactamase 3.4.3.1 Proteinbestimmung 3.4.3.2 Allgemeine Vorgehensweise und Standardversuchsbedingungen 3.4.3.3 Variation der Enzymkonzentration 3.4.3.4 Einfluss der Art des Puffers 3.4.3.5 Pufferkonzentration und Leitfähigkeit 3.4.3.6 Variation des pH Wertes 3.4.3.7 Einfluss der Temperatur 3.4.3.8 Variation des eingesetzten β-Lactam-Antibiotikums (Substrat) 3.4.3.9 Variation der AMP-Konzentration 3.4.3.10 Bestimmung der Michaelis-Menten-Konstante Km bei der AMP-Umsetzung mittels TEM-1-His 3.4.3.11 Aktivität und Stabilität der TEM-1-His in Realwässern 3.4.3.12 Bestimmung der spezifischen Enzymaktivität 3.4.4 Einsatz von zellfreien Rohextrakten 3.4.4.1 Allgemeine Versuchsbedingungen 3.4.4.2 Untersuchungen zur Esterase Ere-A 3.5 LC-MS/MS-Analytik 3.5.1 Probenvorbereitung und Herstellung von Kalibrierstandards 3.5.2 HPLC-Parameter 3.5.2.1 Zusammensetzung der Eluenten 3.5.2.2 HPLC-Methoden 3.5.3 Massenspektrometrische Parameter 3.5.4 Auswertung mittels Analyst 3.5.5 Leistungsgrenzen für die qualitative und quantitative AMP Bestimmung 3.5.6 Charakterisierung von Transformationsprodukten 4 Ergebnisse und Diskussion 4.1 Einsatz von TEM-1-haltigem Kulturüberstand zur Transformation von β-Lactam-Antibiotika 4.1.1 Entwicklung einer Versuchsvorschrift zum Nachweis der Enzymaktivität gegenüber β-Lactam-Antibiotika im Kulturüberstand 4.1.1.1 Nachweis der enzymatischen Aktivität mittels Nitrocefin-Assay 4.1.1.2 Versuche mit β-Lactam-Antibiotika 4.1.1.3 Probenvorbereitung 4.1.2 Optimierung einer HPLC-MS/MS-Methode zur Quantifizierung von β-Lactam-Antibiotika unter Berücksichtigung der Probenmatrix 4.1.3 Nachweis der Antibiotika Umsetzung mit TEM-1-haltigen Kulturüberständen 4.1.4 Wirksamkeit der TEM-1-haltigen Kulturüberstände in Abhängigkeit von ausgewählten Randbedingungen 4.1.4.1 Einfluss der Enzymkonzentration 4.1.4.2 Einfluss der Leadersequenz 4.1.4.3 Einfluss des pH-Wertes 4.1.4.4 Einflüsse auf die Enzymkonzentration im Kulturüberstand 4.1.4.5 Enzymatische Stabilität bei Lagerung 4.1.4.6 Variation der Substratkonzentration 4.1.4.7 Substratspezifität 4.1.5 Zwischenfazit 4.2 Einsatz von TEM-8-haltigem-Kulturüberstand zur Transformation von β-Lactam-Antibiotika 4.2.1 Nachweis der enzymatischen Aktivität von TEM-8 4.2.1.1 Auswahl der Modellsubstanzen AMP und CEF 4.2.1.2 Versuche zum Nachweis der TEM-8-Aktivität in nicht-gepuffertem Kulturüberstand 4.2.1.3 Nachweis der TEM-8-Aktivität unter Verwendung von MES-gepuffertem Kulturmedium 4.2.2 Wirksamkeit der TEM-8-haltigen Kulturüberständen in Abhängigkeit von ausgewählten Randbedingungen 4.2.2.1 Einfluss der Leadersequenz 4.2.2.2 Einfluss des Polyhistidin-tags 4.2.2.3 Substratspezifität 4.2.3 Vergleich TEM-1 und TEM-8 4.2.3.1 Prinzipielle Unterschiede in der Kultivierung zur Gewinnung von TEM-8 4.2.3.2 Versuche zur AMP-Umsetzung 4.2.3.3 Abnahme der AMP-Konzentration in den Kontrollproben 4.2.3.4 Versuche zur CEF-Umsetzung 4.2.4 Zwischenfazit 4.3 Einsatz von isolierter TEM-1-His zur Transformation von β-Lactam-Antibiotika 4.3.1 Nachweis der Enzymaktivität 4.3.2 Wirksamkeit des Enzyms TEM-1-His in Abhängigkeit von ausgewählten Randbedingungen 4.3.2.1 Variation der Enzymkonzentration 4.3.2.2 Variation der Pufferkonzentration und Pufferart 4.3.2.3 Variation des pH-Wertes 4.3.2.4 Variation der Temperatur 4.3.2.5 Variation des Substrates 4.3.2.6 Variation der Substratkonzentration 4.3.2.7 Kinetik der enzymatischen Reaktion mit TEM-1-His 4.3.2.8 Untersuchungen zur Umsetzung in Realwässern 4.3.2.9 Langzeitstabilität der isolierten TEM-1-His 4.3.3 Zwischenfazit: spezifische enzymatische Aktivität der TEM-1-His in Abhängigkeit von verschiedenen Versuchsparametern 4.4 Einsatz von Esterase Ere-A-haltigen Rohextrakten 4.4.1 Nachweis der Enzymaktivität im Rohextrakt 4.4.2 Wirksamkeit der Esterase Ere-A in Abhängigkeit von ausgewählten Randbedingungen 4.4.2.1 Einfluss verschiedener Puffer 4.4.2.2 Einfluss von C- und N-terminal angefügten Sequenzen 4.4.2.3 Substratspezifität 4.4.3 Zwischenfazit 4.5 Charakterisierung von Transformationsprodukten 4.5.1 Vorbemerkungen 4.5.2 Transformationsprodukte bei der Umsetzung von β-Lactam-Antibiotika 4.5.3 Einsatz der Esterase Ere A zur Transformation von Makrolid-Antibiotika 4.5.3.1 Transformationsprodukte von Erythromycin 4.5.3.2 Transformationsprodukte von Clarithromycin 4.5.3.3 Transformationsprodukte von Roxithromycin 4.5.4 Zwischenfazit 5 Zusammenfassung 6 Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang A-1 Weitere Analysenmodi bei der Tandem-Massenspektrometrie A-2 Verwendete Geräte und Chemikalien A-3 HPLC-Methoden A-4 Massenspektrometrische Parameter A-5 Erster Versuch zum Nachweis der enzymatischen Aktivität von TEM-1-haltigen Kulturüberstand A-6 Nachweis der Inhibitorwirkung von Sulbactam in Kombination mit TEM-1-His A-7 TEM-1: Variation der Substratkonzentration A-8 TEM-8: Substratspezifität A-9 Vergleich der AMP-Umsetzung mit TEM-1- und TEM-8-haltigen Kulturüberständen sowie den Rohextrakten A-10 TEM-1-His: Variation des pH-Wertes A-11 TEM-1-His: Substratspezifität A-12 Ere-A: Variation der Puffer A-13 Ere-A: Substratspezifität Selbstständigkeitserklärung