All cells are delimited by membranes that protect the cell from the surrounding environment. In eukaryotic cells the same principle applies at subcellular level where membranes delimit functional cell organelles. The membrane structure, properties and function are defined in part by their lipid composition. Lipidomics is the large‐scale study of pathways and networks of cellular lipids in biological systems. It involves the identification and quantitation of cellular lipid molecular species and their interactions with other lipids, proteins, and other metabolites. Lipidomics has been greatly facilitated by recent advances in ionization technology and mass spectrometric capabilities which have simplified the sample processing prior to analysis, giving rise to shotgun lipidomics. Shotgun lipidomics is fast, highly sensitive, and can identify hundreds of lipids missed by other methods. However, Glycosphingolipids are an important lipid family that was out of the scope of shotgun lipidomics due to the lack of suitable analytical tools. The aim of my thesis was two‐fold. The first aim was the establishment of Glycosphingolipid identification and quantification by shotgun approach. This allowed us to perform lipidomic studies with unprecedented comprehensiveness (~300 lipid species from 15 different lipid classes) from low sample amounts and with minimal sample processing. The second was the application of this technology in studies of the role of lipids in several processes like vesicular carrier formation, cell polarization, protein delivery to the plasma membrane and viral budding. This work resulted in several findings. We found that there is sorting of sphingolipids and sterols into plasma membrane targeted vesicular carriers in budding yeast. When kidney cells change from a mesenchymal to an epithelial morphology there is a profound remodeling of their lipidome, with the synthesis of longer, more saturated, more hydroxylated, and more glycosylated sphingolipids. When these sphingolipids and sterols are depleted in epithelial cells, the apical transport in epithelial cells is impaired. These data strongly support the idea that lipid rafts play an important role in sorting and delivery of lipid and protein cargo to the plasma membrane. Finally, we found that the envelopes of vesicular stomatitis virus and Semliki forest virus assert little specificity in the incorporation of lipids from the plasma membrane. This weak specificity seems to be related to a combination of virus lipid bilayer asymmetry and curvature.

Bone healing involves a variety of different cell types and biological processes. Although certain key molecules have been identified, the molecular interactions of the healing progress are not completely understood. Moreover, a clinical routine for predicting the quality of bone healing after a fracture in an early phase is missing. This is mainly due to a lack of techniques to comprehensively screen for cytokines, growth factors and metabolites at their local site of action. Since all soluble molecules of interest are present in the fracture hematoma, its in-depth assessment could reveal potential markers for the monitoring of bone healing. Here, we describe an approach for sampling and quantification of cytokines and metabolites by using microdialysis, combined with solid phase extractions of proteins from wound fluids. By using a control group with an isolated soft tissue wound, we could reveal several bone defect-specific molecular features. In bone defect dialysates the neutrophil chemoattractants CXCL1, CXCL2 and CXCL3 were quantified with either a higher or earlier response compared to dialysate from soft tissue wound. Moreover, by analyzing downstream adaptions of the cells on protein level and focusing on early immune response, several proteins involved in the immune cell migration and activity could be identified to be specific for the bone defect group, e.g. immune modulators, proteases and their corresponding inhibitors. Additionally, the metabolite screening revealed different profiles between the bone defect group and the control group. In summary, we identified potential biomarkers to indicate imbalanced healing progress on all levels of analysis.

Die Phosphorylierung als posttranslationale Modifikation von Proteinen spielt bei Signalwegen in Zellen eine große Rolle. Für die Entschlüsselung des molekularen Mechanismus der circadianen Uhr ist es daher von Interesse, die Phosphorylierungsstellen beteiligter Proteine zu identifizieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Proteine Period I und II mittels Flüssigkeitschromatographie und Tandemmassenspektrometrie (LC-MS/MS) auf Phosphorylierungsstellen untersucht. Hierbei lag der Fokus auf der Verbesserung bestehender Methoden, um eine bessere und umfassendere Identifizierung der Phosphorylierungsstellen, insbesondere in Bezug auf mehrfach phosphorylierte Peptide, zu erreichen. Der Arbeitsablauf beinhaltete die Verwendung mehrerer Proteasen, um eine hohe Sequenzabdeckung des Proteins zu erreichen. Nach der Proteolyse wurden die Phosphopeptide mittels Titandioxid angereichert. Hierbei und bei der LC-MS/MS-Analyse wurde Citrat als Additiv verwendet, welches eine bessere Chromatographie multiphosphorylierter Peptide ermöglicht. Bei der MS/MS-Analyse wurden CID und ETD als Fragmentierungsmethoden eingesetzt. Es konnten durch diese Methodik 30 bzw. 42 Phosphorylierungsstellen an den Proteinen Period I und II identifiziert werden, von denen 26 bzw. 14 zuvor nicht beschrieben waren. Nach der qualitativen Identifizierung wurden quantitative Varianten der optimierten Analytik untersucht, um die biologische Funktion der gefundenen Phosphorylierungsstellen untersuchen zu können. Hierbei wurden das metabolische Labeling der Zellen mit 15N-stickstoffhaltigen Aminosäuren und die säurekatalysierte Isotopenmarkierung auf Peptidebene mit 18O-Sauerstoff untersucht. Mit einer optimierten Variante der säurekatalysierten Isotopenmarkierung mit 18O-Sauerstoff lassen sich die Carboxygruppen der Peptide in 5h 30min mit einer Rate von >97% 18O-Sauerstoff markieren. Mit dieser Methode können weitere funktionelle Untersuchungen der Phosphorylierung an den Period-Proteinen durchgeführt werden. / Protein phosphorylation, a posttranslational modification, plays an important role in signal cascades in cells. In order to understand the molecular mechanism of the circadian clock, it is thus of interest to identify the phosphorylation sites on proteins contributing to the system. During the work for this thesis, the proteins Period I and II were analyzed for phosphorylation sites with liquid chromatography and tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). Hereby the focus was on improving existing methods in order to better identify multi-phosphorylated peptides. In the workflow, the Period proteins were digested with several proteases in order to archive a high sequence coverage for analysis. After proteolysis the phosphopeptides were subsequently enriched with titanium dioxide. During phosphopeptide enrichment and reversed phase chromatography, citrate was used as an additive for a better chromatography and recovery of multiphosphorylated peptides. During LC-MS/MS analysis, CID and ETD were used as fragmentation mechanisms in the mass spectrometer. Using these methods, 30 and 42 phosphorylation sites could be identified on the proteins Period I and II, respectively, including 26 and 14 which were previously unpublished. In order to unravel the biological function of these phosphorylation sites, quantitative methods for the optimized LC-MS approach were investigated. This included the metabolic labeling of cells with amino acids containing 15N-nitrogen as well as acid catalyzed 18O-oxygen labeling on peptide level. The developed optimized variant of acid catalyzed 18O-oxygen labeling achieves an inclusion of 18O-oxygen at the peptide carboxy groups with a rate of >97% in 5h 30min. This method can be used for further investigation of the biological function of the phosphorylation on the Period proteins.

Ultraschalllevitation kombiniert die Vorteile von Mikrofluidik, wie beispielsweise die sehr geringe benötigte Probenmenge, mit einer wandlosen Probenhandhabung. Obwohl die Kopplung zwischen le- vitierten Tröpchen und verschiedenster analytischer Methoden wie optischer Spektroskopie und Röntgenbeugung sehr genau untersucht ist, fehlt es immer noch an einer etablierten Kopplung mit einer massenspektrometrischen Methode für die Analyse auf molekularer Ebene. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Prinzipien, auf denen eine kontaktlose massenspektrometrische Analyse von levitierten flüssi- gen Proben beruht. Zuerst wurde der neu entworfene akustische Levitator bezüglich des Einflusses seiner Geometrie auf die Levi- tationseigenschaften experimentell und mittels numerischer Simul- tationen untersucht. Die anschließend durch geführten Experimen- te demonstrieren das Potential von Infrarot-Lasern als kombinierte Desorptions- und Ionisationsquelle für organische Substanzen aus einer Mischung aus Wasser und Glycerin als Cromophor. Um einen tieferen Einblick in die hierbei ablaufenden Ionisationsmechanismen zu erhalten, wurde als Modell ein “Sonic-Spray” Konus räumlich per Massenspektrometrie und Laser-induzierter Fluoreszenz untersucht. Levitator-Geometrie auf die Levitationseigenschaften stimmen sehr gut mit numerischen Simulationen überein. Als komplementäre Ionisationsmethode wurde eine Niedertemperatur-Plasmaquelle ein- gesetzt. Nach einer zeitaufgelösten Untersuchung der grundlegenden Ionisationsmechanismen wurde diese Quelle für die Untersuchung flüchtiger Spezies aus der levitierten Probe in deren direkten Umgebung ohne störende Interferenzen ge- nutzt. / Ultrasonic levitation combines advantages of microfluidics like the required small sample volumes with a wall-less sample handling. While the coupling of analytical methods like optical spectroscopy as well as x-ray scattering are very well elaborated, an established mass spectrometric method to obtain molecular analytical information is still lacking. The herein presented work describes the fundamental processes for a contactless mass spectrometric analysis of levitated droplets. First, the influences of the specially designed levitator geometry on the levitation capabilities is described. During further experiments, the use of infrared lasers has proven useful as a combined desorption and ionization source for organic molecules from a mixture of water and glycerol as chromophore. Subsequently, sonic-spray ionization was used to gain a deeper understanding of the ionization processes occurring within the spray plume. Mass spectrometric mapping as well as laser-induced fluorescence were performed to investigate the ionization during an aerodynamic breakup of the micro droplets in the spray process. As a complementary sampling method, the ionization with a low- temperature plasma source is described. First, a time-resolved mass spectrometric investigation of the ionization process is shown. Sub- sequent to this fundamental study, the application of such a plasma source for the direct analysis of volatile compounds from within the droplets in the surrounding environment without interferences from the droplets bulk phase is described.

Das Hämagglutinin (HA) des Influenzavirus ist post-translational durch S-Acylierung von drei Cysteinen modifiziert. Zwei davon befinden sich in seiner zytoplasmatischen Domäne (CD) und enthalten Palmitat und eines am Cytosol-zugewandten Ende der Transmembranregion (TMR) wird bevorzugt mit Stearat acyliert. Es wird vermutet, dass entweder die Aminosäureumgebung der Acylierungsstelle oder dessen Lage relativ zur Membran bestimmt welcher Fettsäuretyp angeheftet wird. Diese Acylierungstellen sind zudem essentiell für die Virusreplikation. Ob auch andere Aminosäuren der CD essentiell sind, ist nicht bekannt. Nach einem umfangreichen Sequenzvergleich zur Identifikation konservierter Aminosäuren wurden rekombinante Viren mit Aminosäureaustauschen in der Nähe der drei Acylierungstellen hergestellt. Diese Austausche enthielten Punktmutationen, Verschieben des TMR Cysteins in die CD sowie die Deletion der gesamten CD. Viren ohne CD und ein Austausch neben einem acylierten Cystein verhinderten die Virusreplikation. Eine konservative Substitution derselben Position, andere Austausche in TMR und CD sowie das Schieben des TMR-Cysteins in die CD dagegen beeinflussten das Viruswachstum nur schwach. Einige der mutierten Codons revertierten zur ursprünglichen oder einer neuen Aminosäure. Rekombinante Viren wurden in MDCK-Zellen und embryonierten Hühnereiern vermehrt und mittels Massenspektrometrie analysiert. Es wurden keine unteracylierten Peptide detektiert, und selbst die zwei Letalmutationen behielten die Acylierung. Punktmutationen beeinträchtigten nur mäßig den Stearat-Gehalt, wogegen die Verlagerung des TMR-Cysteins in die CD die Stearylierung praktisch eliminierte. Mehr Stearat wurde angeheftet, wenn humane Viren in Säugerzellen im Vergleich zu aviären Zellen angezüchtet wurden. Die Position einer Acylierungsstelle repräsentiert relativ zur TMR-Spanne das Hauptsignal der Stearylierung während der Sequenzkontext und der Zelltyp das Fettsäuremuster modulieren. / Influenza virus’s hemagglutinin (HA) is post-translationally modified by S-acylation of three cysteines. Two are located in its cytoplasmic tail (CT) and contain palmitate and one at the end of the transmembrane region (TMR) is acylated primarily with stearate. It is hypothesized that either the acylation site’s amino acid environment or its location relative to the membrane determines which type of fatty acid is attached. Additionally, these acylation sites are essential for virus replication. Whether other amino acids in the CT are required for virus replication, is not known. Based on a comprehensive sequence comparison to identify conserved amino acids, recombinant viruses with amino acid substitutions in the vicinity of HA’s acylation sites were created. These substitutions included point mutations, shifting of a TMR cysteine to the CT and the deletion of the entire tail. The truncated tail mutation and a substitution adjacent to an acylated cysteine disabled virus replication. In contrast, a conservative substitution at this position, other exchanges in TMR and CT and moving the TMR cysteine to the CT had only subtle effects on virus growth. Yet, some of the mutated codons reverted to the original or other amino acids. Recombinant viruses were propagated in MDCK cells and embryonated chicken eggs and analyzed by mass spectrometry. No under-acylated peptides were detected, even the two lethal mutations did not abolish acylation. Point mutations only moderately affected the stearate content, while relocating the TMR cysteine to the CT virtually eliminated attachment of stearate. More stearate was attached if human viruses were grown in mammalian compared to avian cells. Hence, the location of an acylation site relative to the TMR represents the principal signal for stearate attachment, while the sequence context and the cell type modulate the fatty acid pattern.

Die von der caprotec bioanalytics GmbH entwickelte und vermarktete Capture Compounds Mass SpectrometryTM (CCMS-Technologie) ermöglicht die spezifische Isolierung und Identifizierung von Proteinen, basierend auf ihre gezielte Wechselwirkung mit kleinen trifunktionalen Moleküle (sog. Capture CompoundsTM). Dadurch wird sowohl eine Reduzierung der Komplexität zellulärer Proteingemische als auch eine Anreicherung niedrig abundanter Proteine erreicht. In der vorliegenden Arbeit erfolgte die Synthese von neuartigen Capture Compounds, die dazu dienen sollen, unterschiedliche biochemische Fragestellungen zu beantworten und das Anwendungsspektrum der CCMS-Technologie stark erweitern. / The Capture Compound Mass SpectrometryTM (CCMS-Technology) is a novel technology developed and marketed by caprotec bioanalytics GmbH. CCMS allows the isolation of sub-proteomes based on specific interactions of target proteins with synthetic small molecules, called Capture Compounds (CCs). In this way, CCMS affords the functional reduction of complex protein mixtures that derived from e.g. cell lysates, and the enrichment and identification of low abundant proteins. In the present work, the synthesis of different novel Capture Compounds that helps studying different biological problems and overcoming present technological limitations of CCMS is described.

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.

With only two ingredients, atomic nuclei exhibit a rich structure depending on the ordering of the different proton- and neutron-occupied states. This ordering can give rise to excited states with exceptionally long half-lives, also known as isomers, especially near shell closures. On-line mass spectrometry can often be compromised by the existence of such states that may even be produced in higher proportion than the ground state. This thesis presents the first results obtained from a nuclear spectroscopy setup coupled with the high-resolution Penning-trap mass spectrometer ISOLTRAP, at CERN’s radioactive ion beam facility ISOLDE. The isomerism in the neutron-deficient thallium isotopes was investigated. The data on 184,190,193−195 Tl allow an improvement of existing mass values as well as a mass-spin-state assignment in 190,193,194 Tl. Due to the presence of the ground and isomeric state for 194 Tl the excitation energy of the latter was determined for the first time experimentally. Systematic trends in the vicinity of the Z = 82 shell closure have been discussed.

Quantitative Untersuchungen krankheitsspezifischer oder krankheitsassoziierter metabolischer Signaturen in humanen Körperflüssigkeiten („Clinical Metabolomics“) haben zum Ziel neue Ansätze für diagnostische oder therapeutische Konzepte zu entwickeln. Die simultane quantitative Analytik von Aminosäuren (AS) und Acylcarnitinen (AC) mittels Tandem-Massenspektrometrie (MS/MS) ermöglicht die Erfassung wichtiger Stoffwechselwege des humanen Metabolismus. Hierzu zählen der Stoffwechsel der ketogenen AS, des Harnstoffzyklus oder der β-Oxidation langkettiger Fettsäuren. Allerdings wird die Konzentration der verschiedenen metabolischen Parameter in humanen Körperflüssigkeiten durch eine Vielzahl präanalytischer in vitro Störfaktoren und in vivo Einflussgrößen beeinflusst. Diese können zu signifikanten Veränderungen der Laborergebnisse führen. Im Rahmen meiner Promotionsarbeit wurden in vitro Störfaktoren (Probenmaterial, Lagerung u. a.) und in vivo Einflussgrößen (Ernährung, physische Aktivität) untersucht und ein standardisiertes Präanalytik-Protokoll entwickelt. Dazu wurden pro Probe 3 µL Trockenblut (TB), 10 µL Serum oder Plasma nach Butylierung mittels Elektrospray-Ionisations-MS/MS analysiert und jeweils 26 AS und 35 AC in 1,5 Minuten simultan bestimmt. Als Ergebnis der zahlreichen systematischen Präanalytik-Untersuchungen konnten signifikante Konzentrationsunterschiede der Metabolite zwischen kapillärer und venöser Blutentnahme sowie in Abhängigkeit des Hämatokrits gefunden werden. Im Vergleich zu Serum und antikoaguliertem Plasma (EDTA, Citrat, Heparin) waren die Konzentrationen der langkettigen AC im TB 5-fach höher. Nahrungsaufnahme und körperliche Aktivität führten ebenfalls zu signifikanten Veränderungen der AS- und AC-Konzentrationen. Durch Optimierung des Probenaufarbeitungsprotokolls konnte die Variabilität zwischen den Messtagen für 17 AS und 6 AC auf < 20 % gesenkt werden. Die Ergebnisse meiner Promotionsarbeit unterstreichen den Einfluss präanalytischer Faktoren auf die Metabolomanalytik. Durch Etablierung und Einhaltung standardisierter präanalytischer Protokolle kann die präanalytische Varianz der Ergebnisse deutlich verringert werden. Sie stellen somit eine wichtige Voraussetzung für eine qualitativ hochwertige Metabolomanalytik im Rahmen klinischer Studien zur Identifizierung neuer Biomarker dar.

Die Strukturen der Erdalkalimetall-Subnitride (EA2N) von Calcium, Strontium und Barium ermöglichen mit ihrem schichtartigen Aufbau aus EA6N-Oktaedern Intercalationsreaktionen. Die Redox-Intercalation von Stickstoff in Sr2N wurde an Einkristallen untersucht. Nur durch eine drastische Erhöhung des Reaktionsgasdruckes im Vergleich zu den Reaktionen an mikrokristallinen Proben wurde die Intercalation der Diazenidionen in die Kristalle zu Sr4N3 und SrN möglich. Für eine analoge Intercalation von Wasserstoff in Sr2N konnten die Reaktionsbedingungen dahingehend optimiert werden, dass erstmals phasenreines Strontiumnitridhydrid (Sr2N)H bzw. deuterid (Sr2N)D erhalten wurde. Anhand von Intercalationsreaktionen mit Sr2N Kristallen konnte gezeigt werden, dass der Intercalationsprozess, erkennbar an der deutlichen Farbänderung von schwarz nach bersteinfarben, von außen nach innen fortschreitet. Als Methode zur räumlich aufgelösten Analyse wurde die Laserablation, in Kombination mit einem ICP - Massenspektrometer (LA-ICP-MS) verwendet. In der Literatur beschriebene Quantifizierungsstrategien wurden auf die Anwendbarkeit für die gegebene Fragestellung untersucht. Mit der ortsaufgelösten Analyse von Einkristallen konnte gezeigt werden, dass die Intercalation von Stickstoff in die Kristalle kontinuierlich von den Kanten zur Kristallmitte fortschreitet.