In this thesis, the structure and stability of globular proteins adsorbed onto nanometer-sized hydrophilic silica particles were investigated using differential scanning calorimetry (DSC), hydrogen/deuterium exchange (HDX), and mass spectrometry (MS). The adsorption process itself was characterized with fluorescence and absorption spectroscopy and surface plasmon resonance (SPR). The combination of these methods offered a unique insight into adsorption-induced changes within proteins related to their adsorption characteristics. DSC contributed with thermodynamic information on the overall structural stability within the protein population. HDX in combination with MS contributed information on the structure and stability of adsorbed proteins with focus on changes within the secondary structure elements. In order to increase the structural resolution in this part of the investigation, proteolysis was performed prior to the MS analyzing step. Knowledge on the protein adsorption process was utilized in a practical approach called ligand fishing. In this approach, SPR was used to monitor the chip-based affinity purification of a protein with MS used for protein identification. Adsorption isotherms revealed that electrostatic interactions play an important role in the adsorption of proteins to hydrophilic surfaces. DSC investigation revealed that the thermal stability of proteins reduces with increasing electrostatic attraction between the protein and the surface and that this effect diminishes at higher surface coverage. The mass-increase due to exchange between protein hydrogen atoms and deuterium atoms in solution was investigated as a function of time. This gave insight into adsorption-induced changes in the structural stability of proteins. By combining DSC and HDX-MS, it was possible to differentiate between adsorption-induced changes in the secondary and tertiary structure. Additionally, if limited proteolysis was performed, the investigations gave insight into the orientation and protein segment specific changes in the stability of proteins adsorbed to silica surfaces. The adsorption of proteins to silica particles also provided the basis for a new experimental design that allows handling of minute amounts of proteins in a ligand fishing application, as used in the field of functional proteomics.

PEG-lipid stabilized bilayer disks have been found in lipid mixtures containing polyethylene glycol (PEG)-lipids where the combination of a high bending rigidity and low PEG-lipid/lipid miscibility favours disk formation. The disks are planar and circular in shape and their long-term stability is excellent. Theoretical calculations and experimental observations suggest that the micelle forming PEG-lipid are situated at the rim of the aggregate, protecting the hydrophobic lipid chains in the bulk of the aggregate from contact with water. This thesis deals with fundamental aspects concerning the lipid distribution in the disks, as well as with development, optimization, and initial evaluation of the disks as model membranes in partition and interaction studies. Small angle neutron scattering was used to study the partial segregation of components within the bilayer disk. The experiments verified that the PEG-lipids segregate and accumulate at the bilayer disk rim. The proof of component segregation is important from a fundamental point of view and useful, as exemplified in the below-mentioned study of melittin-lipid interaction, when interpreting partition or binding data obtained from studies based on bilayer disks. Today liposomes are often used as model membranes in partition and interaction studies. Using liposomes to predict, e.g., drug partitioning can however have certain drawbacks. In this thesis the disks were proven to be attractive alternatives to liposomes as model membranes in partition studies. The formation of bilayer disks by a technique based on detergent depletion enabled incorporation of a transmembrane protein in the bilayer disks and opened up for the use of disks as model membranes in membrane protein studies. Further, bilayer disks were used in a comparative study focused on the effect of aggregate curvature on the binding of the peptide melittin. Various techniques were used to perform initial evaluations of the bilayer disks as model membranes. Of these, capillary electrophoresis and biosensor-based technology had not been used before in combination with bilayer disks.

The colonization of immersed surfaces by a myriad of marine organisms is a complex, multi-stage, species-specific process giving rise to economic and environmental costs. This unwanted accumulation of organisms in the marine environment, called biofouling, has been attacked from different fronts, going from the ‘problem-elimination-as-problem-solving’ strategy (essentially through the use of biocides) to more elaborated and environmentally-friendly options based on the principle of ‘non-stick’ or ‘easy foul-release’ surfaces, which do not jeopardize marine life viability. Several marine organisms rely on proteinaceous adhesives to secure a holdfast to surfaces. Proteolytic enzymes have been demonstrated to be effective agents against settlement and settlement consolidation onto surfaces of marine bacteria, algae, and invertebrates, their proposed mode-of-action being the enzymatic degradation of the proteinaceous components of the adhesives. So far, however, the evidence remains inconclusive since most of the published investigations refer to commercial preparations where the enzyme is mixed with other components, like additives, which obviously act as additional experimental variables. This work aims at providing clear, conclusive evidence about the potential of serine proteases to target the adhesives produced by a group of model marine biofoulers. The strategy towards the goal consisted in the preparation and characterization of maleic anhydride copolymer nanocoatings modified by a surface-bound enzyme, Subtilisin A, the active constituent of the commercial preparations reported as effective against biofouling. The enzyme-containing maleic anhydride copolymer films were characterized (enzyme surface concentration, activity, stability, roughness and wettability) and thereafter tested in biological assays with three major biofoulers: spores of the green alga Ulva linza, cells of the pennate diatom Navicula perminuta, and cyprid larvae of the barnacle Balanus amphitrite. The purpose of the biological assays was to elucidate the efficacy of the immobilized catalyst to discourage settlement and/or to facilitate removal of these organisms from the bioactive layers. Results confirmed the initial hypotheses related to the enzymatic degradation of the biological adhesives: the immobilized protease was effective at reducing the adhesion strength of Ulva spores and Navicula diatoms in a manner that correlated with the enzyme activity and surface concentration, and deterred settlement of Balanus amphitrite barnacle cyprids even at the lowest surface activity tested. By facilitating the removal of biofilm-forming diatoms and of spores of the troublesome alga Ulva linza, as well as by interfering with the consolidation of adhesion of the calcareous Balanus amphitrite macrofouler, the enzyme-containing coatings here disclosed are considered to constitute an appealing and promising alternative to control marine biofouling without jeopardizing marine life.

<p>Nanofabrication techniques were used to manufacture nanometer scale protein templates. The fabrication approach employs electron beam lithography (EBL) patterning on poly(ethylene glycol) (PEG) thiol (CH3O(CH2CH2O)17NHCO(CH2)2SH) self-assembled monolayers (SAM) on Au. The PEG SAM prevented protein surface adhesion and binding sites for protein were created in the SAM by EBL. Subsequent to EBL, the patterns in the PEG SAM were backfilled with 40-nm NeutrAvidin-coated fluorescent spheres (FluoSpheres). The spontaneous and directed immobilization of the spheres from a solution to the patterns resulted in high resolution protein patterns. The FluoSpheres could be arranged in any arbitrary pattern with ultimately only one or a few FluoSpheres at each binding site.</p><p>Growth dynamics and SAM morphology of PEG on Au were studied by atomic force microscopy (AFM). PEG SAMs on three types of Au with different microstructure were examined: thermally evaporated granular Au and two types of Au films produced by hydrogen flame annealing of granular Au, Au(111) and "terraced" Au (crystal orientation unknown). The different Au surfaces' substructure affected the morphology and mechanical properties of the PEG SAM. On Au(111), AFM imaging revealed monolayer formation through three distinct steps: island nucleation, island growth, and coalescence. The fine-structure of the SAM revealed dendritic island formation - an observation which can be explained by attractive intermolecular interactions and diffusion-limited aggregation. Island growth was not observed on the "terraced" Au.</p><p>AFM studies of EBL patterned PEG SAMs on Au(111) revealed two different patterning mechanisms. At low doses, the pattern formation occurs by SAM ablation in a self-developing process where the feature depth is directly dose dependent. At higher doses electron beam induced deposition of material, so-called contamination writing, is seen in the ablated areas of the SAM. The balance between these two mechanisms is shown to depend on the geometry of the pattern.</p><p>In addition to PEG SAMs, fibronectin monolayers on SiO2 surfaces were patterned by EBL. The areas exposed with EBL lose their functionality and do not bind anti-fibronectin. With this approach we constructed fibronectin templates and used them for cell studies demonstrating pattern dependent cell geometries and cell adhesion.</p>

Für medizinische Anwendungen sind Stammzellen aufgrund ihrer Eigenschaften (Selbsterneuerung, hohe Proliferationsrate und Differenzierungsmöglichkeit in verschiedene Zelltypen) beispielsweise in den Bereichen des regenerativen Gewebeersatzes und der Zelltherapie sehr interessant. In vivo umgibt die Stammzellen eine definierte Mikroumgebung, die sie unterstützt sich zu teilen, ihren undifferenzierten Status aufrecht zu erhalten und Tochterzellen für das Wachstum, die routinemäßige Erneuerung oder den Ersatz von Gewebe zu produzieren. Diese Mikroumgebungen werden als Stammzellnischen bezeichnet. Für die Kultivierung von Stammzellen in vitro muss die in vivo-Situation möglichst getreu nachgestaltet werden. Ziel der Forschung ist die Schaffung einer künstlichen Umgebung, die sowohl die funktionellen Eigenschaften einer Nische besitzt als auch frei von Risiken xenogener Pathogene oder Gewebeunverträglichkeiten für die Anwendung am humanen Organismus eingesetzt werden kann. Einen Ansatz dafür bietet beispielsweise die Kopplung von Faktoren, die für den Erhalt der Stammzelleigenschaften notwendig sind, an synthetische Oberflächen. Ausgehend vom Bedarf an Kultur- oder Modellsystemen für die Expansion von (embryonalen) Stammzellen sollte in dieser Arbeit analysiert werden, ob alternierende Maleinsäureanhydrid (MA)-Copolymere ein geeignetes Trägersystem für die biofunktionelle kovalente Immobilisierung spezifischer Zytokine sind und dadurch unter anderem als künstliche Stammzellnische Anwendung finden können. MA-Copolymere eignen sich aufgrund ihrer spontanen Reaktion mit Aminogruppen für die Immobilisierung von Proteinen. Das Zytokin LIF (Leukemia inhibitory factor) existiert in vivo auch in immobilisierter Form und ist in embryonalen Mausstammzellen (mESC) allein in der Lage, das Stammzellpotential dieser Zellen zu erhalten. Aus diesem Grund ist LIF für die Analyse der Aufgabenstellung geeignet. Nach der Charakterisierung LIF-modifizierter Oberflächen wurde die biologische Verfügbarkeit des kovalent immobilisierten Zytokins mit Hilfe von LIF-sensitiven Fibroblasten und mESC der Linie R1 überprüft. Anschließend wurde im Mausmodell in vivo der Erhalt der Pluripotenz der mESC durch immobilisiertes LIF analysiert. Dafür standen die Oberflächen Poly(ethylen-alt-maleinsäureanhydrid) (PEMA) und Poly(octadecen-alt-maleinsäureanhydrid) (POMA) jeweils ohne und mit Polyethylenglykol (PEG7)-Modifizierung zur Verfügung, an die LIF kovalent gekoppelt wurde. Zusätzlich wurde LIF physisorptiv an einer Kollagen-Fibronektin-Matrix über hydrolysiertem POMA immobilisiert. Mit Hilfe von radioaktiv markiertem LIF konnte gezeigt werden, dass die Gesamtbeladungsmenge mit Zytokin von den Eigenschaften der MA-modifizierten Träger abhing. Auf PEMA konnten mit steigenden Immobilisierungskonzentrationen höhere Belegungsdichten an der Oberfläche erreicht werden, die im analysierten Bereich eine lineare Abhängigkeit zeigten. Aufgrund der starken Quellung in wässrigen Lösungen war eine Einlagerung von LIF-Molekülen in die Polymerschicht möglich und führte bei hohen Immobilisierungskonzentrationen auch nach 3 Tagen Inkubation mit proteinhaltigem Medium noch zur Verdrängung nicht kovalent gebundener Zytokinmoleküle aus PEMA-Oberflächen. Obwohl ein Teil des LIF in die Polymerschicht eindrang, war der Großteil der Moleküle für einen spezifischen Antikörper zugänglich. Hydrophobe Oberflächen mit POMA konnten bei hohen Immobilisierungskonzentrationen weniger LIF binden und zeigten Sättigungsverhalten der Oberflächen bei einer Belegungsdichte von 178 ng/cm^2 LIF. Eine Freisetzung von LIF nach mehr als 3 Tagen konnte nicht beobachtet werden. Gleichzeitig war hier aufgrund der hydrophoben Polymerseitenketten die Antikörperzugänglichkeit deutlich reduziert. Wegen des geringen Quellungsverhaltens von POMA in wässrigen Lösungen konnte eine Einlagerung des immobilisierten Zytokins in die Polymerschicht aber ausgeschlossen werden. Die kovalente LIF-Immobilisierung über PEG7-Spacer führte im Vergleich zu den nicht PEG-modifizierten Oberflächen PEMA und POMA zu jeweils geringeren Belegungsdichten, ohne dabei den Charakter der Abhängigkeit von der Immobilisierungskonzentration zu verändern (linear für PEMA+PEG7, Sättigung für POMA+PEG7). Die schlechte Antikörperzugänglichkeit von immobilisiertem LIF auf POMA konnte durch die Einführung des PEG7-Spacers deutlich verbessert werden und erreichte einen Wert ähnlich dem der hydrophilen PEMA-Oberflächen. Kovalent immobilisiertes LIF zeigte auf den vier MA-Oberflächen homogene und definiert einstellbare Belegungsdichten auf den einzelnen Proben. Die physisorptive Immobilisierung von LIF an extrazelluläre Matrixkomponenten auf hydrolysiertem POMA führte zu inhomogenen und bereits bei geringen Immobilisierungskonzentrationen instabilen Belegungsdichten. Die Einstellung definierter Belegungsdichten und die homogene Verfügbarkeit des Zytokins sind für die spätere Anwendung bei der Kultivierung wichtig, da so allen Zellen die gleiche definierte Zytokindosis unabhängig von der Oberflächencharakteristik präsentiert wird und Populationsunterschiede vermieden werden. LIF-sensitive Mausfibroblasten der Linie NIH3T3 reagierten auf immobilisiertes LIF mit der Aktivierung des Signalwegproteins STAT3. Durch den direkten Vergleich von STAT3-Aktivierungsprofilen nach Stimulation mit gelöstem oder immobilisiertem LIF konnte gezeigt werden, dass durch beide Präsentationsformen innerhalb der ersten 15 Minuten nach Stimulationsbeginn eine starke Aktivierung von STAT3 erfolgt, die anschließend wieder abklingt. Die Profile beider Präsentationsformen unterschieden sich in ihren Intensitäten nur bei der starken STAT3-Aktivierung. Dabei ergaben sich bei gelöstem LIF aufgrund der größeren Kontaktfläche mit Zytokin (gesamte Zelloberfläche) etwas stärkere Aktivierungen. Durch die sehr ähnlichen Aktivierungsprofile konnte nachgewiesen werden, dass das Zytokin LIF für Zellen zugänglich an MA-Copolymere mit und ohne Spacer-Modifizierung immobilisiert werden kann. Dabei lag ein Teil der Moleküle in einer Konformation und Orientierung gebunden vor, die die Funktionalität des Zytokins erhalten konnten. Zwischen den Oberflächen mit kovalenter LIF-Immobilisierung konnten keine wesentlichen Unterschiede in der STAT3-Aktivierung festgestellt werden. LIF war an all diesen Oberflächen für die LIF-sensitiven NIH3T3 Mausfibroblasten biologisch verfügbar. LIF-abhängige embryonale Mausstammzellen (mESC) reagierten nach 72 Stunden LIF-Stimulation mit der Aktivierung von STAT3. Bei Belegungsdichten ab 8 ng/cm^2 kovalent immobilisiertem LIF auf POMA mit und ohne PEG7-Spacer konnten ähnliche Aktivierungen wie durch die Stimulation mit gelöstem LIF festgestellt werden. Dies bestätigte die biofunktionelle LIF-Immobilisierung. Zwischen den POMA-Oberflächen mit und ohne PEG7 war dabei kein deutlicher Unterschied erkennbar. Eine reduzierte Zugänglichkeit des Antikörpers auf POMA beeinflusste demnach die biologische Verfügbarkeit des Zytokins für die mESC nicht. Der Erhalt des Stammzellpotentials durch kovalent an POMA gebundenes LIF konnte in vitro durch die Präsenz von Oct4 im Zellkern der mESC nachgewiesen werden. Durch die instabile Immobilisierung bei physisorptiver Assoziation des Zytokins an Matrixkomponenten über hydrolysiertem POMA reduzierte sich der Erhalt des Stammzellpotentials auf diesen Oberflächen stark. Kovalent immobilisiertes LIF dagegen konnte auch während der Kultur über mehrere Passagen hinweg die Pluripotenz der murinen ESC erhalten. Nach der Fusion mit Blastozysten beteiligten sich diese kultivierten Zellen in vivo erfolgreich an der Bildung von Chimären. Dabei konnten keine Unterschiede der Chimärenhäufigkeit zwischen der Kultivierung der mESC mit gelöstem oder kovalent an POMA immobilisiertem LIF festgestellt werden. Kovalent an MA-Copolymere immobilisiertes LIF ist demnach in der Lage, gelöstes LIF vollständig zu ersetzen und über mehrere Passagen hinweg allein das Stammzellpotential von mESC zu erhalten. Die Experimente zeigten, dass sich MA-Copolymere für die funktionelle kovalente Immobilisierung von Signalmolekülen eignen. Dabei konnten keine starken Unterschiede bei der Reaktion der Zellen auf die Oberflächen PEMA oder POMA festgestellt werden. Auch die Einführung eines zusätzlichen Spacers war für die Signaltransduktion nach Stimulation mit kovalent immobilisiertem LIF nicht notwendig. Für künftige Arbeiten zur kovalenten Immobilisierung von LIF an MA-Copolymeren ist deshalb aus Stabilitäts- und Effizienzgründen die Oberfläche POMA zu bevorzugen. Diese Favorisierung kann jedoch aufgrund der unterschiedlichen Tertiärstruktur anderer Proteine und ihrer verschiedenen Steifigkeiten sowie bei der Verwendung anderer Zelltypen nicht automatisch für ein anderes Modellsystem übernommen werden. Die Verwendung hydrophiler Oberflächen oder die Kopplung über Spacer sollte demnach in Abhängigkeit vom zu immobilisierenden Protein und den auszusiedelnden Zellen geprüft werden. Die vorgestellte Kopplungsmethode umgeht die Modifikation des Proteins sowie Behandlungen zur Vernetzung des Zytokins. Die Immobilisierungsreaktion ist bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck sowie unter sterilen Bedingungen durchführbar. Immobilisierte Zytokine werden homogen kovalent an der Oberfläche gebunden und sind dort für die Zellen zugänglich. Außerdem ermöglicht die Einstellung definierter Belegungsdichten die gezielte Applikation von Zytokindosen. MA-Copolymere sind somit nicht nur für die Kultivierung von Stammzellen unter Erhaltung des Stammzellstatus einsetzbar, sondern eignen sich auch für Differenzierungsstudien. Teilergebnisse dieser Arbeit wurden publiziert unter K. Alberti, R.E. Davey, K. Onishi, S. George, K. Salchert, F.P. Seib, M. Bornhäuser, T. Pompe, A. Nagy, C.Werner, and P.W. Zandstra. Functional immobilization of signaling proteins enables control of stem cell fate. Nat Methods, 5(7):645–650, Jul 2008 und T. Pompe, K. Salchert, K. Alberti, P.W. Zandstra, and C. Werner. Immobilization of growth factors on solid supports for the modulation of stem cell fate. Nat Protocols, 5(6):1042–1050, Jun 2010. / In vitro cultivation of (embryonic) stem cells requires a defined environment. Together different properties as cytokine supplement, extracellular matrix composition or topographic design can mimic this stem cell niche in an artificial system. For mouse embryonic stem cells the cytokine leukemia inhibitory factor (LIF) is able to keep those cells in undifferentiated state and to enhance self renewal without the supplement of other factors. In vivo LIF exists in both diffusible and extracellular matrix immobilized form. This work investigates whether LIF can be immobilized covalently to alternating maleic anhydride (MA)-copolymers in a functional manner. When bioavailable, covalently immobilized LIF should be able to interact with specific cytokine receptor subunits and provide information to keep murine embryonic stem cells in a pluripotent state. In aqueous solution with neutral pH (such as phosphate buffered saline, PBS) and ambient temperature and pressure MA-copolymers react spontaneously with aminogroups and therefore represent a useful support for covalent protein immobilization. Depending on the choice of co-monomer, properties of copolymer vary: ethylene results in hydrophilic poly-(ethylene-alt-maleic anhydride) (PEMA), octadecene in more hydrophobic poly-(octadecene-alt-maleic anhydride) (POMA). LIF can be covalently immobilized onto the MA-copolymers as shown by radiolabeling experiments. The amount of cytokine coupled to PEMA increased linear whereas on POMA saturation could be observed for higher concentrations. A subsequent coupling of a polyethylene glycol spacer (PEG7) further modified the properties and led to more hydrophilic surfaces. The amount of LIF per area decreased in comparison to MA-copolymers without the spacer but the graph characteristics remained unaltered (linear for PEMA+PEG7, saturation for POMA+PEG7). During the first three days in buffer solution supplemented with bovine serum albumin, unbound LIF was displaced and the amount of immobilized cytokine remained stable. This Stability after preincubation allowed to immobilize required amounts of LIF per area. Although hydrophilic surfaces with PEMA showed swelling behavior resulting in increased layer thickness after incubation in PBS, accessibility to LIF for an antibody was not impaired. The amounts per area detected by radiolabeling method and using the antibody were similar and indicated that LIF was not covered by copolymers. For cell culture addition of diffusible as well as immobilized growth factors or cytokines requires dosage control. Frequently it is necessary to provide homogeneous distribution of the factor of interest. In the present study analysis by fluorescence microscopy confirmed homogeneity for surfaces with covalently immobilized LIF (iLIF) but not for LIF physisorbed to extracellular matrix components collagen type I and fibronectin. LIF transduces signals via the JAK/STAT pathway. Preliminary experiments with LIF-sensitive fibroblasts showed similar activation of STAT3 after stimulation with immobilized or diffusible LIF. The results of STAT3 activation revealed an activation profile with high intensities within the first 15 minutes for both immobilized and diffusible LIF followed by decrease. STAT3 activation profiles were similar on different surfaces and independent of LIF presentation mode. These results revealed that fibroblasts could recognize covalently immobilized LIF onto MA-copolymers and were able to activate STAT3. In the absence of LIF mESC start to differentiate within 24 to 36 hours and loose their pluripotency. To confirm the functional immobilization of LIF mouse embryonic stem cells (mESC) were cultivated on iLIF-modified POMA or POMA+PEG7 surfaces for 72 hours and stained for activated STAT3. Results showed a dose-dependent activation increasing with the iLIF amount per area. Higher amounts (8 and 75 ng/cm^2) of iLIF activated STAT3 similar to 10 ng/ml diffusible LIF. Introduction of PEG7 spacer did not further increased STAT3 activation. Both, the amount of ESC marker Oct4 and the percentage of Oct4-positive cells increased with higher amounts of iLIF and showed similar results as obtained with 10 ng/ml diffusible LIF. Murine ESC cultivated on LIF physisorbed to matrix components expressed similar amounts of transcription factor Oct4 compared to unstimulated cells. STAT3 activation and Oct4 expression in the absence of diffusible cytokine indicated a functional covalent immobilization of LIF. To confirm the pluripotency, mESC were stimulated for 6 to 8 subcultures only with iLIF, cell aggregates were fused with mouse embryos and implanted in pseudopregnant surrogate mothers. Three weeks after birth the contribution of mESC aggregates to chimera was evaluated. ESC stimulated with iLIF only contributed to chimera formation with around the same frequency as mESC cultivated with 10 ng/ml diffusible LIF. Thus, iLIF maintained pluripotency of mESC during in vitro expansion and could replace diffusible LIF. As shown by the experiments, MA-copolymers provide a support to covalently immobilize cell signaling molecules in a functional manner. This method of coupling does not need any protein modification or cross-linking treatment after protein incubation. Reaction can be carried out under sterile conditions at ambient temperature and pressure. The immobilized ligand is distributed equally on the supporting copolymer and the adjustment of required ligand amounts is possible. These properties characterize MA-copolymers as a suitable support to immobilize cell signaling molecules not only for keeping the stem cell fate but also for differentiation studies. Parts of this work were published: K. Alberti, R.E. Davey, K. Onishi, S. George, K. Salchert, F.P. Seib, M. Bornhäuser, T. Pompe, A. Nagy, C.Werner, and P.W. Zandstra. Functional immobilization of signaling proteins enables control of stem cell fate. Nat Methods, 5(7):645–650, Jul 2008. T. Pompe, K. Salchert, K. Alberti, P.W. Zandstra, and C. Werner. Immobilization of growth factors on solid supports for the modulation of stem cell fate. Nat Protocols, 5(6):1042–1050, Jun 2010.

L’application de la biosorption à l’analyse inorganique est un sujet en plein essor. Dans cette étude, un support à base de cellules de boulanger Saccharomyces cerevisiae a été développé pour la spéciation et la préconcentration des espèces inorganiques de l’antimoine Sb(III) et Sb(V). Nous avons tout d’abord montré qu’il était possible de fixer de manière sélective Sb(III) en présence de Sb(V) sur les cellules dans une large gamme de pH (5-9) et de force ionique (0-0,1M). Un prétraitement thermique de la biomasse (80°C, 30min) permet d’augmenter significativement la cinétique de fixation de Sb(III) sans nuire à la séparation. L’élution de Sb(III) par l’acide thioglycolique à pH 10 est rapide et quantitative, permettant d’obtenir un facteur de préconcentration proche de 9. Nous avons mis en évidence que la rétention de Sb(V) observée à bas pH était due à des complexation avec les groupements sulfhydryle de la paroi cellulaire. La modélisation des isotherme de sorption de Sb(III) (qmax = 450µg.g-1) ont permis de définir 3 types de sites d’affinité et de coordination différentes. Parmi les matrices testées pour l’immobilisation des cellules, le polysulfone s’avère être le plus performant, alliant perméabilité, faible affinité vis-à-vis de l’antimoine et préservation des sites de fixation. Des colonnes remplies de levures immobilisées ont été couplées à un spectromètre ICP-AES et appliquées avec succès à la spéciation de l’antimoine dans l’eau minérale dopée à faible concentration. Les limites de quantification de Sb(III) ont été améliorées d’un facteur 5 par préconcentration / The application of biosorption to inorganic analysis is an expanding research area. In this study, an analytical support based on baker’s yeast Saccharomyces cerevisiae was developed for the speciation and the preconcentration of inorganic antimony species Sb(III) and Sb(V). It was shown that Sb(III) can be retained selectively by the cells in the presence of Sb(V) in a wide range of pH (5-9) and ionic strength (0-0,1M). Heat pretreatment of the biomass (80°C, 30min) significantly increased the kinetics of Sb(III) uptake without degrading the separation. The elution of Sb(III) by thioglycolic acid at pH 10 was rapid and quantitative, allowing to achieve a preconcentration factor close to 9. Interactions between Sb(V) and the cells, as observed at lower pH, were found to be purely electrostatic, while Sb(III) retention was attributed to the complexation of the species with sulfhydryl groups of the cell walls. Three kinds of sites with different affinities and coordinations were identified by modeling Sb(III) sorption isotherms (qmax = 450µg.g-1). Among the different materials tested, polysulfone was found to be the most suitable matrix for yeast immobilization, combining a good permeability to a low affinity for antimony species and preservation of the sorption sites. Columns filled with immobilized cells were coupled with ICP-AES and successfully applied to antimony speciation in mineral waters samples spiked at low concentration level. The limit of quantification was improved by a factor of 5 by preconcentration

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.

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Die Immobilisierung homogener Katalysatoren ist eine wichtige Methode zur Realisierung der Abtrennbarkeit und Wiederverwendbarkeit aktiver Spezies. Im Rahmen dieser Arbeit wurde durch die Komplexierung von Palladium mit 1,4-Bis-(4′-pyrazolyl)benzen ein neues mikroporöses Koordinationspolymer generiert und dieses als heterogener Katalysator in der Suzuki-Miyaura-Kreuzkupplungsreaktion erfolgreich eingesetzt. Dabei konnten vollständige Umsätze und hohe Selektivitäten erzielt werden, die vergleichbar zu bereits kommerziell erhältlichen homogenen Katalysatoren sind. Die Besonderheit des Katalysators ist, neben dessen außergewöhnlich hohen chemischen Stabilität, die Variation seiner Struktureigenschaften durch die Wahl der Synthesebedingungen und die damit verbundene Steuerung seiner katalytischen Aktivität.

Nuotekų dumble esančių sunkiųjų metalų neigiamą poveikį aplinkai bei žmogaus sveikatai galima sumažinti apribojant metalų judrumą aplinkoje. Magistro darbe tiriamas sunkiųjų metalų judrumas ir jų immobilizacija fosfogipsu nuotekų dumble bei jo mišiniuose su dirvožemiu. Šiuo tyrimu siekiama išplėsti Lietuvoje dideliais kiekiais susidarančių ir sunkiai pritaikymą randančių atliekų – vandenvalos nuotekų dumblo ir trąšų gamybos metu susidarančio atliekinio fosfogipso utilizavimo galimybes, panaudojant jas žemės ūkyje kaip dirvožemio kokybę gerinančius priedus. Darbo objektas – anaerobiškai apdorotas vandenvalos nuotekų dumblas ir fosfatinių trąšų gamybos metu susidarančios mineralinės atliekos – fosfogipsas. Darbo tikslas – ištirti ir įvertinti atliekiniame fosfogipse esančių fosfatinių priemaišų poveikį sunkiųjų metalų bei augalų maisto elementų judrumui nuotekų dumble ir jo mišiniuose su dirvožemiu bei šarminėmis medžiagomis, taip pat pasiūlyti sunkiųjų metalų stabilizavimo dirvožemyje priemones. Darbo metodai. Tyrimams paruoštas nuotekų dumblo mišinys su molingu natūraliu dirvožemiu (masės santykis 1:1) bei cemento dulkėmis (8:2). Sunkiųjų metalų bei augalų maisto elementų judrumas vertintas ekstrahuojant mišinius, turinčius 5, 10, 20 ir 40% fosfogipso, 0,01M CaCl2 tirpalu. Mišinių pH ir elektrinis laidumas, tirpus Ca2+, K+, ir NO3 kiekis išmatuotas jonometrinu metodu. Tirpus fosforo (PO43-) kiekis nustatytas kolorimetriškai. Sunkiųjų metalų koncentracija tirpale matuota... [toliau žr. visą tekstą] / Negative impact of heavy metals originating from sewage sludge on the environment and human health can be minimised by limiting their mobility in soil. In this study heavy metal immobilisation using pshosphogypsum in sewage sludge and its mixtures with soil have been investigated. This research seeks to broaden utilisation posibilities of two types of waste products – wastewater sewage sludge and by-product of phosphate fertiliser production– phosphogypsum, using them in agriculture as soil amendments. The object of the study – waste of organic origin - anaerobically processed wastewater sewage sludge and mineral by-product of phosphate fertiliser production – waste phosphogypsum. The aim of the study – to investigate and evaluate impact of waste phosphogypsum on the mobility of heavy metals and plant nutrients in sewage sludge and its mixtures with soil and alkaline materials as well as to suggest effective measures for heavy metal stabilisation in soil environment. The methods: for the assessment of metal and nutrient mobility sewage sludge mixtures with soil (mass ratio 1:1) and cement kiln dust (8:2) have been prepared. Heavy metal and macroelement bioavailability has been evaluated by carrying out extraction of different mixtures with 5, 10, 20 and 40% phosphogypsum additive using 0.01M CaCl2 solution. Electric conductivity, pH and water soluble Ca2+, K+ and NO3 concentration has been measured in extracts using ionometric method. Water soluble phosphorus have been... [to full text]