Im Rahmen dieser Arbeit wurden neuartige Modifikationen von Elektrodenoberflächen zur spezifischen und unspezifischen Immobilisierung von Proteinen im Hinblick auf die massenspezifische und voltammetrische Erfassung von Proteinwechselwirkungen untersucht. Im Zusammenhang mit der massenspezifischen Erfassung von Proteinwechselwirkungen wurde eine Kleinst-Volumen-Messzelle (Vi = 80 µl) entwickelt, die, mit einem 5 MHz-Quarz ausgestattet, ein Rauschen von Δf = ± 0.1 Hz und eine Langzeitstabilität in wässrigem Milieu von etwa 1-2 Hz / h aufweist. Die Zelle wurde in einer Weiterentwicklung mit Referenz- und Gegenelektrode ausgestattet, die simultane elektrochemische und mikrogravimetrische Messungen ermöglichte. Es wurde ein vollständiger Messplatz eingerichtet, bestehend aus thermostatisierter Kleinst-Volumen-QCM-Messzelle und digitaler Datenerfassung. Die unspezifische Adsorption von Proteinen auf Goldoberflächen ergab mit der Quarzmikrowaage typischerweise Frequenzabnahmen von 10-80 Hz bei Messzeiten von 10 bis 60 min. Durch Modifikation der Goldoberfläche mit einem in der Literatur beschriebenen Oligoethylenoxid-terminierten Alkylthiol konnte die unspezifische Adsorption von Proteinen auch auf modifizierten Quarzmikrowaagen deutlich herabgesetzt werden. Zur reversiblen, spezifischen Modifikation der QCM-Goldoberfläche wurde eine von Whitesides et al. eingeführte Modifikationsmatrix auf die QCM-Oberfläche übertragen. His-TAG modifizierte EF1-ATPase wurde stabil und reversibel an der modifizierten Oberfläche gebunden, die spezifische Proteinbindung an der Oberfläche konnte chemisch ein- und ausgeschaltet werden. Die Dichte der Proteinbindungsstellen in der Immobilisierungs-Matrix liess sich durch einen molekularen Verdünner kontrollieren. Die prinzipielle Eignung der verwendeten Kombination von Sensortechnik (QCM) und Oberflächenmodifikation für biochemische Affinitätsstudien wurde demonstriert. Im Zusammenhang mit Modifikationen von ITO-Substraten wurde ein neuartiger Redoxindikator eingeführt, der es prinzipiell ermöglicht, die Ni-NTA-modifizierten Oberflächen zu charakterisieren und bezüglich der Dichte spezifischer Protein-Bindungsstellen zu quantifizieren. Die Synthese weiterer Redoxindikatoren mit Thiol-Funktion wird beschrieben. Von besonderer Bedeutung sind elektrochemische Studien an unspezifisch auf Gold adsorbierten Proteinschichten mit hochgeladenen Redoxindikatoren in Lösung. Diese Untersuchungen wurden an 15 verschiedenen Proteinen mit unterschiedlichem isoelektrischen Punkten durchgeführt. Nur wenn Protein und Redoxmarker gegensinnig geladen waren, wurden Redoxströme beobachtet (wie bereits in der Literatur beschrieben). Es konnte nun allerdings erstmals gezeigt werden, dass die geladene Redoxspezies an gegensinnig geladenen Protein-Domänen bindet und dass der Elektronentransfer durch die Proteinschichten in Form einer Elektronentransfer- bzw. Selbstaustausch-Kette zwischen Redoxspezies in Lösung und oberflächenakkumlierter Redoxspezies abläuft. Sogenannte "Analyten", d.h. (Molekül-)Ionen, die mit dem Protein eine elektrostatische Wechselwirkung eingehen, können diese Elektronentransferkette positiv oder negativ beeinflussen. Sie können deshalb an einer Modulation der Stromstärke erkannt werden. Der Elektronentransfer wird durch die beeinflussenden Parameter verstärkt (Induktion) oder vermindert (Suppression). Damit wurde erstmals das in der Literatur beschriebene "Ion-Channel-Sensing" generell mechanistisch aufgeklärt.

Polypyrrol (PPy) ist ein typischer Vertreter der intrinsisch leitfähigen Polymere und wird auf zahlreichen Gebieten, wie Analytik, Korrosionsschutz oder Elektrotechnik angewendet. Dabei nutzt man die elektronische Schaltbarkeit, die Stabilität und die gute Oxidierbarkeit sowie die Wasserlöslichkeit der Monomere aus. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss verschiedener Parameter, wie Temperatur, Monomerkonzentration und Leitsalz, auf die elektrochemische Polymerisation von Pyrrol untersucht. Des Weiteren sollte die Wirkung eines statischen Magnetfeldes auf die Synthese und das Ionenaustauschverhalten überprüft werden. Als Messverfahren kamen die elektrochemische Quarzmikrowaage (EQCM) und die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) zum Einsatz. Bei der Auswertung der EQCM-Daten wurde ein von Efimov entwickeltes mathematisches Modell zur Bestimmung des komplexen Schermoduls angewendet. Dadurch war eine in situ Verfolgung der viskoelastischen Eigenschaften während der Abscheidung und des Ionenaustausches möglich. Um den hydrodynamischen Einfluss auf die Synthese von PPy zu untersuchen, wurden Messungen an einer rotierenden Scheibenelektrode durchgeführt. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse vermittelten eine Vorstellung, wie sich eine durch den magnetohydrodynamischen Effekt hervorgerufene Rührung auf die Grenzströme der potentiostatischen Abscheidung verschiedener PPy|Leitsalz Systeme auswirkt. Ferner ist die Abscheidung von PPy aus Phosphorsäure betrachtet worden, da diese Schichten eine Relevanz für den Korrosionsschutz besitzen.

This work deals with the sensor application of polythiophenes, which belong to the group of the conducting polymers. The first part focuses on sensor application of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) for ion detection in aqueous electrolytes. The advanced electrochemical quartz crystal microbalance was used for investigating the electrochemical polymerisation and the redox cycling behaviour of the polymer films deposited on the liquid facing electrode of the quartz. This method is based on impedance analysis of a piezoelectric quartz crystal. The deposited polymer mass and surface roughness parameters were estimated from the electrical impedance shift of the quartz during the polymerisation using a new calculation procedure for rough and viscoelastic films. The PEDOT data were compared with results from the electrochemical polymerisation of 2,2?-bithiophene to demonstrate the influence of the substituent on morphology and electrochemical properties in organic electrolytes. With regard to electrogravimetric sensor applications the ion exchange of the polymer in aqueous electrolytes (LiClO4, NaClO4, NaNO3, and sodium toluenesulfonate) during redox cycling was investigated. From the mass/charge balance the apparent exchanged molar mass and the absolute exchanged mass of ions were calculated. The mass balance indicated a transfer of anions and solvent during oxidation. No remarkable cation exchange in the reduction scan was observed. For all investigated electrolytes the calculated exchanged molar mass can be explained with a reversible replacement of solvent by anions during oxidation. The molar solvent/anion ratio was roughly proportional to the sizes of the species. The second part of the work describes investigations on gas sensing properties of polythiophene films prepared by a new preparation method. This two-step procedure is based on electroless polymerisation of conducting polymers. In the first step the substrate is coated with an adhesion promoter and in a second step the chemical surface polymerisation of the monomer is performed. This deposition method was combined with new patterning techniques. The basis of this process is the patterned application of the adhesion promoter which was realised either by a photoresist lacquer mask or by micro contact printing of the adhesion promoter solution. These methods provide patterning down to submicrometer scale. The sensing properties of the polythiophene films were demonstrated with chemiresistors for the redox active gases NO2 and NH3. The reaction kinetics were investigated depending on humidity and temperature. / Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von Polythiophenen, einer Gruppe der intrinsisch leitfähigen Polymere, für die Anwendung als sensitive Filme in chemischen Sensoren. Ziel war es dabei, ausgewählte Aspekte des Sensoreinsatzes dieser Polymere zu beleuchten, um Wege zu einer verbesserten Sensorcharakteristik solcher Systeme aufzuzeigen. Der erste Teil der Ergebnisse konzentriert sich auf den Einsatz von Poly(3,4-ethylendioxythiophen) in Sensoren für die Bestimmung von Ionenkonzentrationen in wässrigen Medien. Die elektrochemische Polymerisation auf Schwingquarzen und der potentialinduzierte Ionenaustausch an solchen Polymerfilmen wurden mit Hilfe der elektrochemischen Quarzmikrowaage charakterisiert. Diese beruht auf der Impedanzanalyse von Schwingquarzen in der Nähe ihrer Resonanzfrequenz, was neben der Erfassung der Änderung der Resonanzfrequenz der Quarze auch die Untersuchung des Dämpfungsverhaltens und somit eine halbquantitative Analyse der mechanischen Eigenschaften des Polymerfilmes ermöglicht. Aus den Daten Impedanzanalyse während der Polymerisation wurden mit einem neuen Berechnungsmodells, das viskoelastische und rauhigkeitsinduzierte Einflüsse berücksichtigt, die Polymermasse und vertikale und laterale Rauhigkeitsparameter bestimmt. Der Einfluss des Substituenten auf die Morphologie und das elektrochemische Verhalten in organischen Elektrolyten ist durch Vergleichsuntersuchungen an Poly(2,2?-bithiophen) illustriert. Die Sensormessungen erfolgten in wässrigen Modellelektrolyten mit unterschiedlich großen Anionen (LiClO4, NaClO4, NaNO3, Natriumtoluolsulfonat). Für die potentialabhängige Ionenaustauschreaktion konnte ein Einbau von Anionen bei der Oxidation des Polymers, der mit einem Ausstoß von Lösungsmittel verbunden war, nachgewiesen werden. Bei Reduktion des Polymers war der umgekehrte Vorgang zu beobachten. Kationen waren nicht nachweislich an den Austauschprozessen beteiligt. Als Sensorsignal wurde aus der bei Einbau der Ionen geflossenen Ladung und der reaktionsbedingten Masseänderung die ausgetauschte molare Masse und die inkorporierte Ionenmenge bestimmt. Die ausgetauschte molare Masse ergab für die unterschiedlichen Ionenspezies typische Werte, was eine Identifizierung der jeweiligen Analyten erlaubt. Die berechnete Analytmenge belegte eine erhöhte Empfindlichkeit für das in der Polymerisation verwendete Anion (Perchlorat) und eine geringe Empfindlichkeit für große Anionen (Toluolsulfonat) Für dünne, weniger poröse Filme war das Austauschverhältnis von Anion und Lösungsmittel annähernd proportional zu den Molekülgrößen der beteiligten Spezies. Ein zweiter Schwerpunkt der Arbeit war die Weiterentwicklung eines Verfahrens zur oxidativ?chemischen Abscheidung von Polythiophenfilmen unter Nutzung haftvermittelnder Substanzen. Dafür wurde die Filmqualität experimentell optimiert und Methoden zur strukturierten Abscheidung entwickelt. Zur Strukturierung der Polymerfilme wurden Methoden zur lokalen Aufbringung des Haftvermittlers auf Basis einer Maskierung des Substrates mit photostrukturierbaren Lackmasken bzw. auf Basis des Mikrokontaktdruckes der Haftvermittlerlösung entwickelt. Mit der Maskentechnik konnten Strukturen im Submikrometerbereich, mit dem Mikrokontaktdruck im Mikrometerbereich, erzielt werden. Der Nachweis der Sensitivität der chemisch polymerisierten Polythiophenfilme wurde für redoxaktive Gase mit Hilfe von Leitfähigkeitssensoren erbracht, und die Reaktionskinetik in Abhängigkeit von Feuchte und Temperatur untersucht.

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Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) ist ein Kunststoff der zur Gruppe der intrinsisch leitfähigen Polymere (ILP) zählt. Aufgrund seiner chemischen und thermischen Stabilität findet er Verwendung in antistatischen Verkleidungen und als Elektrodenmaterial. PEDOT (und andere ILP) zeigen aufgrund ihrer Schaltbarkeit zwischen (reduzierten, ) neutralen und oxidierten Zuständen unterschiedliche Eigenschaften wie Leitfähigkeit, Farbe oder Viskoelastizität. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die elektrochemischen und viskoelastischen Eigenschaften von PEDOT-Filmen untersucht. Dabei wurde die Quarzmikrowaage (QCM) in Verbindung mit potentiostatischen (Potentialsprung, PS) und potentiodynamischen (Cyclovoltammetrie, CV) elektrochemischen Methoden verwendet, so dass in situ elektrochemische und mechanische Eigenschaften der Filme zugänglich waren. Zur Bestimmung der viskoelastischen Eigenschaften wurde ein Auswertealgorithmus entwickelt, welcher auf ein mathematisches Modell zur Bestimmung des Schermoduls nach Efimov zurückgreift. Während der Herstellung wurden Parameter wie Lösungsmittel, Leitsalz, Vorpolarisations- und Abscheidungspotential variiert und die erhaltenen Filme bezüglich Schermodul und Morphologie charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Elektrolytzusammensetzung einen entscheidenden Einfluss auf die viskoelastischen Eigenschaften der Filme besitzt, welche mit der Morphologie der Filme korrelieren. Des Weiteren wurden die Änderungen der viskoelastischen Eigenschaften dieser Filme untersucht, welche während dem elektronischen Schalten zwischen neutralem und oxidiertem Zustand aufgrund des Ionenaustausches erfolgen. CV- und PS-Experimente zeigten, dass die viskoelastischen Eigenschaften durch Konzentration und pH-Wert des Elektrolyten beeinflusst werden und in unterschiedlicher Weise auf die Potentialänderungen reagieren. Durch den Einbau von Magnetit-Partikeln in die Schichten konnten Hybridfilme erhalten werden, deren Eigenschaften durch das Anlegen eines äußeren Magnetfeldes beeinflusst werden können. Solche Filme zeigten in einem äußeren Magnetfeld (0,7T) höhere Schermodule und einen stark unterdrückten Ionenaustausch.

Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) ist ein Kunststoff der zur Gruppe der intrinsisch leitfähigen Polymere (ILP) zählt. Aufgrund seiner chemischen und thermischen Stabilität findet er Verwendung in antistatischen Verkleidungen und als Elektrodenmaterial. PEDOT (und andere ILP) zeigen aufgrund ihrer Schaltbarkeit zwischen (reduzierten, ) neutralen und oxidierten Zuständen unterschiedliche Eigenschaften wie Leitfähigkeit, Farbe oder Viskoelastizität. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die elektrochemischen und viskoelastischen Eigenschaften von PEDOT-Filmen untersucht. Dabei wurde die Quarzmikrowaage (QCM) in Verbindung mit potentiostatischen (Potentialsprung, PS) und potentiodynamischen (Cyclovoltammetrie, CV) elektrochemischen Methoden verwendet, so dass in situ elektrochemische und mechanische Eigenschaften der Filme zugänglich waren. Zur Bestimmung der viskoelastischen Eigenschaften wurde ein Auswertealgorithmus entwickelt, welcher auf ein mathematisches Modell zur Bestimmung des Schermoduls nach Efimov zurückgreift. Während der Herstellung wurden Parameter wie Lösungsmittel, Leitsalz, Vorpolarisations- und Abscheidungspotential variiert und die erhaltenen Filme bezüglich Schermodul und Morphologie charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Elektrolytzusammensetzung einen entscheidenden Einfluss auf die viskoelastischen Eigenschaften der Filme besitzt, welche mit der Morphologie der Filme korrelieren. Des Weiteren wurden die Änderungen der viskoelastischen Eigenschaften dieser Filme untersucht, welche während dem elektronischen Schalten zwischen neutralem und oxidiertem Zustand aufgrund des Ionenaustausches erfolgen. CV- und PS-Experimente zeigten, dass die viskoelastischen Eigenschaften durch Konzentration und pH-Wert des Elektrolyten beeinflusst werden und in unterschiedlicher Weise auf die Potentialänderungen reagieren. Durch den Einbau von Magnetit-Partikeln in die Schichten konnten Hybridfilme erhalten werden, deren Eigenschaften durch das Anlegen eines äußeren Magnetfeldes beeinflusst werden können. Solche Filme zeigten in einem äußeren Magnetfeld (0,7T) höhere Schermodule und einen stark unterdrückten Ionenaustausch.

Polypyrrol (PPy) ist ein typischer Vertreter der intrinsisch leitfähigen Polymere und wird auf zahlreichen Gebieten, wie Analytik, Korrosionsschutz oder Elektrotechnik angewendet. Dabei nutzt man die elektronische Schaltbarkeit, die Stabilität und die gute Oxidierbarkeit sowie die Wasserlöslichkeit der Monomere aus. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss verschiedener Parameter, wie Temperatur, Monomerkonzentration und Leitsalz, auf die elektrochemische Polymerisation von Pyrrol untersucht. Des Weiteren sollte die Wirkung eines statischen Magnetfeldes auf die Synthese und das Ionenaustauschverhalten überprüft werden. Als Messverfahren kamen die elektrochemische Quarzmikrowaage (EQCM) und die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) zum Einsatz. Bei der Auswertung der EQCM-Daten wurde ein von Efimov entwickeltes mathematisches Modell zur Bestimmung des komplexen Schermoduls angewendet. Dadurch war eine in situ Verfolgung der viskoelastischen Eigenschaften während der Abscheidung und des Ionenaustausches möglich. Um den hydrodynamischen Einfluss auf die Synthese von PPy zu untersuchen, wurden Messungen an einer rotierenden Scheibenelektrode durchgeführt. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse vermittelten eine Vorstellung, wie sich eine durch den magnetohydrodynamischen Effekt hervorgerufene Rührung auf die Grenzströme der potentiostatischen Abscheidung verschiedener PPy|Leitsalz Systeme auswirkt. Ferner ist die Abscheidung von PPy aus Phosphorsäure betrachtet worden, da diese Schichten eine Relevanz für den Korrosionsschutz besitzen.

This work deals with the sensor application of polythiophenes, which belong to the group of the conducting polymers. The first part focuses on sensor application of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) for ion detection in aqueous electrolytes. The advanced electrochemical quartz crystal microbalance was used for investigating the electrochemical polymerisation and the redox cycling behaviour of the polymer films deposited on the liquid facing electrode of the quartz. This method is based on impedance analysis of a piezoelectric quartz crystal. The deposited polymer mass and surface roughness parameters were estimated from the electrical impedance shift of the quartz during the polymerisation using a new calculation procedure for rough and viscoelastic films. The PEDOT data were compared with results from the electrochemical polymerisation of 2,2?-bithiophene to demonstrate the influence of the substituent on morphology and electrochemical properties in organic electrolytes. With regard to electrogravimetric sensor applications the ion exchange of the polymer in aqueous electrolytes (LiClO4, NaClO4, NaNO3, and sodium toluenesulfonate) during redox cycling was investigated. From the mass/charge balance the apparent exchanged molar mass and the absolute exchanged mass of ions were calculated. The mass balance indicated a transfer of anions and solvent during oxidation. No remarkable cation exchange in the reduction scan was observed. For all investigated electrolytes the calculated exchanged molar mass can be explained with a reversible replacement of solvent by anions during oxidation. The molar solvent/anion ratio was roughly proportional to the sizes of the species. The second part of the work describes investigations on gas sensing properties of polythiophene films prepared by a new preparation method. This two-step procedure is based on electroless polymerisation of conducting polymers. In the first step the substrate is coated with an adhesion promoter and in a second step the chemical surface polymerisation of the monomer is performed. This deposition method was combined with new patterning techniques. The basis of this process is the patterned application of the adhesion promoter which was realised either by a photoresist lacquer mask or by micro contact printing of the adhesion promoter solution. These methods provide patterning down to submicrometer scale. The sensing properties of the polythiophene films were demonstrated with chemiresistors for the redox active gases NO2 and NH3. The reaction kinetics were investigated depending on humidity and temperature. / Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von Polythiophenen, einer Gruppe der intrinsisch leitfähigen Polymere, für die Anwendung als sensitive Filme in chemischen Sensoren. Ziel war es dabei, ausgewählte Aspekte des Sensoreinsatzes dieser Polymere zu beleuchten, um Wege zu einer verbesserten Sensorcharakteristik solcher Systeme aufzuzeigen. Der erste Teil der Ergebnisse konzentriert sich auf den Einsatz von Poly(3,4-ethylendioxythiophen) in Sensoren für die Bestimmung von Ionenkonzentrationen in wässrigen Medien. Die elektrochemische Polymerisation auf Schwingquarzen und der potentialinduzierte Ionenaustausch an solchen Polymerfilmen wurden mit Hilfe der elektrochemischen Quarzmikrowaage charakterisiert. Diese beruht auf der Impedanzanalyse von Schwingquarzen in der Nähe ihrer Resonanzfrequenz, was neben der Erfassung der Änderung der Resonanzfrequenz der Quarze auch die Untersuchung des Dämpfungsverhaltens und somit eine halbquantitative Analyse der mechanischen Eigenschaften des Polymerfilmes ermöglicht. Aus den Daten Impedanzanalyse während der Polymerisation wurden mit einem neuen Berechnungsmodells, das viskoelastische und rauhigkeitsinduzierte Einflüsse berücksichtigt, die Polymermasse und vertikale und laterale Rauhigkeitsparameter bestimmt. Der Einfluss des Substituenten auf die Morphologie und das elektrochemische Verhalten in organischen Elektrolyten ist durch Vergleichsuntersuchungen an Poly(2,2?-bithiophen) illustriert. Die Sensormessungen erfolgten in wässrigen Modellelektrolyten mit unterschiedlich großen Anionen (LiClO4, NaClO4, NaNO3, Natriumtoluolsulfonat). Für die potentialabhängige Ionenaustauschreaktion konnte ein Einbau von Anionen bei der Oxidation des Polymers, der mit einem Ausstoß von Lösungsmittel verbunden war, nachgewiesen werden. Bei Reduktion des Polymers war der umgekehrte Vorgang zu beobachten. Kationen waren nicht nachweislich an den Austauschprozessen beteiligt. Als Sensorsignal wurde aus der bei Einbau der Ionen geflossenen Ladung und der reaktionsbedingten Masseänderung die ausgetauschte molare Masse und die inkorporierte Ionenmenge bestimmt. Die ausgetauschte molare Masse ergab für die unterschiedlichen Ionenspezies typische Werte, was eine Identifizierung der jeweiligen Analyten erlaubt. Die berechnete Analytmenge belegte eine erhöhte Empfindlichkeit für das in der Polymerisation verwendete Anion (Perchlorat) und eine geringe Empfindlichkeit für große Anionen (Toluolsulfonat) Für dünne, weniger poröse Filme war das Austauschverhältnis von Anion und Lösungsmittel annähernd proportional zu den Molekülgrößen der beteiligten Spezies. Ein zweiter Schwerpunkt der Arbeit war die Weiterentwicklung eines Verfahrens zur oxidativ?chemischen Abscheidung von Polythiophenfilmen unter Nutzung haftvermittelnder Substanzen. Dafür wurde die Filmqualität experimentell optimiert und Methoden zur strukturierten Abscheidung entwickelt. Zur Strukturierung der Polymerfilme wurden Methoden zur lokalen Aufbringung des Haftvermittlers auf Basis einer Maskierung des Substrates mit photostrukturierbaren Lackmasken bzw. auf Basis des Mikrokontaktdruckes der Haftvermittlerlösung entwickelt. Mit der Maskentechnik konnten Strukturen im Submikrometerbereich, mit dem Mikrokontaktdruck im Mikrometerbereich, erzielt werden. Der Nachweis der Sensitivität der chemisch polymerisierten Polythiophenfilme wurde für redoxaktive Gase mit Hilfe von Leitfähigkeitssensoren erbracht, und die Reaktionskinetik in Abhängigkeit von Feuchte und Temperatur untersucht.

The Gram-negative bacterium Pseudomonas aeruginosa is a life-threatening nosocomial pathogen due to its generally low susceptibility toward antibiotics. Furthermore, many strains have acquired resistance mechanisms requiring new antimicrobials with novel mechanisms to enhance treatment options. Proline-rich antimicrobial peptides, such as the apidaecin analog Api137, are highly efficient against various Enterobacteriaceae infections in mice, but less active against P. aeruginosa in vitro. Here, we extended our recent work by optimizing lead peptides Api755 (gu-OIORPVYOPRPRPPHPRL-OH; gu = N,N,N′,N′-tetramethylguanidino, O = L-ornithine) and Api760 (gu-OWORPVYOPRPRPPHPRL-OH) by incorporation of Ile-Orn- and Trp-Orn-motifs, respectively. Api795 (gu-O(IO)2RPVYOPRPRPPHPRL-OH) and Api794 (gu-O(WO)3RPVYOPRPRPPHPRL-OH) were highly active against P. aeruginosa with minimal inhibitory concentrations of 8–16 and 8–32 μg/mL against Escherichia coli and Klebsiella pneumoniae. Assessed using a quartz crystal microbalance, these peptides inserted into a membrane layer and the surface activity increased gradually from Api137, over Api795, to Api794. This mode of action was confirmed by transmission electron microscopy indicating some membrane damage only at the high peptide concentrations. Api794 and Api795 were highly stable against serum proteases (half-life times >5 h) and non-hemolytic to human erythrocytes at peptide concentrations of 0.6 g/L. At this concentration, Api795 reduced the cell viability of HeLa cells only slightly, whereas the IC50 of Api794 was 0.23 ± 0.09 g/L. Confocal fluorescence microscopy revealed no colocalization of 5(6)-carboxyfluorescein-labeled Api794 or Api795 with the mitochondria, excluding interactions with the mitochondrial membrane. Interestingly, Api795 was localized in endosomes, whereas Api794 was present in endosomes and the cytosol. This was verified using flow cytometry showing a 50% higher uptake of Api794 in HeLa cells compared with Api795. The uptake was reduced for both peptides by 50 and 80%, respectively, after inhibiting endocytotic uptake with dynasore. In summary, Api794 and Api795 were highly active against P. aeruginosa in vitro. Both peptides passed across the bacterial membrane efficiently, most likely then disturbing the ribosome assembly, and resulting in further intracellular damage. Api795 with its IOIO-motif, which was particularly active and only slightly toxic in vitro, appears to represent a promising third generation lead compound for the development of novel antibiotics against P. aeruginosa.

The Gram-negative bacterium Pseudomonas aeruginosa is a life-threatening nosocomial pathogen due to its generally low susceptibility toward antibiotics. Furthermore, many strains have acquired resistance mechanisms requiring new antimicrobials with novel mechanisms to enhance treatment options. Proline-rich antimicrobial peptides, such as the apidaecin analog Api137, are highly efficient against various Enterobacteriaceae infections in mice, but less active against P. aeruginosa in vitro. Here, we extended our recent work by optimizing lead peptides Api755 (gu-OIORPVYOPRPRPPHPRL-OH; gu = N,N,N′,N′-tetramethylguanidino, O = L-ornithine) and Api760 (gu-OWORPVYOPRPRPPHPRL-OH) by incorporation of Ile-Orn- and Trp-Orn-motifs, respectively. Api795 (gu-O(IO)2RPVYOPRPRPPHPRL-OH) and Api794 (gu-O(WO)3RPVYOPRPRPPHPRL-OH) were highly active against P. aeruginosa with minimal inhibitory concentrations of 8–16 and 8–32 μg/mL against Escherichia coli and Klebsiella pneumoniae. Assessed using a quartz crystal microbalance, these peptides inserted into a membrane layer and the surface activity increased gradually from Api137, over Api795, to Api794. This mode of action was confirmed by transmission electron microscopy indicating some membrane damage only at the high peptide concentrations. Api794 and Api795 were highly stable against serum proteases (half-life times >5 h) and non-hemolytic to human erythrocytes at peptide concentrations of 0.6 g/L. At this concentration, Api795 reduced the cell viability of HeLa cells only slightly, whereas the IC50 of Api794 was 0.23 ± 0.09 g/L. Confocal fluorescence microscopy revealed no colocalization of 5(6)-carboxyfluorescein-labeled Api794 or Api795 with the mitochondria, excluding interactions with the mitochondrial membrane. Interestingly, Api795 was localized in endosomes, whereas Api794 was present in endosomes and the cytosol. This was verified using flow cytometry showing a 50% higher uptake of Api794 in HeLa cells compared with Api795. The uptake was reduced for both peptides by 50 and 80%, respectively, after inhibiting endocytotic uptake with dynasore. In summary, Api794 and Api795 were highly active against P. aeruginosa in vitro. Both peptides passed across the bacterial membrane efficiently, most likely then disturbing the ribosome assembly, and resulting in further intracellular damage. Api795 with its IOIO-motif, which was particularly active and only slightly toxic in vitro, appears to represent a promising third generation lead compound for the development of novel antibiotics against P. aeruginosa.