Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Techn. Hochsch., Diss., 2005--Aachen.

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Darmstadt.

Univ., Diss., 2004--Frankfurt (Main)

The present work demonstrates how a peptide-based material can be obtained for the biosorptive recovery of metals from contaminated industrial wastewater. Starting with Phage surface display for the initial identification and optimization of gallium-binding peptides, all the following application-focussed experiments are based on chemically synthesized peptides. Two chromatography-based biopanning methods for the identification of gallium-binding peptides from a commercial phage display library were developed. Five gallium-binding peptide sequences were identified and evaluated to show good gallium-binding properties. Furthermore, the biosorption of free gallium and arsenic by gallium-binding bacteriophage clones was investigated. A large influence of the pH-value on the respective interactions was demonstrated. Mutagenesis experiments were also carried out for a bacteriophage clone expressed peptide, in which a cysteine pair systematically replaced amino acids. Biosorption experiments with the resulting seven different bacteriophage mutants suggested a relationship between the rigidity of the peptide structure and the gallium-binding properties. In isothermal titration experiments, the thermodynamics of the interaction between gallium and the peptides as chemically synthesized derivatives were characterized, independent of the bacteriophage. The peptides differed strongly in their interaction with gallium, and in some cases, the complex formation with gallium depended strongly on the surrounding buffer conditions. The peptide with the amino acid sequence NYLPHQSSSPSR has particularly promising gallium-binding properties. Computer modeling suggests the probable structure of the peptide in aqueous solution and postulates a possible binding site for gallium. The side-selective and covalent immobilization of the peptides on a polystyrene matrix led to the creation of a biocomposite for the biosorptive recovery of gallium. The sorption performance and desorbability of the peptide-based biosorption materials were determined in studies with model solutions and real waters from the semiconductor industry.  :EIDESSTATTLICHE VERSICHERUNG II SUMMARY 7 CHAPTER I. 8 Utility of biotechnological approaches in resource technology 9 Phage Surface Display for the recovery of inorganic binding peptides 14 Gallium – Example of a high-tech metal 22 Aims and context of the present work 22 CHAPTER II. 25 Author contributions 25 Abstract 25 Introduction 26 Materials and Methods 28 2.1 Phage Display Library system 28 2.2 Biopanning experiments 29 2.3 Single clone identification 31 2.4 Single clone binding studies 31 Results 32 3.1 Immobilization of gallium ions 32 3.2 Biopanning experiments 33 3.3 Single clone binding studies 38 Discussion 39 4.1 Gallium ions as biopanning target 39 4.2 Phage clone selection 40 Conclusion 44 Acknowledgements 45 CHAPTER III. 46 Author contributions 46 Abstract 47 Introduction 47 Materials and Methods 49 2.1 Handling of phage display library clones 49 2.2 Site-directed mutagenesis experiments 50 2.3 Biosorption experiments 51 Results and Discussion 52 3.1 Experimental context 52 3.2 Original phage clone characterization 53 3.3 Site-directed mutagenesis experiments 56 3.4 Mutant phage clone characterization 57 Conclusions 59 Acknowledgements 60 CHAPTER IV. 61 Author contributions 61 Textual and graphical abstract 62 Introduction 63 Methods 65 2.1 Peptides 65 2.2 Isothermal titration microcalorimetry (ITC) 65 2.3 Preparation of peptide conjugates 65 2.4 Biosorption studies 66 2.5 Model calculation of peptide C3.8 67 Results and Discussion 68 3.1 Interaction studies of free peptides in solution 68 3.2 Biosorption studies with peptide polystyrene conjugates 71 3.2.1 Covalent and site-selective immobilization of peptides 71 3.2.2 Interaction of peptide conjugates with gallium 72 3.2.3 Interaction of peptide conjugates with arsenic 73 3.2.4 Continuous experiments 73 3.3 Model calculation for peptide C3.15 75 Counclusion 76 Acknowledgment 77 CHAPTER V. 78 Obtained insights for the selection of metal-binding peptides in biopanning experiments 79 Conclusions for the development of peptide-based materials for the biosorptive recovery of metal ions from aqueous solutions 81 REFERENCES 85 APPENDIX 94 SUPPORTING INFORMATION FOR CHAPTER IV 94 LIST OF FIGURES 99 LIST OF TABLES 100 LIST OF ABBREVIATIONS 101 LIST OF CHEMICALS 104 ACKNOWLEDGEMENTS 106 CURRICULUM VITAE 109 LIST OF PUBLICATIONS 111

Therapeutische Erfolge von IVIG sind gut dokumentiert, aber die zu Grunde liegenden molekularen Mechanismen sind noch nicht vollständig erforscht. Molekulare Analysen unseres Labors über die Interaktion von IVIG mit Fabs von Patienten, die an einer autoimmunen Thrombozytopenie (ITP) leiden zeigten, dass die am häufigsten selektierten Fab von den V3-23 und V3-30 VH-Keimbahngenen abstammten. Eine weitere Studie mit IgG und IgM Phagen-Display Bibliotheken von einem gesunden Spender zeigten ebenfalls eine bevorzugte Reaktivierung von IVIG mit Fabs vom Ursprung der V3-23 und V3-30 Gene. Es konnte gefolgert werden, dass diese Interaktion von IVIG mit Fabs von diesen zwei VH-Genen weder alleine auf den Gesundheitsstatus des Spenders zurückzuführen war, noch auf eine zuvor erfolgte Behandlung mit IVIG. Diese Dissertation wurde unter Verwendung der Phagen-Display Technologie unternommen, um die molekulare Interaktion von IVIG mit Antikörpern zu erforschen, die von einem Patienten kloniert wurden, der an einem systemischen Lupus erythematodes und rheumatischem Fieber leidet. Die Resultate waren mit den früheren Studien zu vergleichen, insbesondere mit den Daten eines Patienten, der zu der ITP einen Lupus entwickelte. 23 Fabs, welche 7 unabhängige Klone repräsentierten, wurden isoliert. Im Gegensatz zu von Patienten mit ITP abstammenden Klonen reagierte keines von den in dieser Studie selektierten Fabs mit Thrombozyten. Die über IVIG gebundene Fab-Phagen stammten hierbei ausschließlich von den V3-23 und V3-30 VH-Genen ab. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass von diesen Fabs verschiedene CDR3 Regionen einschließlich verschiedenen D- und JH-Gensegmenten benutzt wurden. Die Ergebnisse zeigten weiterhing, dass die Bindung von IVIG an die Fabs unabhängig von der Leichten Kette war. Ihrem Keimbahngen-Ursprung entsprechend hatten die Fabs Aminosäuren an Positionen in den FR1, FR3 und im 3'-Ende von CDR2, die dafür bekannt sind, dass sie für die Bindung des B-Zell-Superantigens Staphylococcus Protein A (SpA) essentiell sind. Es wurde gezeigt, dass sich zwar einige von den Fabs stark an SpA banden, aber keine Korrelation in der Intensität zur Bindung mit IVIG vorlag. Einige Fabs zeigten eine schwache Bindung an HIV gp120, einem anderen B-Zell-Superantigen. Zusammenfassend lässt sich aus der vorliegenden Studie und den vorherigen Ergebnissen schließen, dass ein Anteil von IVIG wie ein B-Zellen Superantigen funktionieren könnte, das für die Bildung und Regulation des normalen B-Zellen Repertoires wichtig ist. Der Bindungsmechanismus scheint ähnlich, aber nicht identisch mit dem der anderen getesteten B-Zellen-Superantigene zu sein. / The beneficial therapeutic effects of IVIG are well documented, but the underlying molecular mechanisms are not fully understood. Recent investigations from our laboratory into the molecular analysis of Fabs bound by IVIG from patients suffering from autoimmune thrombocytopenia revealed that the most frequently selected Fabs originated from the V3-23 and V3-30 VH germline genes. A subsequent study with IgG and IgM phage display libraries from a healthy donor also demonstrated a preferential reactivity of IVIG to Fabs of V3-23 and V3-30 origin. That study revealed that the unique reactivity of IVIG to Fabs of these two VH gene loci was not restricted to the autoimmune nature of the donors, neither to previous treatment with IVIG. One of the thrombocytopenia patients developed lupus. This study was undertaken to study the molecular interaction of IVIG with antibodies selected from a patient suffering from systemic lupus erythematosus and rheumatic fever using phage display technology, and to compare the results with the previous studies. Twenty-three Fabs representing seven independent clones were isolated. In contrast to ITP-derived clones, none of the Fabs selected in this study reacted with platelets. The Fab phages bound by IVIG were sequenced in order to determine their VH gene usage and clonal relatedness. V3-23 and V3-30 VH genes were found to be exclusively utilized by the Fab phages bound by IVIG. Moreover, different CDR3 regions including different D and JH gene segments were observed to be used by these Fabs. The results further showed that the binding of IVIG to the Fabs was independent of the light chain since different light chains were observed to be associated with the VH3 immunoglobulins. Detailed sequence analysis of the Fabs revealed the presence of amino acid residues at positions within FR1, FR3, and the 3' end of CDR2 that are known to be contacted by the B cell superantigen Staphylococcus protein A (SpA). Some of the Fabs were shown to bind strongly to SpA, but there was no correlation with the binding-intensity to IVIG. Some bound very weakly to HIV gp120, another B cell superantigen. This study, together with previous results, suggests that a subset of IVIG may function as a B cell superantigen that may significantly shape the B cell repertoire. The binding mechanism appears to be similar but not identical to the other tested B cell superantigens.

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Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird eine neue, kostengünstige und effiziente Strategie zur selektiven Beschichtung gedruckter Muster auf Papier entwickelt. Mittels Phagen-Display werden Peptide identifiziert, die materialspezifische Adsorption zeigen und effektiv zwischen Cellulose als Hauptbestandteil von Papier und dem Toner eines mit einem handelsüblichen Laserdrucker gedruckten Musters unterscheiden können. Diese genetisch selektierten 12mer Peptide können selektiv entweder nicht bedruckte Cellulose oder gedruckte Tonerstrukturen beschichten. Es werden vielfältige Adsorptionsuntersuchungen einzelner Peptide an den jeweiligen separaten Oberflächen und an gedruckten Mustern durchgeführt und diskutiert. Des Weiteren wird eine Ligationschemie mit Triazolindion genutzt, um z. Bsp. Farbstoffe oder funktionale Peptide selektiv auf einer Oberflächenbeschichtung zu lokalisieren. Diese Methodik bietet einen einfachen Zugang zur Funktionalisierung von Mustern auf papierbasierten Materialien, wodurch neue Wege zur Realisierung kostengünstiger diagnostischer oder biomedizinischer Geräte aufgezeigt werden können. / Within the scope of this thesis, a new, cost-effective and efficient strategy for the selective coating of printed patterns on paper is developed. Phage display biopanning identifies peptides that show material selective adsorption, effectively distinguishing between cellulose of paper and printed toner of standard office laser printers. These genetically selected 12mer peptides can selectively coat either non-printed cellulose or printed toner patterns. Numerous adsorption studies of individual peptides on the respective separated surfaces and on printed patterns are carried out and discussed. Furthermore, triazolindione ligation chemistry is exploited to introduce e.g. dyes or functional peptides selectively to the coatings. The strategy offers an easy access toward patterned functionalization of paper based materials, which potentially is of relevance for low cost diagnostics or biomedical devices.