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Casein is the major protein fraction in milk, and its cross-linking has been a topic of scientific interest for many years. Enzymatic cross-linking has huge potential to modify relevant techno-functional properties of casein, whereas non-enzymatic cross-linking occurs naturally during the storage and processing of milk and dairy products. Two size separation techniques were applied for characterisation of these reactions: gel electrophoresis and size exclusion chromatography. This review summarises their separation principles and discusses the outcome of studies on cross-linked casein from the last ~20 years. Both methods, however, show limitations concerning separation range and are applied mainly under denaturing and reducing conditions. In contrast, field flow fractionation has a broad separation range and can be easily applied under native conditions. Although this method has become a powerful tool in polymer and nanoparticle analysis and was used in few studies on casein micelles, it has not yet been applied to investigate cross-linked casein. Finally, the principles and requirements for absolute molar mass determination are reviewed, which will be of increased interest in the future since suitable calibration substances for casein polymers are scarce.

In recent years, mass spectrometry (MS) become the dominant technology in lipidomic analysis and widely influenced research and diagnosis of diseases of lipid metabolism, e.g. lysosomal storage disorders (LSD) characterized by impairment of the lysosomal functions. Defects in lysosomal processing of sphingolipids SFL belong to the category of sphingolipidoses. This condition has severe and even fatal clinical outcome. The primary aim of this work was to establish quantitative and qualitative methods of SFL analysis useful for research and diagnosis of LSD. At first, semisynthesis of mass labeled lipid standards utilizing immobilized sphingolipid ceramide N-deacylase was performed. Established methods of quantitative analysis were then used to prove the increased excretion of urinary SFL in LSD with characteristic storage in the kidney. Determination of excreted urinary SFL was found useful for differential diagnosis of prosaposin and saposin B deficiences for which routine enzymology is failing. MS also enabled monitoring of individual molecular species (isoforms) of SFL, which led to the finding that their urinary pattern is changing in some LSD. This resulted in the development of new screening method in dry urinary samples based on isoform profile evaluation. Another MS application referred to...

La synthèse d’oligosides complexes reste difficilement réalisable par voie chimique. Le recours aux catalyseurs enzymatiques permettrait de pallier aux contraintes de la chimie mais les enzymes naturelles ne présentent pas toujours les propriétés adéquates et nécessitent d’être optimisées par ingénierie moléculaire. Le couplage de la chimie et de biocatalyseurs conçus « sur mesure », peut offrir une alternative prometteuse pour explorer de nouvelles voies de synthèse des sucres, notamment pour la mise au point de glycovaccins. L’objectif de cette thèse a ainsi visé à mettre en œuvre des stratégies d’ingénierie semi-rationnelles de l’amylosaccharase de Neisseria polysaccharea (ASNp), une α-transglucosylase utilisant le saccharose comme substrat, afin de concevoir de nouvelles spécificités de substrats et d’étendre le potentiel de cette enzyme à catalyser de nouvelles réactions, permettant ainsi d’aller bien au-delà de ce que la Nature peut offrir. Dans une première étude, une approche assistée par ordinateur a été suivie afin de remodeler le site actif de l’enzyme (sous-sites +1, +2 et +3) pour la reconnaissance et la glucosylation en α-1,4 d’un accepteur disaccharidique non-naturel (l’allyl 2-deoxy-2-N-trichloroacetyl-β-D-glucopyranosyl-(1→2)-α-L-rhamnopyranose). Le produit attendu, un trisaccharide, est un précurseur dans la synthèse chimio-enzymatique des oligosaccharides mimant les unités répétitives des lipopolysaccharides de Shigella flexneri, dont l’utilisation ultime est le développement de vaccins contre la Shigellose. Une approche computationnelle faisant appel à des outils dédiés au design automatisé de protéines et à une analyse des séquences a conduit au design d’une librairie d’environ 2.7x104 séquences, qui a ensuite été construite expérimentalement puis criblée. Au final, 55 variants actifs sur saccharose (le substrat donneur) ont été identifiés, et un mutant, appelé F3, a révélé sa capacité à glucosyler en α-1,4 le disaccharide cible. De manière étonnante, ce mutant possède 7 mutations au sein de son site actif, nécessaires au déploiement de sa nouvelle spécificité tout en maintenant son aptitude à utiliser le saccharose comme donneur d'unité glucosyle. Dans une deuxième étude, trois variants ont été identifiés lors du criblage de la librairie semi-rationnelle sur saccharose comme présentant de nouvelles spécificités de produits. Ces mutants ont été caractérisés plus en détails, ainsi que leurs produits, sur un plan biochimique et structural. Ces mutants, appelés 37G4, 39A8 et 47A10, contiennent entre 7 et 11 mutations dans leur site actif. Il a été montré qu’ils étaient capables de reconnaitre le saccharose et le maltose (un produit de la réaction avec le saccharose) comme donneur et accepteur pour synthétiser en quantités variables de l’erlose (α-D-Glucopyranosyl-(1→4)-α-D-Glucopyranosyl-(1→2)-β-D-Fructose) et du panose (α-D-Glucopyranosyl-(1→6)-α-D-Glucopyranosyl-(1→4)-α-D-glucose), des molécules non produites par l’enzyme sauvage. Des taux de production relativement élevés ont été obtenus pour ces molécules, dont les propriétés acariogènes et le pouvoir sucrant pourraient présenter un intérêt applicatif pour l’industrie alimentaire. Dans une dernière partie, un autre mutant, appelé 30H3, a été isolé lors du criblage primaire de la librairie de par son activité élevée sur saccharose (une amélioration d’un facteur 6.5 comparé à l’enzyme sauvage). Après caractérisation, le mutant s’est avéré synthétiser un profil unique de produits en comparaison de l’enzyme sauvage ASNp. Il s’est ainsi montré très efficace pour la synthèse de maltooligosaccharides solubles, de taille de chaînes contrôlée allant d’un DP 3 à 21, et de faible polydispersité. Aucun polymère insoluble n’a été identifié. La structure 3D du mutant résolue par cristallographie des rayons X a révélé un agrandissement de la poche catalytique en raison de la présence de 9 mutations introduites dans la première sphère.... / Chemical synthesis of complex oligosaccharides still remains critical. Enzymes have emerged as powerful tools to circumvent chemical boundaries of glycochemistry. However, natural enzymes do not necessarily display the required properties and need to be optimized by molecular engineering. Combined use of chemistry and tailored biocatalysts may thus be attractive for exploring novel synthetic routes, especially for glyco-based vaccines development. The objective of this thesis was thus to apply semi-rational engineering strategies to Neisseria polysaccharea amylosucrase (NpAS), a sucrose-utilizing α-transglucosylase, in order to conceive novel substrate specificities and extend the potential of this enzyme to catalyze novel reactions, going beyond what nature has to offer. In a first study, a computer aided-approach was followed to reshape the active site of the enzyme (subsites +1, +2 and +3) for the recognition and α-1,4 glucosylation of a non-natural disaccharide acceptor molecule (allyl 2-deoxy-2-N-trichloroacetyl-β-D-glucopyranosyl-(1→2)-α-L-rhamnopyranose). The trisaccharide product is a building block for the chemo-enzymatic synthesis of oligosaccharides mimicking the repetitive units of the Shigella flexneri lipopolysaccharides, and ultimately, for the production of a vaccine against Shigellosis disease. Using computational tools dedicated to the automated protein design, combined with sequence analysis, a library of about 2.7x104 sequences was designed and experimentally constructed and screened. Altogether, 55 mutants were identified to be active on sucrose (the donor substrate), and one, called mutant F3, was subsequently found able to catalyze the α-1,4 glucosylation of the target disaccharide. Impressively, this mutant contained seven mutations in the first shell of the active site leading to a drastic reshaping of the catalytic pocket without significantly perturbing the original specificity for sucrose donor substrate. In a second study, three variants were identified from the screening of the semi-rational library on sole sucrose as displaying totally novel product specificities. They were further characterized, as well as their products, at both biochemical and structural level. These mutants, called 37G4, 39A8 and 47A10, contained between 7 and 11 mutations into their active site. They were found able to use sucrose and maltose (a reaction product from sucrose) as both donor and acceptor substrates to produce in varying amounts erlose (α-D-Glucopyranosyl-(1→4)-α-D-Glucopyranosyl-(1→2)-β-D-Fructose) and panose (α-D-Glucopyranosyl-(1→6)-α-D-Glucopyranosyl-(1→4)-α-D-glucose) trisaccharides, which are not produced at all by parental wild-type enzyme. Relatively high yields were obtained for the production of these molecules, which are known to have acariogenic and sweetening properties and could be of interest for food applications. In a last part, another mutant 30H3 was isolated due to its high activity on sucrose (6.5-fold improvement compared to wild-type activity) from primary screening of the library. When characterized, the mutant revealed a singular product profile compared to that of wild-type NpAS. It appeared highly efficient for the synthesis of soluble maltooligosaccharides of controlled size chains, from DP 3 to 21, and with a low polydispersity. No formation of insoluble polymer was found. The X-ray structure of the mutant was determined and revealed the opening of the catalytic pocket due to the presence of 9 mutations in the first sphere. Molecular dynamics simulations suggested a role of mutations onto flexibility of domain B’ that might interfere with oligosaccharide binding and explain product specificity of the mutant.

Nowadays, the environmental pollution by heavy metals is very serious problem all around the world. Radionuclides, including uranium, are heavy metals that cause both chemical and radioactive pollution. Naturally occurring uranium is not so dangerous for living organisms. Human activities, especially uranium ore mining and use of phosphate fertilizers, have increased its concentration in the environment with consequent contamination of soil, water and air. Compared to other countries, the Czech Republic is relatively rich in deposits of uranium ore. Extensive mining results in large contaminated areas, containing not only uranium but also other heavy metals and xenobiotics that need to be removed from the environment. One way how to decontaminate soils and waters is phytoremediation. This eco-friendly and cost-effective technique exploits the ability of plants to take up, translocate, transform and sequester xenobiotics. In order to provide functional phytoremediation, it is necessary to understand the mechanisms of plant responses to stress caused by xenobiotics. Therefore in my master thesis, I focused on the impact of uranium on physiological processes of uranium-stressed plants, with the emphasis on carbohydrate metabolism and antioxidative defense mechanism. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

Polyketides are natural products with complex chemical structures and immense pharmaceutical potential that are synthesized via secondary metabolic pathways. The in-vitro synthesis of these molecules requires high supply of building blocks such as acetyl Co-enzyme A, and cofactors (adenosine triphosphate (ATP). These precursor and cofactor are synthesized from respective soluble enzymes. Owing to the expensive nature of the enzymes, it is important to immobilize enzymes to improve the process economics by enabling multiple uses of catalyst and improving overall productivity and robustness. The polymer-based particles of nano and submicron size have become attractive material for their role in the life sciences. With the advances in synthetic protocols of the microgels and commercial availability of many of the monomers, it is feasible to tune the properties of the particles as per the process requirement. The core shell microgel with functional shell allows high loading of ligands onto the microgel particles due to increased availability of functional group on the outer surface. The aim of the thesis thus was to study biochemical reactions on the smart microgels support using single (acetyl CoA synthetase (Acs)) and dual (pyruvate kinase (Pk) and L-lactic dehydrogenase (Ldh)) enzyme/s systems. The study indicated that the enzyme immobilization significantly depends on the enzyme, conjugation strategy and the support. The covalent immobilization provides rigidity to the enzyme structure as in case of Acs immobilized on PNIPAm-AEMA microgels but at the same time leads to loss in enzyme activity. Whereas, in the case of covalent immobilization of Ldh on microgel showed improved in enzyme activity. On the other hand adsorption of the enzyme via ionic interaction provide better kinetic profile of enzymes hence the membrane reactor was prepared using PNIPAm-PEI conjugates for acetyl CoA synthesis. The better outcome of work with PNIPAm-PEI resulted in its further evaluation for dual enzyme system. This work is unique in the view that the immobilization strategies were well adapted to immobilize single and dual enzymes to achieve stable bioconjugates for their respective applications in precursor biosynthesis (Acetyl Co enzyme A) and co-factor dependent processes (ACoA and ATP). The positive end results of microgels as the support (particles in solution and as the thin film (membrane)) opens further prospective to explore these systems for other precursor biomolecule production.

Ubiquitinierung ist eine essentielle posttranslationale Proteinmodifikation (PTM), die vielfältige Prozesse in eukaryotischen Zellen steuert. Ubiquitin wird zu unterschiedlichen polymeren Ketten zusammengesetzt, wobei E2-Ubiquitin-konjugierende Enzyme häufig eine entscheidende Rolle spielen. Im Rahmen meiner Promotion habe ich die molekularen Grundlagen der Ub Kettensynthese durch die E2-Enzyme Ubc1 und Ubc7 untersucht. Dies geschah mithilfe von in vitro Ubiquitinierungs-Reaktionen, biochemischen und strukturellen Untersuchungen sowie zellbiologischen Experimenten. Ich konnte zeigen, dass zugehörige Ubiquitin-Binde-Domänen (UBDs) die Funktion der E2-Enzyme maßgeblich regulieren. Als einziges unter elf E2-Enzymen in S. cerevisiae enthält Ubc1 eine Ub-bindende UBA Domäne, deren Funktion bisher unklar blieb. Ubc1 modifiziert ausschließlich Lysin 48 (K48) in Ub und wurde mit Proteinqualitätskontrolle sowie der Regulation des Zellzyklus in Verbindung gebracht. Meine Ergebnisse zeigen, dass Ubc1 mithilfe seiner UBA-Domäne vorzugsweise mit K63-verknüpftem Polyubiquitin interagiert, wodurch K48/K63 verzweigte Ub-Ketten entstehen. Basierend auf vorhandenen Strukturinformationen und meinen eigenen röntgenkristallographischen Untersuchungen zeige ich eine Modellstruktur für die Reaktion auf. Meine Ergebnisse stellen eine wesentliche Untersuchungsgrundlage für verzweigten Ub-Ketten dar, über deren Vorkommen und Funktion bisher wenig bekannt ist. Ubc7 assembliert mithilfe seines Kofaktors Cue1 K48-verknüpfte Ub-Ketten im Rahmen des Endoplasmatisches-Retikulum-assoziierten Proteinabbaus (ERAD). In einem kollaborativen Projekt haben wir die Ub-bindende CUE-Domäne in Cue1, die hierfür eine Schlüsselrolle spielt, untersucht. Sie ermöglicht die Ausrichtung des E2-Enzyms an der distalen Spitze der Ub-Kette für eine schnelle Kettenverlängerung, besitzt einzigartige auf den Prozess angepasste Bindungseigenschaften und ihre Beeinträchtigung stört den Abbau des ERAD-Substrates Ubc6. / Ubiquitination is an essential posttranslational protein modification (PTM) that regulates widespread intracellular processes in eukaryotic cells. Ubiquitin (Ub) can be assembled into polymeric chains through its seven internal lysine residues and the N-terminus enabling the formation of a complex "Ubiquitin Code". Factors that guide the molecular machinery which produces this code remain poorly understood. In this study, I demonstrate that ubiquitin binding domains (UBDs) associated with the E2 enzymes Ubc1 and Ubc7 substantially contribute to the assembly of particular Ub chains. Uniquely among the eleven E2 enzymes of S. cerevisiae Ubc1 contains a ubiquitin binding UBA domain. Ubc1 exclusively modifies lysine 48 (K48) in Ub and has been implicated in protein quality control and cell cycle progression. However, the function of its UBA domain remained elusive. I identified Ubc1 to preferentially target specific Ub molecules in K63-linked polyubiquitin via its UBA domain. This activity results in the assembly of K48/K63 branched Ub chains. Based on existing structural information and my own X-ray crystallographic experiments, I propose a structure for the transition state of branched chain assembly by Ubc1. My findings provide a basis for the study of this unusual Ub chain type. Ubc7 has previously been shown to be activated by its co-factor Cue1 to assemble Ub chains linked through lysine 48 (K48) in the context of endoplasmic reticulum associated protein degradation (ERAD). In collaboration with Dr. Maximilian von Delbrück and Dr. Andreas Kniss, we identified the ubiquitin binding CUE domain in Cue1 to play a key role in aligning Ubc7 with the distal tip of a K48-linked Ub chain for rapid chain elongation. Furthermore, we showed how binding of Ub by the CUE domain is well adapted towards the chain elongation process and how its disruption impairs degradation of the ERAD substrate Ubc6.

Bluthochdruck ist ein globales Gesundheitsproblem, das Milliarden von Menschen weltweit betrifft und schwerwiegende physische, finanzielle und auch produktivitätsbezogene Auswirkungen hat (Forum and Health, 2011; WHO, 2013; Williams et al., 2018). Die Aufnahme bioaktiver Peptide mit blutdrucksenkender Wirkung wie das Isoleucin-Tryptophan (IW) ist als mögliche Präventionsstrategie für die Hypertonie in Diskussion. Das Dipetid IW hemmt das Angiotensin-Converting-Enzym (ACE) und zeigt im Tierversuch eine blutdrucksenkende Wirkung (Martin et al., 2008b; Kaiser et al., 2016). Die Absorption dieses Dipeptids ist jedoch noch nicht aufgeklärt. Daher sollte in der vorliegenden Arbeit die Absorption und Stabilität bioaktiver Peptide am Beispiel des Dipeptids IW untersucht werden. Die folgenden 3 Zielsetzungen sollten dabei helfen die Aufnahme von IW in vivo aufzuklären. 1) Untersuchung der intestinalen Absorption von IW ex-vivo mittels Darmperfusion (EIPM). 2) Bewertung der intestinalen Stabilität von IW mittels Darm/Peptid-Co-Inkubation und anschließenden Studien zur Identifikation IW-abbauender Enzyme. 3) Untersuchung auf mögliche weiter gastrointestinale Absorptionsrouten von IW beim Menschen. Im ersten Schritt wurde die ex-vivo Darmperfusions-Methode (EIPM) etabliert, so dass eine physiologische Abschätzung der Absorption von IW durch den Mausdarm möglich wird. Mit dieser Methode wurden die absorptiven Funktionen des Darms ex-vivo zunächst mit den Kontrollsubstanzen, Koffein und Erythrozyten geprüft, bevor die Absorption der Dipeptide IW und WL untersucht wurden. Die Ergebnisse aus den Dipeptid Studien zeigten, dass IW und WL nicht intakt aus dem Mausdarm absorbiert wurden, allerdings die in der Sequenz der Dipeptide enthaltene Aminosäure Tryptophan konnte nachgewiesen werden. Dies lässt darauf schließen, dass die Dipeptide durch die Darmenzyme mit anschließender Freisetzung von Tryptophan rasch abgebaut wurden. Die Berechnung der Massenbilanz zeigten für IW und WL ein signifikantes Massendefizit (18 % für IW und 15 % für WL). Die Darm/Peptid-Co-Inkubationsstudien zeigten ebenfalls eine rasche Abnahme (innerhalb von 5 Minuten) der IW- und WL-Konzentrationen und gleichzeitig eine Zunahme der Tryptophankonzentration. Damit konnte bestätigt werden, dass IW und WL im Darm rasch abgebaut wird. Auch in den Co-Inkubationsstudien gab es wie bei den EIPM-Ergebnissen ein signifikantes Massendefizit (19 % für IW und 21 % für WL). Für die Identifizierung der IW abbauenden Enyzme wurden die Darm-Peptid-Co-Inkubation zusätzlich neben IW mit verschiedenen allgemeinen und spezifischen Inhibitoren durchgeführt. Dabei konnte gezeigt werden, dass Membrandipeptidase, Aminopeptidase W und Aminopeptidase N die Enzyme sind, die hauptsächlich IW im Darm abbauen. Die gleichzeitige Hemmung dieser Enzyme verhinderte signifikant die Hydrolyse von IW im Darm. So wurden 64,1 % des eingesetzten IW nach 5 min quantifiziert. Für Aminopeptidase N und die Membrandipeptidase sind kommerziell erhältliche Antikörper vorhanden, so dass die beiden mittels Western Blot und Immunchemie als Bürstenrandenzyme im Darmepithel nachgewiesen wurden. In einer weiteren Versuchsreihe wurde untersucht, ob die oben genannten Enzyme auch für den Abbau von IW im Plasma verantwortlich sind. Die Ergebnisse zeigten, dass diese identifizierten Enzyme den Abbau von IW im Plasma nicht verhinderten, was zeigt, dass dort andere Enzymgruppen beteiligt sind. Weiter wurden Veränderungen der intestinalen ACE-Aktivität und des intestinalen ACE-Proteinspiegels nach der Inkubation mit IW untersucht. Es zeigten sich durch die Inkubation mit IW eine Verringerung der ACE-Aktivität, die allerdings auf Grund der hohen Standardabweichung keine Signifikanz erreichte. Der ACE-Proteinspiegel zeigte durch die Inkubation mit IW keine signifikanten Veränderungen. Im Hinblick auf die Humanstudien wurde die IW Stabilität in Speichelproben von 4 Freiwilligen untersucht. Während bei einer Probe keinerlei Abbau von IW über 10 min gesehen wurde, zeigten die anderen 3 dagegen einen deutlichen Abbau von IW. Nach 10 min Inkubation waren im Mittel noch 81,7 % IW intakt nach 30 min nur noch 68,6 %. Parallel zum IW – Abbau nahm die Tryptophan-Konzentration zu. Mit der erhaltenen Massenbilanz von 108,2 % konnte eindeutig ein Abbau von IW bestätig werden. Um die mögliche Absorption von IW über den gesamten Magen-Darm-Trakts beim Menschen zu beurteilen, wurde IW über verschiedene Wege verabreicht: sublingual, in Trinkwasser gelöst, als magensaftresistente Kapseln und als nicht magensaftresistente Kapseln. Die Ergebnisse der Absorptionsstudien mit 5 bis 6 Probanden zeigten einen Anstieg von IW im Plasma im Vergleich zu den basalen Werten bei den folgenden Interventionen: als magensaftresistente Kapseln (Mittelwert; +/-304 %, Median; +/-156 %), sublingual (Mittelwert; +/-303 %, Median; +/-204 %), in Trinkwasser gelöst (Mittelwert; +/-266 %, Median; +/-287 %) und schließlich als Kapseln ohne Magensaftresistenz (Mittelwert; +/-163 %, Median; +/-152 %). Alle Messparameter unterlagen hohen interindividuellen Schwankungen. Die Fläche unter den Kurven für den IW-Anstieg wurde in folgender Reihenfolge kalkuliert: IW magensaftresistente Kapseln > sublinguale IW > IW in Trinkwasser gelöst > IW Kapseln ohne Magensaftresistenz. Dies gilt sowohl für den Vergleich des Mittelwerts als auch für den des Median. Eine entsprechende Hemmung der Plasma-ACE-Aktivität wurde auch bei den Teilnehmern nach der IW-Einnahme beobachtet. IW, das über dem sublingualen Weg verabreicht wurde, bewirkte die stärkste Hemmung der Plasma-ACE-Aktivität (Mittelwert; +/-19,1 %, Median; +/-17. 9 %), gefolgt von in Trinkwasser gelösten IW (Mittelwert;+/-16,8 %, Median; +/-18,6 %), dann IW-magensaftresistente Kapseln (Mittelwert; +/-13,6 %, Median; +/-15,1 %) und schließlich IW- Kapseln ohne Magensaftresistenz (Mittelwert; -9,3 %, Median; -9,2 %). Zusammenfassend haben die Ergebnisse der vorliegenden Studie gezeigt, dass IW im Darm rasch abgebaut wird, was für seine Bioverfügbarkeit eine Rolle spielt. Als die wichtigsten Enzyme, die IW im Darm abbauen, wurden die Membrandipeptidase, Aminopeptidase N und Aminopeptidase W identifiziert, diese sind allerdings nicht für den IW-Abbau im Plasma verantwortlich. Schließlich zeigten die Ergebnisse der Humanstudien, dass IW vor allem sublingual und intestinal, in geringerem Masse auch über den Magen absorbiert wurde. Parallel zu der Absorption wurde das Plasma-ACE gehemmt. Diese Studien liefern damit wichtige Grundlagen für die Absorption bioaktiver Peptide, welche für die Überlegungen der Applikationsart dieser Peptide hilfreich sind.

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