This work is the result of evaluating a novel strategy for the purification of recombinant His-tagged proteins. Proteins purified in this study were the E. coli translational proteins IF-3, RF-1, and RFF. The study aimed to analyse the potential of using Bio-Works WorkBeads™40 TREN, a multimodal anion ion exchange chromatography resin, as a pretreatment step upstream an immobilized metal ion chromatography (IMAC) resin to enhance performance efficiency of His-tagged protein purification. The method demonstrated here shows potential for anyone seeking to increase the purity of His-tagged protein purification or to introduce an effective purification procedure by replacing a polishing step downstream IMAC with WorkBeads 40 TREN upstream IMAC. The latter contributing to guard the IMAC column from heavy bioburden. This study showed that running WorkBeads 40 TREN prior IMAC captures impurities and removes 97-98 % more dsDNA compared to direct IMAC. WorkBeads 40 TREN is therefore highly advantageous to include early in a purification process to remove protein binding DNA fragments. Moreover, WorkBeads 40 TREN increases purity in the final product by capturing more host cell proteins than when running direct IMAC. This concept is general and WorkBeads 40 TREN could be used upstream a variety of resins such as Protein A and RPC.

The present thesis concerns theoretical studies of molecular interactions investigated by infrared and X-ray spectroscopic techniques, with emphasis on using the two technologies combined in pump probe experiments. Three main types of studies are addressed: the use of near-edge X-ray absorption fine structure spectra (NEXAFS) to manifest through-bond and through-space interactions; the role of hydrogen bonding on the formation of X-ray photoelectron spectra as evidenced by simulations of the water dimer; and the development of theory, with sample applications, for infrared X-ray pump probe spectroscopy - the main theme of the thesis. Ab initio calculations indicate that NEXAFS spectra give direct information about the through-bond and through-space interactions between vacant non-conjugated π* orbitals. It is found that the X-ray photoelectron spectrum of the water dimer differs strongly from the monomer spectrum in that two bands are observed, separated by the chemically shifted ionization potentials of the donor and the acceptor. The hydrogen bond is responsible for the anomalously strong broadening of these two bands. The studies show that X-ray core electron ionization of the water dimer driven by an infrared field is a proper technique to prove the proton transfered state contrary to conventional X-ray photoelectron spectroscopy. Our simulations of infrared X-ray pump-probe spectra were carried out using wave packet propagation techniques. The physical aspects of the proposed new X-ray spectroscopic method - phase sensitive Infrared - X-ray pump probe spectroscopy - are examined in detail in two sample applications - on the NO molecule and on the dynamics of proton transfer in core ionized water dimer. It is found that the phase of the infrared pump field strongly influences the trajectory of the nuclear wave packet on the ground state potential. This results in a phase dependence of the X-ray pump probe spectra. A proper choice of the delay time of the X-ray pulse allows to directly observe the X-ray transition in the proton transfered well of the core excited potential. / QC 20101125

År 2020 listade Världshälsoorganisationen (WHO) cancer som den globalt ledande dödsorsaken med över 10 miljoner dödsfall årligen. Av dessa 10 miljoner fall förekommer nästan 70% i låg- till medelinkomstländer - en siffra som på grund av den låga prioriteringen av cancerbehandling- och diagnostik förväntas öka till 85% redan år 2030. Att utveckla enkla, specifika och prisvärda verktyg för diagnostik kommer därför att bli avgörande för förebyggandet av cancer på en global nivå. För att komma ett steg närmare denna utveckling optimerades och testades i denna studie ett mikrofluidiskt system, utvecklat genom layer-bylayer- metoden, baserat på cellulosa nanofibriller med förmågan att isolera och fånga cirkulerande tumörceller. För att uppnå en termodynamisk jämvikt optimerades systemets hydrodynamiska parametrar optimerades för att uppnå en homogen fördelning med hög densitet av det cellulosa-baserade systemet i det mikrofluidiska chippet. Då jämvikt är grundläggande för att maximera det efterföljande beläggningen av antikroppar, och därmed hur effektivt celler isoleras, modifierades parametrar såsom koncentration, flödeshastighet, inkubationstid med fler tills att önskad effekt uppnåtts. Således koncepttestades systemet genom att fånga celler spetsade i blod och därmed demonstrera att systemet kan användas i syfte att isolera cancerceller från blodprov. Detta öppnar upp för utveckling av liknande diagnostiska verktyg som kan användas för att isolera lågfrekventa celler direkt från blod. / In 2020, the World Health Organization (WHO) listed cancer as the leading cause of death worldwide, reaching a staggering number of 10 million cancer-related deaths annually. Of these 10 million deaths, nearly 70% occurred in low- and middle-income countries; a number that is expected to increase to 85% by 2030 due to the lack of resources as well as low priority of the development of cancer treatment and diagnosis. Hence, the development of a sophisticated, specific and affordable diagnostic tool will be crucial for global cancer prevention and control. In this study, a cellulose nanofibril-based Layer-by-Layer system for immuno-capture of tumour cells in a microfluidic device was optimized and tested for the development of a simple and cost-effective diagnostic tool for use in resource-limited areas. In the pursuit of a thermodynamic equilibrium, the hydrodynamic parameters of the system were optimized to achieve a homogeneous distribution with a high surface density of the cellulose-based system across the microfluidic channels. Since an equilibrated system is essential to maximize the antibody coating, and thereby cell capture efficiency, parameters including but not limited to concentration, flow rate and incubation time were altered until a desired effect had been achieved. Thus, as proof-of-concept, the system was tested by capturing cancer cells spiked into whole blood, thereby demonstrating that the system can be utilized for the purpose of isolating cancer cells from blood samples. This paves the way for the development of similar clinical diagnostic tools for the isolation of rare cells directly from whole blood.

Designade ankyrinupprepningsproteiner (DARPiner) är små, mycket stabila antikroppsmimetiska proteiner. I det här projektet användes anti-EpCAM-DARPiner tillsammans med mikrofluidik för att avgära om de kunde fånga upp HCT116-celler mer effektivt än anti-EpCAM-antikroppar. Ytorna på insidan av mikroffluidikkanaler förändrades genom bindning av N-γ-maleimidobutyryl-oxysuccinimidester (GMBS) och merkaptopropyltrietoxysilan (MPTES) för anti-EpCAM-antikroppar och GMBS och (3-aminopropyl)trietoxysilan (APTES) för DARPiner. Båda kanaltyperna testades genom inflöde av cancerceller och helblod blandat med cancerceller. Ingen effektiv och konsekvent celluppfångst åstadkoms trots att det visades att antikropparna och DARPinerna kunde binda till cellerna direkt och att test med fluorescenta DARPiner och antikroppar visade att ytförändringskemin var fungerande. Slutsatsen blev att de mest troliga orsakerna till misslyckandena var att ytförändringskemin påverkade proteinernas bindningsförmåga negativt eller att proteinerna bands till kanalernas yta i fel riktning. DARPiner är fortfarande intressanta för tillämpningar inom mikrofluidik, men vidare förbättring av det experimentella protokollet behövs. / Designed ankyrin repeat proteins (DARPins) are small and highly stable antibody mimetics. In this project, anti-EpCAM DARPins were used in conjunction with microfluidics to determine if they could capture HCT116 cells more effectively than anti-EpCAM antibodies. The inside surfaces of microfluidic chips were modified using N-γ-maleimidobutyryl-oxysuccinimide ester (GMBS) and mercaptopropyltriethoxysilane (MPTES) for anti-EpCAM antibodies, and surface modifications for anti-EpCAM DARPins were made using GMBS and (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES). Both chip types were tested using cancer cells and whole blood mixed with cancer cells. No effective and consistent cell capture was achieved, despite the antibodies and DARPins being shown to be able to bind to the cells directly and tests with fluorescently labelled DARPins and antibodies showing that the surface modification chemistry used was functional. It was concluded that the most likely causes of the failures were surface modifications interfering with the binding ability of the proteins, or improper orientation of the bound proteins. The DARPin remains a protein of interest for microfluidic applications, but further changes and optimisation of the experimental protocol is necessary.

Pentameriska ligandstyrda jonkanaler (pLGICs) är avgörande för omvandlingen av kemisk till elektrisk signalöverföring i djurs nervsystem. Dysfunktion i dessa kanaler har visat sig vara kopplad till flera sjukdomar inklusive epilepsi, schizofreni, Alzheimers och autism, vilket gör dem till en måltavla för en mängd olika läkemedel. Att studera eukaryota kanaler är dock mycket utmanande, så upptäckten av prokaryota homologer, som är mycket lättare att studera, har därmed bidragit mycket till förståelsen för struktur och funktion hos proteiner i denna familj. I detta projekt producerades och renades en prokaryotisk pLGIC kallad DeCLIC från Escherichia coli. Strukturell bestämning av kanalen genomfördes med användning av kryo-elektronmikroskopi vid lågt pH och i närvaro av kalcium. En elektrontäthet med 3.4 Å upplösning uppnåddes och jämfördes med tidigare bestämda strukturer vid olika förhållanden i ett försök att bestämma hur proteinets struktur moduleras av kalcium och pH. Resultaten visar flera skillnader i kanalens konformation i närvaro och frånvaro av kalcium såväl som vid olika pH-värden. Dessutom antyder analys av den bestämda elektrontätheten ett möjligt intermediärt tillstånd vid lågt pH i närvaro av kalcium. / Pentameric ligand-gated ion channels (pLGICs) are crucial for the conversion of chemical to electrical signaling in the nervous system of mammals. Dysfunction in these channels has been found to be connected to several diseases including epilepsy, schizophrenia, Alzheimer’s, and autism, making them the target of a wide variety of therapeutic agents. However, studying eukaryotic channels is challenging so the discovery of prokaryotic homologs that are much easier to study has thus greatly helped in the understanding of the structure and function in this family of proteins. In this project, a prokaryotic pLGIC called DeCLIC was produced and purified from Escherichia coli. Structural determination of the channel was pursued using cryo-electron microscopy at a low pH and in the presence of calcium. An electron density at 3.4 Å resolution was achieved and compared to previously determined structures at different conditions in an attempt to determine the structural modulation of calcium and pH. Results show multiple differences in channel conformation in the presence and absence of calcium as well as in different pH conditions. Furthermore, analysis of the determined electron density suggests a possible intermediate state at low pH in the presence of calcium.

Cardiac hypertrophy is when heart muscles thicken as an adaptive response to several stimuli. Prolonged pathological cardiac hypertrophy can lead to heart failure and severe cardiovascular diseases. Scientists have faced challenges in studying cardiac hypertrophy due to the lack of human cardiomyocytes available. Recently, hypertrophic model using human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes was introduced. In this study, expression profiles of in vitroendothelin-1 induced cardiac hypertrophy model were investigated at different time points. The study aimed to examine molecular pathways associated with cardiac hypertrophy, identify biomarker candidates for cardiac hypertrophy, and investigate if there were known pharmaceuticals that putatively are targeting the suggested candidate biomarkers. Using the Ingenuity pathway analysis (IPA) software, GRM1, NPPA, and STC1 gene were identified as biomarker candidates for cardiac hypertrophy model across all time points. More biomarker candidates unique to the cardiac hypertrophy-stages were also identified using IPA. In vivomicroarray data of hypertrophied heart profiles were also used to compare to the in vitro data and preliminarily validate the gene candidates identified by IPA. Four genes were identified by IPA and were presented in the in vivo data. IPA also revealed the in activation of specific pathways of the early-stage cardiac hypertrophy model. The result suggested that the molecular mechanisms of the in vitro cardiac hypertrophy model did not fully represent the actual hypertrophic condition of the heart. More research and validation are required to understand the underlying mechanism fully and potentially, in the future, utilize the identified genes as cardiac hypertrophy biomarkers.

Följande studie behandlar utvecklandet av automatiserade cellsegmenteringsmodeller med avsikt att identifiera gränser mellan celler i hjärtvävnad. Syftet är att möjliggöra analys av data genererad från multiplexed error-robust in situ hybridization (MERFISH). MERFISH är en spatial transcriptomics-teknik som till skillnad från exempelvis single-cell RNA sequencing (ScRNA-seq) och single molecule fluorescence in situ hybridization (smFISH), möjliggör profilering av hundratals RNA-sekvenser hos enskilda celler utan att förlora dess rumsliga kontext. I Kosuri laboratoriet på Salk Institute of Biological Studies i San Diego tillämpas MERFISH på mushjärtan. Syftet är att få en djupare insikt i hur celler är organiserade i friska hjärtan, och hur denna struktur ändras i och med åldring och sjukdom. Att extrahera meningsfull information från MERFISH medför dock en betydande utmaning - en exakt cellsegmentering. Studien bidrar följaktligen till utvecklandet av segmenteringsmodeller för att kringgå de utmaningar som står i vägen för all efterföljande analys. Då klassiska segmenteringsalgoritmer är otillräckliga för att segmentera den komplexa vävnad som hjärtat utgörs av, tillämpades några av dagens mest avancerade och framstående maskininlärningsalgoritmer inom fältet, kallade Cellpose och Omnipose. Givet den täta och heterogena hjärtvävnaden, som härstammar från en bred distribution av celltyper och geometrier, utvecklades två separata modeller; en för att täcka både mindre celler och kardiomyocyter skurna på tvärsnittet; och en för att enbart segmentera kardiomyocyter skurna i longitudinell riktning. Den förstnämnda modellen utvecklades och tränades i Cellpose, och uppnådde en träffsäkerhet på 91.2%. Modellen för longitudinella kardiomyocyter utvecklades istället både i Cellpose och Omnipose för att utvärdera vilket nätverk som är bäst lämpat för ändamålet. Ingen av nätverken lyckades uppnå en tillräckligt hög träffsäkerhet för att vara applicerbar, och är därmed i behov av fortsatt träning. Modellen genererad i Omnipose bedöms dock vara mest lovande, givet dess mer heltäckande segmentering. Ytterligare utvecklingsområden för framtiden innefattar segmentering av celler i fibros-täta regioner, samt att utveckla en 3D-segmentering av hela hjärtat för att uppnå en mer komplett MERFISH-analys. Sammanfattningsvis har de genererade segmenteringsmodellerna banat väg för möjliggörandet av en rigorös MERFISH-analys av hjärtat. Genom att avslöja några av de strukturella och funktionella orsakerna till hjärtsvikt på en cellulär nivå, kan vi således på sikt bidra till utvecklingen av mer effektiva terapeutiska strategier. / The following study delves into the development of automated cell segmentation models, with the intention of identifying boundaries between cells in the cardiac tissue for analysing spatial transcriptomics data. Addressing the limitations of alternative techniques like single-cell RNA sequencing (ScRNA-seq) and single molecule fluorescence in situ hybridization (smFISH), the study underscores the innovative use of multiplexed error-robust fluorescence in situ hybridization (MERFISH) deployed by the Kosuri Lab at Salk Institute for Biological Studies. This advanced imaging-based technique allows for a single-cell transcriptome profiling of hundreds of different transcripts while retaining the spatial context of the tissue. The technique can accordingly reveal how the organization of cells within a healthy heart is altered during disease. However, the extraction of meaningful data from MERFISH poses a significant challenge - accurate cell segmentation. This thesis therefore presents the development of a robust model for cell boundary identification within cardiac tissue, leveraging some of the advanced supervised machine learning algorithms in the field, named Cellpose and Omnipose. Due to the dense and highly heterogeneous tissue- stemming from a wide distribution of cell types and shapes- two separate models had to be developed; one that covers the smaller cells and the cross-sectioned cardiomyocytes, and correspondingly one to cover the longitudinal cardiomyocytes. The cross-section model was successfully developed to achieve an accuracy of 91.2%, whereas the longitudinal model still needs further improvements before being implemented. The thesis acknowledges potential areas for improvement, emphasizing the need to further improve the segmentation of longitudinal cardiomyocytes, tackle the challenges with segmenting cells within fibrotic regions of the diseased heart, as well as achieving a precise 3D cell segmentation. Nonetheless, the generated models have paved the way towards enabling efficient downstream MERFISH analysis to ultimately understand the structural and functional dynamics of heart failure at a cellular level, aiding the development of more effective therapeutic strategies.

En ökad utbredning av vankomycinresistenta enterokocker (VRE) har setts i Sverige sedan 2007. Bakteriemi orsakad av VRE är mycket svårbehandlad, varför snabbare tillförlitlig resistensdiagnostik är betydelsefullt för att minska dödlighet, vårdtider, vårdkostnader och belastning på sjukvårdssystemet. På mikrobiologilaboratoriet, Region Jönköpings län (RJL), tar idag identifiering av fenotypisk vankomycinresistens vid optimala förhållanden 6 timmar, räknat från att enterokocker konstaterats växa i blodet. Resistensgenerna vanA och vanB, som bland andra orsakar vankomycinresistens hos enterokocker, kan genetiskt verifieras med loop-mediated isothermal amplification men tar idag upp till ett dygn då bakteriekolonier används som analysmaterial i arbetsrutinen på molekylärbiologilaboratoriet, RJL. Syftet med studien var att utvärdera bakteriepellet som analysmaterial för genetisk identifiering av vanA och vanB, på Genie® II Mk2 med eazyplex® VRE basic, hos enterokocker från positiva blododlingar. För att utvärdera bakteriepellet som analysmaterial analyserades isolat av Enterococcus faecium (n=17) och Enterococcus faecalis (n=5) från bakteriepellets tillverkade från simulerade positiva blododlingar med eazyplex® VRE basic på Genie® II Mk2, varpå resultaten jämfördes mot isolatens faktiska närvaro/frånvaro av vanA/vanB. Samstämmigheten av de uppmätta- och de förväntade resultaten var fullständig, vilket indikerar att bakteriepellet med hög tillförlitlighet kan användas som analysmaterial till eazyplex® VRE basic för att påvisa vanA och vanB hos enterokocker i blododlingar. / An increased prevalence of vancomycin-resistant enterococci (VRE) has been observed in Sweden since 2007. Treating bacteremia caused by VRE is difficult, which is why faster, and reliable resistance diagnostics are important. At the Microbiology laboratory, Region Jönköping County, the identification of phenotypic vancomycin resistance under optimal conditions takes 6 hours from when growth of enterococci in blood is determined. The genes vanA and vanB, which among others cause vancomycin resistance, can be genetically verified by loop-mediated isothermal amplification, but takes up to one day since bacterial colonies are used as analysis material. The aim of the study was to evaluate bacterial pellet as an analytical material for genetic identification of vanA and vanB, on Genie® II Mk2 with eazyplex® VRE basic, in enterococci from positive blood cultures. To evaluate the bacterial pellet, isolates of Enterococcus faecium (n=17) and Enterococcus faecalis (n=5) from bacterial pellets made from simulated positive blood cultures were analyzed with eazyplex® VRE basic on the Genie® II Mk2, and the results were compared to the actual presence/absence of vanA/vanB in the isolates. The complete coherence between the expected and measured results indicates that the bacterial pellet can be used as an analytical material for eazyplex® VRE basic.

Enzymes are useful tools as specific analytical reagents. Two different analysis methods were developed for use in the separate fields of protein science and organic synthesis. Both methods rely on the substrate specificity of enzymes. Enzyme catalysis and substrate specificity is described and put in context with each of the two developed methods. In paper I a method for C-terminal peptide sequencing was developed based on conventional Carboxypeptidase Y digestion combined with matrix assisted laser desorption/ionization mass spectrometry. An alternative nucleophile was used to obtain a stable peptide ladder and improve sequence coverage. In paper II and III, three different enzymes were used for rapid analysis of enantiomeric excess and conversion of O-acylated cyanohydrins synthesized by a defined protocol. Horse liver alcohol dehydrogenase, Candida antarctica lipase B and pig liver esterase were sequentially added to a solution containing the O-acylated cyanohydrin. Each enzyme caused a drop in absorbance from oxidation of NADH to NAD+. The conversion and enantiomeric excess of the sample could be calculated from the relative differences in absorbance. / QC 20101108

Natrium-kaliumpumpen spelar en väsentlig roll i en rad fysiologiska funktioner då den upprätthåller den elektrokemiska gradienten över cellmembranet. Ytterligare så är störningar i dess funktion associerade med flera neurologiska sjukdomar. Proteinet är en heterodimer av α– och β–subenheter, ibland även associerat med en tredje γ (FXYD) subenhet, vilket gör det problematiskt att studera dess högre ordningens organisation i cellmembranet med hjälp av konventionella, relativt storskaliga inmärkiningsprober såsom antikroppar. Inkorporering av icke-kanoniska aminosyror är ett nyutvecklat och växande område som erbjuder en lösning. Genom CuAAC– och SPIEDAC–klickkonjugationsreaktioner kan organiska färgämnen (fluoroforer) snabbt och specifikt fästas i sidokedjor med motsvarande reaktiva grupper på jonpumpen, vilket skapar en liten och icke-invasiv inmärkningsprob för fluorescensmikroskopi. För att specifikt studera alla tre subenheter samtidigt krävs inmärkning med tre olika fluoroforer). Syftet med detta projekt var att lyckas med trefärgsinmärkning genom inkorporering av icke-kanoniska aminosyror, och därigenom underlätta studerandet av hur natrium-kaliumpumpens subenheter ordnar sig i cellmembranet. Transient transfekterade HEK293T-celler med membraninmärkta jonpumpar studerades med hjälp av fluorescensmikroskopi, vilket kompletterades med gelfluorescensavbildning och immunoblotting. Samtidigt gjordes proteinuttryck och tvåfärgsinmärkning av alla nonsenskodonmuterade subenheter i kombination med varandra och var synlig i proteingel, där endast α och β tidigare hade samuttryckts. α/γ parinmärkning visade sig framgångsrik när de samtransfekterades med β av vildtyp. En autofluorescenseffekt i en av färgkanalerna påverkade resultaten för mikroskopin. Trefärgsinmärkning observerades inte i gelen, och uttrycket av subenheterna (varav α var ersatt för detta experiment) var i stort sett obefintligt. Otydlighet består därmed huruvida trefärgsinmärkning eller trippelsamuttryck är möjligt med de bioortogonala translationssystemen som användes i detta projekt på jonpumpen. / Na+/K+-ATPase is an essential ion pump protein in a host of physiological functions as it maintains the electrochemical gradient across cell membranes. Additionally, its dysfunction is implicated in several neurological diseases. The protein is a heterodimer of α and β subunits, occasionally associated with a third γ (FXYD) subunit, which makes studying its higher order organization in the cell membrane difficult using conventional, relatively large scale labeling probes such as antibodies. Non-canonical amino acid incorporation is an emerging field which offers a solution. Via CuAAC and SPIEDAC click conjugation reactions, organic fluorophores can be specifically attached to the side chains of residues of the ion pump with corresponding reactive moieties, creating a small and noninvasive probe for fluorescence microscopy imaging. In order to specifically image all three subunits concurrently, three color labeling is required. The objective of this project was to achieve three color labeling via non-canonical amino acid incorporation to aid in the study of the cell membrane localization of the subunits of Na+/K+-ATPase. Fluorescence microscopy of transiently transfected and live cell labeled HEK293T cells was complemented by in gel fluorescence imaging and immunoblotting. Coexpression and two color labeling of all nonsense codon subunit mutants in combination was shown in gel, of which only α and β had previously been coexpressed. α/γ dual labeling proved successful when cotransfected with wild type β. An autofluorescent effect in one of the color channels compromised the microscopy results. Three color labeling was not observed in gel, and expression of the subunits (including a substitute for α) was middling to absent. It remains unclear whether three color labeling or triple coexpression is a possibility with the bioorthogonal translation systems used in this project.