The byssal adhesion mechanism of the biofouling species Dreissena polymorpha was investigated using a combination of studies on synthetic peptide mimics of tandem repeat sequences from byssal component Dreissena polymorpha foot protein 1 (Dpfp-1) and characterization of the regions of the byssus. A 20-residue fusion peptide incorporating two Dpfp-1 repeat sequences adopts a random coil and β-turn conformation in solution, and spontaneously forms a film at the solid-liquid interface in the presence of iron (III) cations. Infrared characterization of the byssus Amide I region showed that β-sheets dominate its secondary structure, although the proportion of different secondary structures varies between regions. Matrix-assisted laser desorption ionization (MALDI) mass spectrometry of intact byssal regions identified previously unknown differences in the composition of byssal threads, plaques, and the adhesive interface, which are believed to correlate to the different roles of these components in the overall structure.

The byssal adhesion mechanism of the biofouling species Dreissena polymorpha was investigated using a combination of studies on synthetic peptide mimics of tandem repeat sequences from byssal component Dreissena polymorpha foot protein 1 (Dpfp-1) and characterization of the regions of the byssus. A 20-residue fusion peptide incorporating two Dpfp-1 repeat sequences adopts a random coil and β-turn conformation in solution, and spontaneously forms a film at the solid-liquid interface in the presence of iron (III) cations. Infrared characterization of the byssus Amide I region showed that β-sheets dominate its secondary structure, although the proportion of different secondary structures varies between regions. Matrix-assisted laser desorption ionization (MALDI) mass spectrometry of intact byssal regions identified previously unknown differences in the composition of byssal threads, plaques, and the adhesive interface, which are believed to correlate to the different roles of these components in the overall structure.

Eine traumatische Läsion am artikulären Knorpel stellt eine noch ungelöste Herausforderung für den behandelnden Arzt dar. Bei den betroffenen Patienten handelt es sich häufig um junge, sportlich aktive Menschen im Arbeitsprozess {Hjelle et al. 2002}, bei denen eine längerfristige Belastungs- und Bewegungseinschränkung oder sogar eine Verminderung der Erwerbsfähigkeit zwingend vermieden werden muss. Jedoch existiert für den traumatischen Gelenkknorpelschaden derzeit noch keine Therapie mit sehr gutem, funktionellem Langzeitergebnis {Richter 2005}. Die konservativen Therapieformen haben immer eine narbige Ausheilung zur Folge. Aber auch mit der chirurgischen Basisversorgung, bestehend aus Debridement und Lavage des betroffenen Gelenks, kann keine Ausheilung erreicht werden. Regenerierende Verfahren, die auf der Grundlage der Penetration des subchondralen Knochens basieren, sollen durch das Einspülen von körpereigenen Stammzellen in den Defekt eine autologe Regeneration induzieren. Langzeitstudien zeigen, dass trotz der oft erreichten, guten funktionellen Ergebnisse histomorphologisch keine Wiederherstellung von intaktem, hyalinem Gelenkknorpel erreicht werden kann {Gaissmaier et al. 2003, Bernholt/Höher 2003}. Vielversprechende neue Therapiekonzepte liefert derzeit das „Tissue Engineering“ am Gelenkknorpel. Vor allem die Autologe Chondrozytentransplantation (ACT) eröffnet vollkommen neue Behandlungsstrategien. Bei der ACT werden arthroskopisch patienteneigene Chondrozyten gewonnen, die in dreidimensionale Gele eingesät und in Zellkultur gebracht werden. Durch verschiedene Stimulationstechniken werden die Zellen zur Proliferation und Produktion von Extrazellulärer Matrix (ECM), insbesondere Kollagen und Proteoglykan, angeregt. Nach drei bis sechs Wochen Kultivierung erfolgt die Implantation in den aufbereiteten Knorpeldefekt des Patienten. Aktuelle Studien konnten zeigen, dass das Transplantat mittelfristig ohne Narbenbildung in den bestehenden Gelenkknorpel einwächst und so die Inkongruenz des Gelenks, welche präarthrotisch wirkt, aufhebt {Brittberg et al. 1996, Peterson et al. 2000, Horas et al. 2000}. Um dieses neuartige Verfahren schnell im klinischen Alltag zu etablieren, bedarf es ausgereifter analytischer Methoden, die eine Qualitätsprüfung des biotechnologisch hergestellten Knorpels ermöglichen. MALDI-TOF MS (matrix-assisted laser desorption and ionization time-of-flight mass spectrometry) ist eine schnelle und sehr sensitive Methode, um die molaren Massen von Stoffen genau zu bestimmen und komplex zusammengesetzte Proben zu analysieren. Ziel dieser Arbeit war es, MALDI-TOF Massenspektrometrie als Analyseverfahren zu nutzen, um die Zusammensetzung des natürlichen Knorpels zu bestimmen und die hier gewonnenen Erkenntnisse auf biotechnologisch hergestellten Knorpel anzuwenden. Somit war die Überprüfung der Anwendbarkeit dieser massenspektrometrischen Untersuchungsmethode auf das komplexe biologische System Knorpel die erste Fragestellung in dieser Arbeit. Es erfolgte daher zunächst die Anpassung und Optimierung der Präparations- und Messmethoden mit dem Ziel, standardisierte Protokolle festzulegen, welche zu reproduzierbaren Spektren führen. Es schloss sich die Analyse der kommerziell verfügbaren Hauptbestandteile der ECM - Proteoglykane und Kollagene – mittels MADI-TOF MS an. Hierzu wurden Chondroitinsulfat und Kollagen verschiedener Typen enzymatisch verdaut und analysiert. So konnten Referenzspektren erstellt werden, welche die Grundlage für die Analyse des wesentlich komplexeren Systems des natürlichen Knorpels bildeten. Durch den Einsatz von Trypsin zur Hydrolyse nach thermischer Denaturierung des Kollagens wurde die Differenzierung zwischen den verschiedenen Kollagentypen ermöglicht. Es schlossen sich Studien zur Quantifizierung der enzymatischen Verdauungsprodukte der ECM an, welche das Ziel verfolgten, neben der stofflichen Zusammensetzung Aussagen zu den relativen Anteilen der einzelnen Bestandteile zu erlauben. Nachdem die grundsätzliche Eignung der Methode gezeigt werden konnte, diente der zweite Teil der hier dargelegten Forschungsarbeit der Beantwortung der Frage, ob die Erkenntnisse, welche bei der Analyse der Einzelbestandteile gewonnen wurden, auf natürliches Knorpelgewebe anwendbar sind. Der artikuläre Schweineknorpel ähnelt im Aufbau und den biomechanischen Eigenschaften dem menschlichen Knorpel. Da er zudem noch günstig und in adäquaten Mengen zur Verfügung gestellt werden kann, wurde der Gelenkknorpel des Schweins als Modellgewebe für die Anwendbarkeit der Methode auf natürlichen Knorpel genutzt. Ziel war es, die Hauptbestandteile der ECM einwandfrei zu identifizieren, Untersuchungen zur Quantifizierung anzustellen und Unterschiede zwischen den Knorpeltypen verschiedener Spezies nachzuweisen. Im letzten Abschnitt dieser Arbeit erfolgte die Analyse von biotechnologisch hergestelltem Knorpel und somit die Anwendung der bisher erworbenen, vor allem einem theoretisch-wissenschaftlichem Interesse folgenden Erkenntnisse auf eine praktisch-klinische Fragestellung nach der tatsächlichen Beschaffenheit des zu transplantierenden Konstrukts. Dazu wurden Konstrukte, welche zum einem aus dreidimensionalen Agarosegele bestückt mit Chondrozyten, zum anderen aus Kollagengel mit eingesäten Stammzellen oder Chondrozyten bestanden, untersucht. Dieser Schritt erfolgte in Zusammenarbeit mit dem Biotechnologisch-Biomedizinischen Zentrum Leipzig. Ziel war es, die bis dahin etablierten Probenpräparations- und Messbedingungen auf den künstlichen Knorpel anzuwenden und mit Referenzspektren von Bestandteilen der ECM sowie des natürlichen Schweineknorpels zu vergleichen. Durch die Analyse des Materials zu verschiedenen Kultivierungszeitpunkten sollte eine Aussage über die Qualität und die Menge der de novo synthetisierten ECM erreicht werden. Mit dieser Arbeit wurde die Grundlage geschaffen, die MALDI-TOF MS als geeignetes analytisches Verfahren zur Bestimmung der Konstruktqualität einzuführen. Perspektivisch sollte es so möglich sein, die Qualität der Konstrukte, welche für die Autologe Chondrozytentransplantation bestimmt sind, zu bewerten und zu überwachen.

Heidelberg, Univ., Habil.-Schr., 2005.

Brandenburgische Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Cottbus.

Universiẗat, Diss., 2003--Dortmund.

Universiẗat, Diss., 2004--Münster (Westfalen).

abstract: In an effort to begin validating the large number of discovered candidate biomarkers, proteomics is beginning to shift from shotgun proteomic experiments towards targeted proteomic approaches that provide solutions to automation and economic concerns. Such approaches to validate biomarkers necessitate the mass spectrometric analysis of hundreds to thousands of human samples. As this takes place, a serendipitous opportunity has become evident. By the virtue that as one narrows the focus towards "single" protein targets (instead of entire proteomes) using pan-antibody-based enrichment techniques, a discovery science has emerged, so to speak. This is due to the largely unknown context in which "single" proteins exist in blood (i.e. polymorphisms, transcript variants, and posttranslational modifications) and hence, targeted proteomics has applications for established biomarkers. Furthermore, besides protein heterogeneity accounting for interferences with conventional immunometric platforms, it is becoming evident that this formerly hidden dimension of structural information also contains rich-pathobiological information. Consequently, targeted proteomics studies that aim to ascertain a protein's genuine presentation within disease- stratified populations and serve as a stepping-stone within a biomarker translational pipeline are of clinical interest. Roughly 128 million Americans are pre-diabetic, diabetic, and/or have kidney disease and public and private spending for treating these diseases is in the hundreds of billions of dollars. In an effort to create new solutions for the early detection and management of these conditions, described herein is the design, development, and translation of mass spectrometric immunoassays targeted towards diabetes and kidney disease. Population proteomics experiments were performed for the following clinically relevant proteins: insulin, C-peptide, RANTES, and parathyroid hormone. At least thirty-eight protein isoforms were detected. Besides the numerous disease correlations confronted within the disease-stratified cohorts, certain isoforms also appeared to be causally related to the underlying pathophysiology and/or have therapeutic implications. Technical advancements include multiplexed isoform quantification as well a "dual- extraction" methodology for eliminating non-specific proteins while simultaneously validating isoforms. Industrial efforts towards widespread clinical adoption are also described. Consequently, this work lays a foundation for the translation of mass spectrometric immunoassays into the clinical arena and simultaneously presents the most recent advancements concerning the mass spectrometric immunoassay approach. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Biochemistry 2011

High level of agricultural products processing and especially better storage of products currently represent one of the hottest topics. At the same time, there is a lot of effort to grow crops without chemical substances. Root vegetables, which are consumed a lot, are prone to many harmful and damaging influences. There are several risk factors, including a long vegetation period. This creates an opportunity to use natural substances, in particular essential oils. Their effects are used in various different fields because they are safe for the environment as well as for the human health and the area of food commodities treatment. This study focuses on antibacterial activity testing of several essential oils: satureja, cinnamon, clove, thyme and oregano. Carrot, garden parsley and celery were chosen as representatives of root vegetables. The antibacterial activity was measured by the broth microdilution method. Even though the vegetables were inoculated with pathogenic bacteria, putrefaction did not develop in the specific places. Therefore an isolate from the parsley and the celery was then used to identify several other microorganisms by the MALDI TOF mass spectrometry. Consequently, the minimum inhibitory concentration of essential oils was again tested against these bacteria in in vitro conditions. There was a demonstrable positive result: the most frequent minimum inhibitory concentration of the cinnamon essential oil was 0.128 mg/ml. At this level the essential oil inhibited eight out of the seventeen tested microorganisms. The other tested essential oils showed some inhibition activity at least against one bacterium in in vitro conditions.

Proteomics is an increasingly important area of biological research and has gathered much attention over recent years. Major challenges that make a proteomic analysis difficult are sample complexity, diversity and dynamic range. Progress in the area of proteomics relies heavily on new analytical tools for the sensitive, selective, and high-throughput studies of target analytes. It is estimated that there are several hundred thousand proteins in a human cell. In order to be able to analyze such a complex sample, an analytical method must be capable of separating and detecting many different sample peaks. The complexity of such samples indicates that a single separation method will not be able to provide the needed resolution. If two methods that are orthogonal are combined, then the peak capacity of the combined system is the product of the two individual peak capacities. Development of such systems would cater to the current demands of proteomics studies. Matrix assisted laser desorption/ionization (MALDI) mass spectrometry has evolved into a primary analytical tool for proteomics research. MALDI is fast and efficient and has a high tolerance to non-volatile buffers and impurities. The samples for MALDI are typically applied to solid supports after having been subjected to off-line liquid or gel separations. Several methods have been reported involving various chromatographic or electrophoretic separation methods. However, the current methods often require highly sophisticated sample handling systems, which are often expensive and in need of skilled human resources. The current demands of proteomic analyses require fast, efficient and inexpensive methods for separation to fully harness the capability of MALDI mass spectrometry. In this work a microfluidic device has been designed to perform dynamic isoelectric focusing (DIEF) based protein separation with digital sample deposition directly on a MALDI target for offline analysis. DIEF is related to capillary isoelectric focusing which and can facilitate the interface without the loss of the separation resolution. Compared to traditional capillary isoelectric focusing (cIEF) DIEF uses additional high-voltage power supplies to control the pH gradient by manipulating the electric field. The proteins can be focused at a desired sampling position according to their isoelectric point, to be collected for further analysis by MALDI mass spectrometry. DIEF has a peak capacity of over a thousand and offers an ease of interfacing to other techniques making it a preferred separation method for the interface with mass spectrometric techniques such as MALDI. The design of the microfluidic device is based on a digital droplet fractionation. Multiple fractions of the sample solution from DIEF are generated to retain the resolution and to act as an additional separation mode. The microfluidic device is controlled by actuating pneumatic valves built into the device. The DIEF operational parameters were optimized according to the surface functionality and the design of the microfluidic device. A suitable MALDI sample preparation method was found by studying different existing methods. The methods were studied using test proteins prepared in solutions having the additives used in the experiment. A simple mixture of three proteins was used to demonstrate the application of the developed method. The separation between the proteins insulin, hemoglobin and the myoglobin was demonstrated by varying the separation resolution in three experiments.