Das Zytoskelett einer eukaryotischen Zelle besteht aus drei Hauptbestandteilen: Aktin, Intermediärfilamenten und Mikrotubuli. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Protein Aktin, welches unter physiologischen Bedingungen dynamische Filamente durch Polymerisation ausbildet. Diese Filamente können sowohl in Netzwerken als auch Bündeln angeordnet werden. Diese Anordnungen bilden die Grundlage für eine Vielfalt von Strukturen zur Realisierung diverser zellulärer Funktionen. Konventionell wurde die Ausprägung solcher Strukturen durch zusätzliche Proteine erklärt, welche Aktin beispielsweise vernetzen oder sogar aktive, dissipative Prozesse durch ATP Hydrolyse ermöglichen. Durch diese Erklärungen prägte sich ein sehr komplexes Bild zellulärer Funktionen heraus. Die dissipative Natur der meisten Prozesse führte dazu, dass meist auf grundlegende physikalische Beschreibungen, welche auf nicht-dissipativen Gleichgewichtszuständen beruhen, verzichtet wurde. Diese Arbeit widmet sich solchen nicht-dissipativen Prozessen und beschreibt deren inhärente Bedeutung auch in aktiven, dissipativen Systemen. Ein erstes Beispiel beschreibt die Generierung von kontraktilen Kräften in Aktinbündeln durch eine hohe makromolekulare Dichte der Umgebung. Diese hohe Dichte führt zu einem entropischen Effekt, welcher durch Volumenausschluss hochkonzentrierter inerter Polymere Aktinfilamente in Bündel ordnet. Werden diese Strukturen aus ihrem energetischen Minimum ausgelenkt, so entsteht eine rücktreibende Kraft, welche nach Ausschaltung der auslenkenden Kraft zu einer Kontraktion des gesamten Bündels führt. Dieses Bespiel zeigt klar, dass selbst in sehr einfachen Systemen äußerst komplexe Prozesse ablaufen können, welche konventionell mittels dissipativer Umwandlung von chemischer Energie in mechanische Arbeit beschrieben wurden. Die Komplexität der Eigenschaften von Aktinbündeln nimmt zudem drastisch zu sobald zusätzliche Proteine mit eigenen mechanischen Eigenschaften das System beeinflussen. Zur Untersuchung eines solchen Mehrkomponentensystems wurden Aktinfilamente mittels transienter Vernetzungsproteine gebündelt. Versuche auf unterschiedlichen Zeitskalen zeigten klar differenzierbare mechanische Antworten auf induzierte, aktive Biegedeformationen. Im Falle kurzer Deformationen verhielt sich das System völlig elastisch, während für lange Deformationszeiten deutliche plastische Effekte auftraten. Als Ursprung dieser Plastizität wurde die dynamische Umordnung der Vernetzungsproteine identifiziert. Jedoch führen nicht nur zusätzliche Proteine zu einer erhöhten Komplexität. Bereits die Anordnung von reinen Aktinbündeln in Netzwerke mittels entropischer Kräfte führt zu einer überraschenden Variabilität von entstehenden Mustern. Im besonderen Fokus dieser Untersuchung stehen Aster ähnliche Muster, welche regelmäßige Netzwerkstrukturen ausbilden und nur in Verbindung mit Aktin assoziierten Proteinen bekannt waren. Störungen der isotropen Ausgangssituation führen zu veränderter Musterbildung, welche die initiale Störung direkt widerspiegeln. Mit den präsentierten Resultaten leistet die Arbeit einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Dynamik von Aktinbündeln sowie deren Interaktionen.

Interaktion der FO Statoruntereinheiten a und b der ATP-Synthase aus Escherichia coli Die ATP-Synthase nimmt im Energiestoffwechsel vieler Organismen eine zentrale Stellung ein und ist ubiquitär in strukturell und funktionell homologer Form bei eukaryotischen Zellen in der inneren Mitochondrienmembran, der Thylakoidmembran von Chloroplasten und in der Cytoplasmamembran von Prokaryoten zu finden. Besonders zwischen F-, V- und A-Typ ATPasen bestehen strukturelle Ähnlichkeiten im Aufbaus des Gesamtenzyms aus zwei großen Subkomplexen. Darüber hinaus weisen die F-Typ ATPasen aller Organismen hohe Sequenzhomologien auf, welche sich auch in strukturellen Gemeinsamkeiten widerspiegeln. Als "Modellenzym" dient die FOF1 ATPase aus dem Enterobakterium Escherichia coli. Es setzt sich aus acht funktionell verschiedenen Untereinheiten zusammen, die unter Hydrolysebedingungen relativ zueinander rotieren. Die Unterteilung der Enzymstruktur in Rotor (g e -c-Oligomer) und Stator (a 3b 3d ab2) erfordert das Vorhandensein einer stabilisierenden Struktur, dem sog. "second stalk". Im Hinblick auf den Mechanismus der rotierenden ATP-Synthase und dem Modell der elastischen Kopplung erscheint die Untereinheit b geeignet, um die durch das g e -c-Oligomer aufgebaute Rotationsspannung zu speichern. Wie die beiden b Untereinheiten mit den anderen FO Untereinheiten a bzw. c interagieren ist weitgehend unbekannt. In der vorliegenden Dissertation wurden die Untereinheiten a und b auf mögliche Interaktionsstellen mit anderen Enzymuntereinheiten mittels genetisch eingefügte Cysteine und anschließender chemischer Quervernetzung untersucht. In der hier vorgestellten Arbeit konnte gezeigt werden, dass es mit dem Nulllängen Cross-linker Cu(1,10-Phenanthrolin)2SO4 [CuP] in der Region bP28C-bE39C möglich ist, Quervernetzungen zur Untereinheit a zu erzeugen. Mit den heterobifunktionellen Cross-linkern Benzophenon-4-maleimid [BPM] und N-[4-(p-Azidosalicylamido)butyl]-3´-(2´-pyridydithio)propionamid [APDP] vergrößert sich diese Region. Dabei sind die a-b Interaktionen in einer gewissen Periodizität (bP28C, bL29C, bM30C, bA31C, bK38C und bE39C) zu beobachten, was für eine Beteiligung beider b Untereinheiten spricht. Neben dem immunologischen Nachweis durch Antikörper, konnte auch über ein N-terminales Polyhistidinmotiv (His12) gezeigt werden, dass eine Interaktion zwischen den Untereinheiten a und b ausbildet wird. Der aN-His12-b Cross-link kann mittels Ni-NTA Affinitätschromatographie aufgereinigt werden. b-Dimerisierungen konnten für die Reste bS60C, bL65C und die Region bY24C-bA45C nachgewiesen werden. Der relative Abstand der b Untereinheiten zueinander nimmt dabei in ihrem Verlauf vom Cytoplasma in Richtung Membran zu, wie mit den Cross-link Reagenzien CuP, BPM und APDP gezeigt werden konnte. Ausgehend von der Untereinheit a konnten für die Reste aS27C, aN33C, aA130C, aG173C, aP182C, aN184C, aS202C und aG227C ebenfalls CuP vermittelte Quervernetzungen mit der Untereinheit b nachgewiesen werden. Die Reaktion an der Position aS27C weist auf eine cytoplasmatische Lokalisation des N-Terminus hin, die in einem 6 Transmembran-Sekundärstrukturmodell vorgeschlagen wird. Mit BPM konnte die Nähe der Aminosäuren aN33C und aP182C zum c-Oligomer gezeigt werden.

The synthesis of materials with molecular recognition properties has become a topic of great technological and scientific interest. Molecular imprinting is one of the most effective strategies in preparing highly selective synthetic receptors. The technique of molecular imprinting involves the copolymerization of functional and cross-linking monomers in the presence of a molecular template. Following polymerization and subsequent removal of the template, the molecularly imprinted polymer (MIP) retains a “molecular memory” of the template. During rebinding, the resultant polymer shows higher affinity and selectivity towards the molecular template when compared to other structural analogs. Ease of preparation and high thermal and chemical stability of this class of materials offers a broad range of potential applications. Promising areas of application include separation, chromatography, catalysis, sensors, antibody mimics, and drug delivery etc. The thesis entitled “Molecularly Imprinted Polymers based on Fluorescent and Template binding Cross-linker” deals with the design and synthesis of several molecularly imprinted polymers (MIPs) using different functional and cross-linking monomers, the main focus being use of preformed template-monomer complex, use of fluorescent cross-linker and development of functional group containing cross-linker. Chapter 1: An Introduction to Molecularly Imprinted Polymers. The first chapter provides an introduction to the field of molecularly imprinted polymers. It presents an overview of molecular imprinting process including a brief history of its discovery and its evolution to the present form. This chapter further elaborates on the principle of molecular imprinting with an emphasis on different parameters that directly affect their performance. It also provides a brief review of the applications of molecularly imprinted polymers. Chapter 2: Highly Cross-linked Metal Ion Imprinted Polymers. The second chapter deals with the synthesis of series of highly cross-linked metal-ion imprinted polymers. The process of metal ion-imprinting usually involves carrying out the polymerization and cross-linking directly in presence of the appropriate metal ion. In the present study, chemical-immobilization method was adopted which involves the use of preformed metal complexes with polymerizable group for the imprinting. Acrylate complexes of various metal-ions, such as Cu2+, Zn2+, Co2+, Ni2+, Pb2+ and Cr3+, were synthesized prior to polymerization. These pre-assembled complexes were then used to prepare MIPs, in the anticipation that this would lead to enhanced selectivity. Ethyleneglycol dimethacrylate (EGDMA) was used as the cross-linking monomer. As a control, the respective non-imprinted polymers (NIPs) were also made in absence of the template metal ion. Following polymerization, the template metal ion was extracted from the resultant metal ion-imprinted polymer. The selectivity of the metal ion-imprinted polymers was examined by a batch process using analytical tools, such as, Atomic Absorption Spectroscopy (AAS) and Inductively Coupled Plasma Spectroscopy (ICP). The spectroscopic studies revealed significant selectivity of all the MIPs towards the template metal ion. Among all six metal ion-imprinted polymers, Pb2+ and Cr3+ ion-imprinted polymer showed remarkable selectivity, followed by Cu2+ and Zn2+ ion-imprinted polymers. The Co2+ and Ni2+ ion-imprinted polymers exhibited comparatively poor selectivity. Representative plots depicting the selectivity exhibited by Pb2+ and Cr3+ ion-imprinted polymers are shown in Figure 1. These observations were rationalized based on the size and geometric preferences imposed by the imprinted site on the ion that binds to it. Figure 1. Selectivity study for (a) Pb2+ ion-imprinted polymer, (b) Cr3+ ion-imprinted polymer. Chapter 3. Molecularly Imprinted Fluorescent Chemosensor for Copper (II). Cu(II) is a source of important pollutant and therefore, the development of sensors that can detect Cu(II) selectively as well as remove Cu(II) from contaminated samples is an important objective. The use of molecular imprinting technique is an appealing approach in this regard. For this, a fluorophore containing cross-linker, namely 9,10-bis-(acryloyloxymethyl)anthracene (BAMA) was synthesized. This fluorescent cross-linker was used along with the standard cross-linker, EGDMA, for preparing Cu2+ ion-imprinted polymer. The complex of copper methacrylate (Cu-MAA) was prepared prior to polymerization used for the preparation of MIP. The resultant imprinted polymer exhibited quenching of the fluorescence in presence of Cu2+ ion, both in organic and aqueous medium. The efficiency of quenching of NIP (prepared in absence of Cu2+ ion) was significantly lower than that of MIP. A typical stack spectra showing the quenching process, along with a comparison of the quenching efficiency of MIP and NIP is shown in Figure 2. The imprinted polymers showed significant selectivity over other non-template metal ions, thereby reaffirming the importance of the imprinting process. The sensitivity of the fluorescence detection could be enhanced by increasing the level of the fluorophore incorporation. The increased sensitivity in detecting Cu2+ ion, demonstrated by the MIP suggests that a statistically random incorporation of the fluorophore into MIP matrices could be a useful approach for imparting a sensing element to MIPs. Figure 2. Fluorescence spectra of the (a) imprinted (MIP-1) and (b) non-imprinted (NIP-1) polymers in the presence of various concentration of Cu(OAc)2 in methanol. (c) Comparison of quenching efficiency of MIP-1 and NIP-1. Data were collected 3 h after addition of copper solution. I0 and I are the fluorescence intensities at 399 nm of the polymers in the absence presence of copper respectively. Two individual runs are presented in (c). Chapter 4. Molecularly Imprinted Turn-Off-On Sensor. This chapter describes the design and synthesis of molecularly imprinted fluorescent turn-off-on sensor utilizing the same fluorescent cross-linker, BAMA. Combining the process of fluorescence resonance energy transfer (FRET) with molecular imprinting technique, a novel turn-off-on sensor was developed. A molecularly imprinted polymer was prepared using a fluorescent template Coumarin-30 (C-30). C-30 was chosen as the template to ensure a significant overlap of the emission spectra of BAMA and the absorption spectra of C-30, thereby optimizing for FRET. Figure 3. Structures of relevant molecules. The C-30 imprinted polymer exhibited simultaneous quenching in fluorescence (turn-off) of BAMA and enhancement in fluorescence (turn-on) of C-30 (Figure 4). The imprinted polymer showed significantly better performance over the non-imprinted polymer (NIP). Figure 4. Fluorescence spectra of the (a) imprinted (MIP) and (b) non-imprinted (NIP) polymers with increasing concentration of the template Coumarine-30 in methanol. The UV-vis studies revealed that the more effective quenching is indeed due to the affinity for C-30 exhibited by the higher binding imprinted polymer. The imprinted polymer also showed significant selectivity over structurally analogous molecules. Therefore, both high sensitivity and selectivity were realized in such novel off-on sensor. Extension of this concept to other biologically relevant fluorescent templates could lead to potentially useful applications. Chapter 5. Design of New Template Binding Cross-linker. In molecularly imprinted polymers (MIP), high cross-linking density (~80 to 90 mole percent) is essential to ensure high selectivity, which limits the functional (binding) monomer to about 10-20 mole percent. Methacrylic acid (MAA) and ethyleneglycol dimethacrylate (EGDMA) are the most common combination of functional monomer and cross-linker, respectively, used in molecular imprinting. Generally a molecularly imprinted polymer made with this combination, contains only 10-20% binding sites. This limitation of binding site density is an aspect that has largely been overlooked. In order to improve the efficiency of MIP materials by enhancing the number of binding sites, a new cross-linking monomer (CYDI, 1) with two carboxylic acid groups was designed and synthesized by coupling itaconic anhydride with cyclohexane dimethanol (Figure 5). Figure 5. Structures of relevant molecules. The new functional group bearing cross-linking monomer (1) Itaconate ester of cyclohexanedimethanol (CYDI), the template (2) theophylline (Theop) and the structural analogue of template (3) caffeine (Caff). This new cross-linking monomer was then employed for preparing molecularly imprinted polymer using a drug molecule, theophylline (Theop 2, a bronchodilator) as the template. Seven molecularly imprinted polymers were synthesized with different ratios of CYDI and EGDMA, keeping the cross-linking density constant. The binding efficiency and the selectivity of these imprinted polymers were thoroughly investigated. It was seen that while saturation binding values for theophylline increased continuously with functional cross-linker (CYDI) content, the optimum selectivity with respect to analogous substrate, caffeine, was attained at 40 mol% CYDI. These studies suggest that the approach of using functional group containing cross-linkers could lead to improved MIP performance.

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En estas últimas décadas, la ingeniería tisular ha llegado a ser uno de los campos de aplicación más prometedores de los polímeros macroporosos para soportes o matrices porosas tridimensionales donde las células se pueden cultivar. Una de las formas de obtener un polímero poroso es mediante la polimerización en disolución. De esta forma, los poros se forman debido a la segregación de disolvente de la red polimérica durante el proceso de polimerización. En esta tesis, se han sintetizado redes poliméricas de polimetacrilato de metilo (PMMA) por polimerización en presencia de etanol con diferentes porosidades y contenidos de entrecruzador. También se ha sintetizado PMMA polimerizado en masa (no poroso) como material de referencia. El PMMA macroporoso se coloca en una atmósfera saturada de vapor de monómero de acrilato de hidroxietilo. La ausencia de iniciador térmico o fotosensible hace difícil el inicio del proceso de polimerización del monómero adsorbido. Sin embargo, este problema se puede resolver mediante la polimerización por plasma. Se estudia las propiedades mecánicas de estos nuevos materiales mediante espectroscopía dinámico-mecánica (DMS). El espectro dinámico-mecánico muestra que los materiales sintetizados en esta tesis son un nuevo tipo de hidrogel macroporoso con un alto módulo mecánico a temperatura ambiente y capaz de adsorber agua manteniendo sus propiedades mecánicas. Mediante medidas de porosidad se determina la fracción en volumen de poros en las muestras antes y después del tratamiento de plasma. La estructura y morfología de estos sistemas macroporosos se ha observado mediante microscopía electrónica de barrido (SEM). La estabilidad de este recubrimiento hidrófilo se ha analizado mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC), ATR FTIR, TGA e inmersión en agua. Estos resultados demuestran que el plPHEA es muy estable y solo en condiciones muy drásticas como en agua hirviendo puede sufrir degradación hidrolítica. / Serrano Aroca, Á. (2005). Synthesis and characterisation of macroporous poly(methyl methacrylate) with plasma-polymerised hydrophilic coating [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/1857