Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung des Metabolismus sowie der Reaktivität verschiedener Wirk- und Arzneistoffe mittels flüssigchromatographischer und massen-spektrometrischer Methoden, sie gliedert sich dabei in vier Projekte. Zur Bestimmung des Metabolitenprofils wurde ein passendes In-vitro-Inkubationssystem mit Cytochrom-P-450-Systemen entwickelt. So wurden der Metabolismus und die Pharmakokinetik der Mip-Inhibitoren SF110, SF235 und SF354 gegen Legionellen, sowie neuer antitrypanosomaler Verbindungen MB209, MB343 und MB444 und von Daptomycin bestimmt. Darüber hinaus wurde die antibakterielle Aktivität des Daptomycins gegenüber einem unbekannten Staphylokokkus-Stammes S. sciuri ermittelt. Außerdem wurden Reaktivitätsuntersuchungen neu synthetisierter Inhibitoren gegen Tuberkulose und S. aureus durchgeführt. Die untersuchten Mip-Inhibitoren lieferten ein Metabolitenprofil, welches durch Ester- und Amidhydrolysen sowie Hydroxylierungen geprägt wurde. Die Verbindung SF110 schien dabei bereits eine gewisse Instabilität der Esterbindung aufzuweisen, da auch im Blindwert entsprechende Spaltprodukte identifiziert werden konnten. Die Hauptmetabolite von SF235 und SF354 bildeten sich durch unterschiedliche Hydrolysen, da die Spaltung des Moleküls von den jeweiligen Substituenten abhängig ist. Innerhalb dieser Substanzklasse dominiert die mikrosomale Enzymkatalyse, da der größte metabolische Umsatz sowie die meisten Metabolite mittels mikrosomaler Fraktion des Menschen bzw. der Maus gefunden wurden. Die Klasse der Mip-Inhibitoren wird somit vor allem durch Cytochrom-P-450-Enzyme umgesetzt, wobei die Hydrophilie durch Einführung polarer OH-Gruppen der Moleküle erhöht wird. Die Hydroxylierung scheint dabei positionsspezifisch, bedingt durch sterische Hinderungen oder dirigierende Einflüsse, abzulaufen. Stabilitätsvergleiche zwischen SF110, SF235 und SF354 zeigten, dass die Einführung einer Amidbindung anstelle der korrespondierenden Esterbindung die Substanzklasse maßgeblich metabolisch stabilisiert. Im Rahmen des murinen In-vivo-Metabolismus wurde beobachtet, dass SF235 einem deutlich stärkeren Metabolismus unterlag als SF354 und sich der Metabolismus vor allem innerhalb der ersten 30 min vollzog. Demgegenüber zeigten die In-vitro-Ergebnisse gegenteilige Ergebnisse, bei denen SF354 die am stärksten metabolisierte Substanz war. Diese widersprüchlichen Ergebnisse deuten darauf hin, dass In-vitro-Modelle nur als Anhaltspunkt verwendet werden sollten, um mögliche Trends abzuleiten. Metabolismusstudien der Chinolonamide, die gegen die afrikanische Schlafkrankheit wirken sollen, veranschaulichten, dass die größte enzymatische Umsetzung aller drei getesteten Verbindungen mittels cytosolischer Fraktion erfolgte. Die Enzymreaktionen werden vermutlich durch ALDH bzw. MAO dominiert und nicht durch CYP bzw. FMO. Die gebildeten Metabolite in den verschiedenen Fraktionen unterlagen (ω-1)-Oxidationen, N-Desalkylierungen, Amidhydrolysen und aromatischen Hydroxylierungen. Auffallend war, dass eine Hydroxylierung am aromatischen Benzylring nur erfolgen konnte, sofern der Benzylaromat keinen Fluorsubstitutenten trug, da dieser desaktivierend wirkte. Die aromatische Hydroxylierung am Chinolonamid erfolgte dagegen bei allen drei Substanzen. Es wurde somit lediglich eine Hydroxylierung am Benzylring von MB343 festgestellt. Die enzymatische Aktivität aller Substanzen folgte einer Reaktionskinetik 1. Ordnung. Die unterschiedlichen Stabilitäten der Substanzen zeigten einen deutlichen Trend: MB209 wurde, da es die instabilste Verbindung darstellt, im größten Maße umgesetzt, gefolgt von den stabileren Derivaten MB343 und MB444. Die Untersuchung der enzymatischen Aktivitäten zeigte, dass die drei Substanzen, verglichen mit der Leitstruktur GHQ168, eine um den Faktor zehn geringere Aktivität aufwiesen [19]. Aufgrund der eingeführten Fluoratome weisen die Substanzen somit eine wesentlich höhere Stabilität auf. Diese Ergebnisse wurden durch die Untersuchung der Halbwertszeit bestätigt, bei der MB444 den höchsten Wert besaß. Weiterhin ist die Position des Fluorsubstituenten am Chinolongerüst ausschlaggebend für die metabolische Stabilität, wobei MB444 aufgrund des para-Fluorsubstituenten am Chinolonamid die stabilste Verbindung darstellt. Durch Inkubation von Daptomycin mit unterschiedlichen S. sciuri-Isolaten wurde ein möglicher Inaktivierungsmechanismus beobachtet, bei dem das Antibiotikum durch Spaltung des cyclischen Aminosäureringes, durch Deacylierung des Fettsäureschwanzes, einer Kombination beider Mechanismen oder durch eine Spaltung des heteroaromatischen Ringsystems von Tryptophan inaktiviert wurde. Die Proteasen des Daptomycin-resistenten S. sciuri-Isolats TS92 führten zu einem Daptomycinabbau von 35 %, unabhängig von der eingesetzten Menge des Arzneistoffes. Das Ausmaß des Abbaus scheint darüber hinaus vom eingesetzten Inkubationsmedium abhängig zu sein, da die Proteasen voraussichtlich auf ein bestimmtes Nährmedium angewiesen sind. Der sensitive S. sciuri-Stamm TS93 lieferte die höchste Abbaurate an Daptomycin mit 55 % und widerlegt damit die Vermutung, dass Daptomycin die geringste antibakterielle Aktivität gegenüber diesem S. sciuri-Stamm aufweist. Im In-vitro-Metabolismus zeigte Daptomycin insgesamt eine sehr geringe Umsetzungsmenge mit maximal 5 % nach 4 h und einer geringen Metabolitenbildung. Hier wurde nur ein Metabolit gefunden, welcher auch mittels S. sciuri-Inkubation identifiziert wurde. Dieser Mechanismus könnte somit auf anderem Wege verlaufen. Die Reaktivitätsstudien der kovalenten Inhibitoren der FadA5-Thiolase gegen Tuberkulose zeigten, dass nur die Verbindungen C1 und C4 eine Reaktivität gegenüber der Aminosäure Cystein93 im aktiven Zentrum besaßen, die somit für den gewünschten Einsatzzweck geeignet sein könnten. Weiterhin wurde bei den kovalenten Inhibitoren der Enoyl-ACP-Reduktase mit dem Enzym FabI, welches im aktiven Zentrum ein Tyrosin besitzt, keine Reaktion festgestellt, da keine Addukte identifiziert wurden. Dies ist vermutlich auf die Unlöslichkeit im verwendeten TRIS-Puffer zurückzuführen. / This work deals with the investigation of the metabolism as well as the reactivity of different drug candidates as well as active pharmaceutical substances by means of liquid chromatographic and mass spectrometric methods. It is divided into four projects. In order to determine the metabolite profile, a suitable in-vitro incubation system using cytochrome P-450-systems was developed. Thus, the metabolism and pharmacokinetics of the Mip inhibitors SF110, SF235, and SF354 against Legionella, as well as of new antitrypanosomal compounds MB209, MB343, and MB444 and of daptomycin were determined. In addition, the antibacterial activity of daptomycin against an unknown Staphylococcus strain S. sciuri was determined. In addition, reactivity studies of newly synthesized inhibitors against tuberculosis and S. aureus were performed. The Mip inhibitors investigated showed a metabolite profile being characterized by ester and amide hydrolysis as well as hydroxylation. The ester moiety of compound SF110 seemed to be unstable, as metabolites could be also identified in the negative control. The major metabolites of SF235 and SF354 were formed by different hydrolyses, whereby the cleavage mechanism of the molecule is dependent on the respective substituents. The substance class is dominated by microsomal enzyme catalysis, as the highest metabolic turnover and, eventually, the most metabolites were found using a microsomal fraction of the human and mouse. The class of Mip inhibitors is thus represented mainly by cleavage due to cytochrome P-450 enzymes, wherein the hydrophilicity of the substrate is increased by introducing polar hydroxyl groups. Hydroxylation seems to be site specific due to steric hindrance or directing influences. Comparing the stability of SF110, SF235, and SF354 revealed that introducing an amide bond instead of an ester bond significantly stabilizes the substance class metabolically. In murine in vivo metabolism results, SF235 was found to be metabolized more significantly than SF354 within the first 30 min of incubation. In contrast, the in vitro results showed the opposite. SF354 was the most metabolized substance. The contradictory results suggest that in vitro models should only be used as an indicator to derive possible trends. Metabolism studies of quinolonamides active against African sleeping sickness, demonstrated that the highest enzymatic conversion of all three tested compounds was caused by the cytosol fraction. The enzyme reactions are probably catalyzed by ALDH or MAO and not by CYP or FMO, respectively. The formed metabolites found in various fractions were subject to (ω-1)-oxidations, N-dealkylations, amide hydrolyses, and hydroxylations. It was observed that hydroxylation could only take place on the aromatic benzyl ring if it did not carry any fluorine substituents having a deactivating effect. The aromatic hydroxylation of the quinolonamide, however, was carried out in all three substances. Thus, only hydroxylation on the benzyl ring of MB343 was observed. The enzymatic activity of all substances followed a first-order kinetic. The different stabilities of the substances had a clear trend: MB209 showed the highest enzymatic activity as it represents the most unstable compound, followed by MB343 and MB444. The enzymatic activities of the three substances were ten times lower compared to the enzymatic activity of lead structure GHQ168 [19], which exhibits a much higher stability due to the fluorine atoms. These results were confirmed by a half-life study in which MB444 was the most stable compound. The position of the fluorine substituent on the quinolone determines the metabolic stability, making MB444 the most stable compound because it carries a p-fluorine substituent on the quinolonamide. When incubating Daptomycin with different S. sciuri isolates, a possible inactivation mechanism of the antibiotic agent was observed in which the cyclic amino acid ring was opened, the fatty acid tail deacylated, or a combination of both mechanisms as well as the heteroaromatic ring system of tryptophan was cleaved. The proteases of the daptomycin-resistant S. sciuri isolate TS92 led to a daptomycin degradation of 35%, regardless of the initial concentration used. The degradation also seems to depend on the incubation medium since the proteases probably rely on a specific nutrient medium. The sensitive S. sciuri strain TS93 showed the highest degradation rate of daptomycin with 55 % and thus refutes the assumption that it has the smallest antibacterial sensitivity against daptomycin. Overall, DAP showed a very low in vitro metabolism with a conversion rate of maximum 5% after 4 h and a low metabolic rate. Here, only one metabolite could be found which was also identified by means of S. sciuri incubation. Thus, this mechanism could proceed in a different way. The reactivity studies of the covalent inhibitors of the thiolase of the FadA5 enzyme against tuberculosis showed that only compounds C1 and C4 targeted cysteine93, thus being suitable for the desired purpose. Furthermore, no reaction was observed for in the covalent inhibitors of the enoyl-ACP reductase with the enzyme FabI, which carries a tyrosine in the active site, since no adducts were identified. This is probably due to the insolubility in the TRIS buffer.

Das Nebennierenrindenkarzinom (ACC) ist eine sehr seltene maligne Erkrankung, die mit einer infausten Prognose vergesellschaftet ist. In Zeiten apparativ geprägter Medizin treten suspekte Befunde der Nebenniere gehäufter auf als je zuvor. Diese Nebennierenraumforderungen, die zumeist bei Bildgebungen auffallen, die aus anderen Gründen indiziert waren, werden Nebenniereninzidentalome genannt und sind meist benigne Befunde. Dennoch wird es angesichts dieser steigenden Zahl an Inzidentalomen immer wichtiger, die Entität der gefundenen Raumforderung schnell zu sichern, um die entsprechende Therapie einleiten zu können. Somit sollen das Zeitfenster bis zur Krebstherapie verkleinert und gleichsam unnötige chirurgische Eingriffe bei Patient*innen mit benignen Nebennierentumoren vermieden werden. Um die diagnostischen Schritte weiter zu verbessern, wurde in der vorliegenden Arbeit eine bioinformatische Regressionsanalyse an Steroidhormonkonzentrationen von ACC-Patient*innen und Kontrollen durchgeführt und der diagnostische Wert der berechneten Steroidsignaturen untersucht. Dabei zeigte sich im geschlechtsspezifischen Modell jeweils eine 6-Steroid-Signatur mit bester Trennschärfe zwischen benignen und malignen NN-Befunden. So konnte mit der 6-Steroid-Signatur in der männlichen Patientengruppe mit einer Sensitivität von 80% und Spezifität von 97%, in der weiblichen Patientinnengruppe mit einer Sensitivität von 78% und Spezifität von 97% die Diagnose richtig zugewiesen werden. Im Rahmen der targeted Metabolomics Untersuchung konnten Tumor-assoziierte Stoffwechselalterationen aufgezeigt werden. Eine Plasma-Metabolit-Signatur zur Differenzierung von ACCs und Nebennierenadenomen, welche die gängige Diagnostik bei der Abklärung von unklaren Nebennierentumoren erleichtern könnte, erscheint jedoch angesichts der großen Anzahl an zu bestimmenden Metaboliten - auch unter ökonomischen Gesichtspunkten - zu diesem Zeitpunkt noch nicht mit der Routine-Patient*innenversorgung vereinbar. / Adrenocortical carcinoma (ACC) is a very rare malignant disease and is associated with poor prognosis. Suspicious findings of the adrenal gland occur more frequently than ever before. Adrenal mass which is detected on imaging that is not performed for suspected adrenal disease is called adrenal incidentaloma. In most cases adrenal incidentalomas reveal benign findings. Malignancy is rare. Nevertheless, in view of this increasing number of incidentalomas diagnostic tools are needed to be able to initiate the appropriate therapy. In order to further improve the diagnostic steps, a bioinformatic regression analysis of steroid hormone concentrations of ACC patients and controls was carried out in the present work and the diagnostic value of the calculated steroid signatures was examined. The gender-specific model revealed a 6-steroid signature to be most discriminative between benign and malignant adrenocortical tumors. Thus, by applying the 6-steroid signature in the male patient group diagnosis could be correctly assigned with a sensitivity of 80% and specificity of 97%, in the female patient group with a sensitivity of 78% and specificity of 97%. As part of the targeted metabolomics examination, tumor-associated metabolic alterations were detected. However, a plasma metabolite signature for the differential diagnosis of adrenocortical tumors does not yet seem compatible with routine patient care regarding the large number of metabolites to be determined - also from an economic point of view.

Die Krebserkrankung ist bis zum heutigen Zeitpunkt eine große Belastung in unserer Gesellschaft. Obwohl es stets Fortschritte in der Entwicklung neuer Therapiemöglichkeiten gibt, stellt die Behandlung auch in der modernen Medizin eine enorme Herausforderung dar. Darum besteht bis heute ein hoher Bedarf an neuen und weiterentwickelten Behandlungsmöglichkeiten. Um die Proliferation einer neoplastischen Zelle zu beeinflussen, stellen die Biomasse und die Energie einen grundlegenden Ansatz dar. Hier bieten sich vor allem die Aminosäuren als wesentlicher Baustein der Zellmasse und der Energieträger „Glukose“ an, wodurch sich die beiden Ansätze einer Protein- bzw. Aminosäure-Restriktion und einer Glukose-Restriktion ergeben. Ziel ist es durch eine veränderte Stoffwechsellage einen Low-Energy-Metabolismus (LEM) zu induzieren, welcher die Zelle in einen sich selbst regenerierenden, antiproliferativen Zustand versetzt. Zusätzlich sollte untersucht werden, ob sich die beiden Ansätze grundsätzlich als Therapieform gegen das Plattenepithelkarzinom (HNSCC) eignen. Zudem sollte ein Modell einer humanen Zelllinie erstellt werden, mit Hilfe dessen sich ein LEM auf metaboler Ebene charakterisieren lässt. Die Ergebnisse zeigen, dass Zellen unter konstanter Glukose-Restriktion teils sensitiver auf Todesliganden reagieren. Außerdem wirken Kalorien-Restriktions-Mimetika antiproliferativ auf HNSCC Zellen. Hinzu kommt, dass eine Methionin-Restriktion Einfluss auf die Genexpression jener Gene hat, die mit der LEM-Signalkaskade in Zusammenhang stehen. Zuletzt lieferte die massenspektrometrische Analyse von mehr als 150 Metaboliten der humanen Zelllinie HeLa ein detailliertes Bild ihres Metabolismus unter Methionin-Restriktion. Durch die Definition eines charakteristischen Fingerabdrucks nach 72 h und eines kleinen Fußabdrucks aus wenigen Metaboliten, konnte ein humanes Modellsystem etabliert werden, dass zukünftig u.a. die schnelle Analyse von Kalorien-Restriktions-Mimetika ermöglicht. / Cancer continues to be a major burden in our society to this day. Although there is always progress in the development of new treatment options, treatment remains an enormous challenge even in modern medicine. That is why there is a high demand for new and advanced treatment options to this day. To influence the proliferation of a neoplastic cell, biomass and energy represent a fundamental approach. In this context, amino acids as an essential building block of the cell mass and the energy carrier "glucose" are particularly suitable, resulting in the two approaches of protein or amino acid restriction and glucose restriction. The aim is to induce a low-energy metabolism (LEM) by changing the metabolic state, which will put the cell into a self-regenerating, anti-proliferative state. In addition, it should be investigated whether the two approaches are suitable in principle as a form of therapy against head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC). Furthermore, to establish a model of a human cell line that can be used to characterize LEM at the metabolic level. The results show that cells under constant glucose restriction are partly more sensitive to death ligands. Moreover, caloric restriction mimetics have an antiproliferative effect on HNSCC. In addition, methionine restriction has an impact on gene expression of those genes related to the LEM signaling cascade. Most recently, mass spectrometric analysis of more than 150 metabolites from the human cell line HeLa provided a detailed picture of their metabolism under methionine restriction. By defining a characteristic fingerprint after 72 h and a small footprint consisting of a few metabolites, a human model system could be established that will allow, among other things, the rapid analysis of caloric restriction mimetics in the future.

Im Mittelpunkt dieser Arbeit stand die Analytik eines monoklonalen Antikörpers, der spezifisch auf Cisplatin-behandelte DNA reagiert und bereits routinemäßig zu diagnostischen Zwecken bei der Krebstherapie mit ebendiesem Zytostatikum eingesetzt wird. Zu diesem Zweck wurden vor allem massenspektrometrische Methoden eingesetzt, um einerseits den genauen Aufbau sowie die Zusammensetzung des Antikörpers zu untersuchen und andererseits die Antigenspezifität einer genaueren Betrachtung zu unterziehen. Mit Hilfe von nano-ESI-MS konnte der Antikörper unter Erhalt der nativen Struktur in der Gasphase analysiert werden. Tandem-MS-Experimente lieferten nicht nur einen Einblick in typische Fragmentierungs-muster, sondern generierten z. T. auch Informationen über die Primärsequenz einiger Bereiche des Antikörpers. Die im Fc-Teil gebundenen Glycanstrukturen, die sowohl für die Struktur als auch die Funktionalität des Antikörpers eine entscheidende Rolle spielen, wurden nach enzymatischer Abspaltung separat mit Hilfe von MALDI-MS analysiert. Die vollständige Antikörpersequenz wurde durch proteolytische Spaltung des Antikörpers, Analytik mittels hochaufgelöster Tandem-MS und anschließendem Vergleich mit Daten aus der Sequenzierung auf DNA-Ebene bzw. bekannten Antikörpersequenzen aus Proteindatenbanken aufgeklärt. Im selben Zug konnten auf Peptidebene eine Vielzahl verschiedener posttranslationaler Modifikationen nachgewiesen werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass der Antikörper unter Erhalt seiner Struktur und der antigenbindenden Eigenschaften an den Zuckerstrukturen mit einem eigens synthetisierten Metallkomplex markiert werden kann. Die für die Spezifitätsstudie des Antikörpers notwendigen Antigene wurden durch Inkubation synthetischer einzel- und doppelsträngiger DNA-Oligomere mit Cisplatin erzeugt und analysiert. Anschließend wurden die verschiedenen Antikörper-Antigen-Komplexe unter nativen Bedingungen hergestellt und massenspektrometrisch charakterisiert. Um einen Eindruck von der Komplexstabilität zu erhalten wurden zusätzlich MS/MS-Untersuchungen des Komplexes mit der platinierten doppelsträngigen DNA durchgeführt. Wie bei der Analytik des freien Antikörpers konnten auch hier spezifische Fragmente detektiert werden. / The focus of the thesis was the characterization of a monoclonal antibody, which binds specifically to cisplatin-treated DNA and is already used for diagnostic purposes in cancer therapy. The structure and composition of the antibody, as well, as the antigen specificity were investigated by mass spectrometry. Using nano-ESI-MS it was possible to analyse the antibody in its native state. Tandem-MS experiments revealed not only specific antibody fragments but also gave information on the primary structure of the antibody. The Fc-bound glycans that are responsible for antibody structure and functionality, were cleaved enzymatically and studied with MALDI-MS. For a detailed determination of the primary structure, the antibody was proteolysed with different enzymes and analyzed via high resolution Tandem-MS. The data was evaluated by comparism with results from sequence analysis on DNA level and known antibody sequences from protein databases. Simultaneously many different posttranslational modifications were identified. Furthermore, the antibody was successfully labelled with a metal complex at its sugar structures without loss of its structure and function. For investigation of the antibody specificity antigens were generated by incubation of well-defined single and double stranded DNA oligomers with cisplatin. Antibody-antigen-complexes were synthesized and analyzed by mass spectrometry under native conditions. The stability of the complex with double stranded DNA was also investigated by MS/MS-experiments. Thus, it was also possible to determine the specific fragmentation behavior for the complex just as for the free antibody.

The major goal of this study was to develop an experimental proteomics approach for deciphering protein complexes and protein interaction networks in the budding and fission yeasts. Key steps of the employed analytical routine, including the purification of complexes and mass spectrometric identification of their subunits, were investigated in detail. Archiving, storage and handling of polyacylamide gels, visualization of protein bands and their effect on the efficiency of in-gel digestion and mass spectrometric identification of proteins were quantitatively evaluated. It was further demonstrated that a combination of several mass spectrometric techniques based on MALDI and ES ionization provided complementary data and enabled comprehensive characterization of protein digests. The optimized analytical procedures were employed in deciphering protein complexes and protein interaction networks in the budding and fission yeasts. A combination of Tandem Affinity Purification (TAP) and mass spectrometric identification of gel separated protein subunits is generic and robust strategy that provided accurate and reproducible data. The evaluation of TAP success rate, reproducibility and typical protein background presented in this work is based on TAP tagging and immunoprecepitation of 75 genes in S. cerevisiae and 22 in S. pombe. The molecular composition of characterized protein complexes was compared with protein-protein interactions uncovered by other established methods, such as yeast two hybrid screens or proteome-wide purification of protein complexes. We found that repetitive purification of protein complexes using different subunits as baits is crucially important for confident charting of proteomic environments. Accurate dissection of individual protein complexes and identification of their proteomic hyperlinks enabled to consider proteomic environments in the phylogenetic perspective and paved the way to reliable projection of proteomics data obtained in lower eukaryotic model organisms to higher eukaryotes, including humans.

Cells, whether bacterial, fungal or mammalian, are all equipped with metabolic pathways capable of producing an assortment of structurally and functionally distinct lipid species. Despite the structural diversity of lipids being recognized and correlated to specific cellular phenomena and disease states, the molecular mechanisms that underpin this structural diversity remain poorly understood. In part, this is due to the lack of adequate analytical techniques capable of measuring the structural details of lipid species in a direct, comprehensive and quantitative manner. The aim of my thesis study was to establish methodology for automated and quantitative analysis of molecular lipid species based on mass spectrometry. From this work a novel high-throughput methodology for lipidome analysis emerged. The main assets of the methodology were the structure-specific mass analysis by powerful hybrid mass spectrometers with high mass resolution, automated and sensitive infusion of total lipid extracts by a nanoelectrospray robot, and automated spectral deconvolution by dedicated Lipid Profiler software. The comprehensive characterization and quantification of molecular lipid species was achieved by spiking total lipid extracts with unique lipid standards, utilizing selective ionization conditions for sample infusion, and performing structure-specific mass analysis by hybrid quadrupole time-of-flight and ion trap mass spectrometry. The analytical routine allowed the comprehensive characterization and quantification of molecular glycerophospholipid species, molecular diacylglycerol species, molecular sphingolipid species including ceramides, glycosphingolipids and inositol-containing sphingolipids, and sterol lipids including cholesterol. The performance of the methodology was validated by comparing its dynamic quantification range to that of established methodology based on triple quandrupole mass spectrometry. Furthermore, its efficacy for lipidomics projects was demonstrated by the successful quantitative deciphering of the lipid composition of T cell receptor signaling domains, mammalian tissues including heart, brain and red blood cells, and the yeast Saccharomyces cerevisiae.

Als Aerosol bezeichnet man ein Ensemble aus festen oder flüssigen Partikeln, getragen von einem gasförmigen Medium. Zur Untersuchung von einzelnen über längere Zeit berührungsfrei gespeicherten Modellaerosolpartikeln wurde ein Experiment aufgebaut und charakterisiert. Eine elektrodynamische Falle nach Paul dient zur berührungsfreien Speicherung. In verschiedenen Rezipienten können Umweltparameter, wie die Temperatur, der Druck und die Gaszusammensetzung kontrolliert werden. Mit Hilfe der elastischen Mie-Streung und der inelastischen Raman-Streuung monochromatischen Lichts wird auf die Zusammensetzung, die Größe und den Brechungsindex in situ rückgeschlossen. Eine Computer-basierte Mess- und Regelungstechnik ermöglicht Prozessstudien mit Messdauern von einigen Sekunden bis zu mehreren Tagen, in denen die Änderung oben genannter Partikeleigenschaften unter Vorgabe bestimmter Umweltparameter beobachtet werden können. Zur Abschätzung der Größe von sphärischen und kristallinen Partikeln wurde eine Methode entwickelt, die die Musteranalyse des Streulichtfernfelds mit Hilfe der räumlichen Fourier-Transformation als Grundlage hat.Schnelle Prozesse, wie z.B. die Bewegung des Teilchens in der Falle oder Phasenübergänge von gespeicherten Partikeln, können mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgenommen und mit Musteranalyseverfahren charakterisiert werden.Schließlich wird die chemische Totalanalyse von einzelnen Partikeln unter Anwendung eines time-of-flight-Massenspektrometers beschrieben. Einzelne Partikel werden dazu mit Hilfe eines Transfersystems aus der Speicherumgebung in das Massenspektrometer überführt und anschließend ex situ analysiert.

Sowohl in der Klinischen Labormedizin, der Klinischen Mikrobiologie als auch in der Pathologie ist die Massenspektrometrie (MS) ein bedeutender Bestandteil der Diagnostik geworden. Der Fortschritt in der Gerätetechnik ermöglicht in kurzer Zeit viele, hochaufgelöste Spektren zu generieren. Diese Informationsvielfalt macht die manuelle Auswertung durch den Anwender sehr kompliziert bis unmöglich. Aus diesem Grund ist die Unterstützung durch bioinformatische Programme notwendig. Für die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und die Qualitätskontrolle ist es essentiell, dass die verwendeten Algorithmen transparent und die Programme als Open Source Software (OSS) frei verfügbar sind (Aebersold and Mann, 2003). Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von MALDIquant, einer unter der GNU General Public License (GPL) stehenden, flexiblen OSS, die für die o.g. Anwendungsbereiche modernste Algorithmen für die komplette Analyse bietet und in der freien Programmiersprache R (R Core Team, 2014) geschrieben ist. Im Zusammenspiel mit dem dazugehörigen Paket MALDIquantForeign ist MALDIquant in der Lage die üblichen Dateiformate der verschiedenen MS-Geräte zu verarbeiten. Dadurch ist MALDIquant hersteller- und geräteunabhängig und eignet sich nicht nur für MALDI/TOF, sondern für alle zweidimensionalen MS-Daten. Angefangen vom Datenimport über die Prozessierung bis hin zur Analyse der Spektren bietet MALDIquant eine komplette Analyse-Pipeline und implementiert state-of-the-art Methoden. Neben weit verbreiteten Verfahren zur Baseline Correction und Peak Detection zeichnet sich MALDIquant besonders durch ein hervorragendes Peak Alignment aus. Dieses ist sehr genau und aufgrund des Fokus auf die Peaks schneller als die meisten anderen Verfahren und weitestgehend unabhängig von der Qualität der Intensitätenkalibrierung. Eine weitere Stärke von MALDIquant ist die Möglichkeit, eigene Algorithmen zu integrieren, sowie den Ablauf der Analyse den individuellen Bedürfnissen anzupassen. In der beispielhaften Analyse der Daten von Fiedler et al. (2009) konnten durch MALDIquant Peaks gefunden werden, die Patienten mit Pankreaskarzinom von nicht erkrankten Probanden unterscheiden. Einige dieser Peaks wurden bereits in anderen Publikationen beschrieben. Neben diesem Beispiel hat MALDIquant seine Nützlichkeit bereits in verschiedenen Anwendungsbereichen und Publikationen bewiesen, wie etwa in Ouedraogo et al. (2013) oder Jung et al. (2014).

The major goal of this study was to develop an experimental proteomics approach for deciphering protein complexes and protein interaction networks in the budding and fission yeasts. Key steps of the employed analytical routine, including the purification of complexes and mass spectrometric identification of their subunits, were investigated in detail. Archiving, storage and handling of polyacylamide gels, visualization of protein bands and their effect on the efficiency of in-gel digestion and mass spectrometric identification of proteins were quantitatively evaluated. It was further demonstrated that a combination of several mass spectrometric techniques based on MALDI and ES ionization provided complementary data and enabled comprehensive characterization of protein digests. The optimized analytical procedures were employed in deciphering protein complexes and protein interaction networks in the budding and fission yeasts. A combination of Tandem Affinity Purification (TAP) and mass spectrometric identification of gel separated protein subunits is generic and robust strategy that provided accurate and reproducible data. The evaluation of TAP success rate, reproducibility and typical protein background presented in this work is based on TAP tagging and immunoprecepitation of 75 genes in S. cerevisiae and 22 in S. pombe. The molecular composition of characterized protein complexes was compared with protein-protein interactions uncovered by other established methods, such as yeast two hybrid screens or proteome-wide purification of protein complexes. We found that repetitive purification of protein complexes using different subunits as baits is crucially important for confident charting of proteomic environments. Accurate dissection of individual protein complexes and identification of their proteomic hyperlinks enabled to consider proteomic environments in the phylogenetic perspective and paved the way to reliable projection of proteomics data obtained in lower eukaryotic model organisms to higher eukaryotes, including humans.

Over the past decades, electrospray ionization for mass spectrometry (ESI-MS) has become one of the most commonly employed techniques in analytical chemistry, mainly due to its broad applicability to polar and semipolar compounds and the superior selectivity which is achieved in combination with high resolution separation techniques. However, responsiveness of an analytical method also determines its suitability for the quantitation of chemical compounds; and in electrospray ionization for mass spectrometry, it can vary significantly among different analytes with identical solution concentrations. Therefore, we investigated the ESI-response behavior of 56 nitrogen-containing compounds including aromatic amines and pyridines, two compound classes of high importance to both, synthetic organic chemistry as well as to pharmaceutical sciences. These compounds are increasingly analyzed employing ESI mass spectrometry detection due to their polar, basic character. Signal intensities of the peaks from the protonated molecular ion (MH+) were acquired under different conditions and related to compound properties such as basicity, polarity, volatility and molecular size exploring their quantitative impact on ionization efficiency. As a result, we found that though solution basicity of a compound is the main factor initially determining the ESI response of the protonated molecular ion, other factors such as polarity and vaporability become more important under acidic solvent conditions and may nearly outweigh the importance of basicity under these conditions. Moreover, we show that different molecular descriptors may become important when using different types of instruments for such investigations, a fact not detailed so far in the available literature.