In this thesis, the interactions of U(VI) with one representative each of the domains Bacteria (Paenibacillus sp. JG TB8) and Archaea (Sulfolobus acidocaldarius) are compared. We demonstrate that at highly acidic conditions (pH ≤ 3), U(VI) is bound to cells of the both strains exclusively via organic phosphate groups. In contrast to this, the U(VI) complexation modes differ between the studied strains at moderate acidic conditions. These differences are assigned to the different cell wall structures of both strains as well as to their different physiological characteristics. We also demonstrate that the aeration conditions can strongly influence the uranium accumulation of facultative anaerobic microorganisms at moderate acidic pH conditions. This finding could clearly be assigned to the dependency of the intrinsic phosphatase activity on the aeration conditions. The second part of this thesis deals with the outermost surface layer (SlaA-layer) of S. acidocaldarius. It was shown that this surface protein is not involved in the U(VI) complexation at highly acidic conditions, covering the physiological pH optimum of S. acidocaldarius. Hence the SlaA layer does not provide a protective function against U(VI) to the cells of this acidophilic archaeon. However, we demonstrated that purified SlaA-layer ghosts (i.e. empty cell sacculi) efficiently interact with gold ions and are a good macromolecular template for the formation of magnetic gold nanoparticles. / In dieser Doktorarbeit werden die Wechselwirkungen von U(VI) mit je einem Vertreter der Bakterien (Paenibacillus sp. JG TB8) und Archeen (Sulfolobus acidocaldarius) verglichen. Wir konnten zeigen, dass U(VI) im sehr sauren Milieu (pH ≤ 3) ausschließlich durch organische Phosphatgruppen an die Zellen beider Stämme gebunden ist. Im Gegensatz dazu unterscheiden sich die Mechanismen der U(VI)-Komplexierung beider untersuchter Stämme bei mäßig sauren Bedingungen voneinander. Diese Unterschiede basieren auf den unterschiedlichen Zellwandstrukturen und physiologischen Eigenschaften beider Stämme. Wir konnten außerdem zeigen, dass die atmosphärischen Bedingungen die Urankomplexierung durch fakultativ anaerobe Mikroorganismen bei mäßig sauren Bedingungen stark beeinflussen kann. Dieses Ergebnis konnte eindeutig auf die von den atmosphärischen Bedingungen-abhängige, enzymatische Aktivität der zelleigenen Phosphatase zurückgeführt werden. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der äußeren Oberflächenschicht (SlaA-layer) von S. acidocaldarius. Es konnte gezeigt werden, dass dieses Oberflächenprotein nicht an der U(VI)-Komplexierung bei stark sauren pH, welcher dem physiologischen pH Optimum von S. acidocaldarius entspricht, beteiligt ist. Damit stellt der SlaA-layer keinen Schutz gegen Uran für die Zellen dieses azidothermophilen Archaeons dar. Allerdings konnten wir zeigen, dass isolierte „SlaA-layer ghosts“ (d.h. leere Zellhüllen) mit Goldionen interagieren und sich daher als makromolekulares Template für die Herstellung magnetischer Gold Nanopartikel eignen.

Nanopartikel basierte colorimetrische Assays bieten vielfältige Anwendungsmöglichkeiten vom Nachweis ionischer oder molekularer Spezies bis hin zu komplexen Strukturen, wie zum Beispiel Zellen oder Bakterien. Trotz der großen Anzahl von Anwendungsbeispielen in der Literatur gibt es nur sehr wenige Beispiele für den Fall, wenn Analyt und Sensorpartikel etwa gleich groß sind. Jedoch nimmt das Interesse an dem Nachweis solcher Analyten, wie zum Beispiel von Viren, in der Bioverfahrenstechnik, der Umwelttechnik und Medizin stetig zu. In der Dissertation wird anhand von drei unterschiedlichen Anwendungsbeispielen die lückenlose Anwendbarkeit des Nanopartikel basierten colorimetrischen Sensorprinzips für verschiedene Analyten aus dem gesamten interessierenden Größenspektrum nachgewiesen. Für die Detektion von Ionen bzw. Ionenkomplexen ist mit der Funktionalisierung der Goldnanopartikel mit bakteriellen Zellhüllenproteinen ein spezifisches Nachweisverfahren für spezielle Ionenkomplexe entwickelt worden. Erste Ergebnisse zum Nachweis von toxischen Arsen(V)-Komplexen in wässriger Lösung belegen das enorme Potential. Als Nachweisgrenze konnten Werte im Bereich herkömmlicher sensitiver Messverfahren ermittelt werden. Durch Untersuchung der Wechselwirkung von Au- und AuxAg1-x–Nanopartikeln mit dendritischen Polymerstrukturen mit Abmessungen im Größenbereich zwischen 2 und 5 nm konnten tiefere Einblicke in das Aggregationsverhalten der Partikel bei der Ausbildung größerer komplexer Strukturen erzielt werden, die eine sensorische Umsetzung ermöglichen. Derartige Betrachtungen existieren bisher nur für Ionen oder kleinere molekulare Spezies. Der Nachweis von Analyten mit zu den Nanopartikeln vergleichbarer Größe wird am Beispiel zweier unterschiedlicher viraler Proben, dem Rinder-Coronavirus (BCV) und einem humanen Influenzavirus (H3N2) in grundlegenden Experimenten demonstriert. Die Durchführung dieser Arbeiten mit prozessnahem Virusprobenmaterial ist mit besonderen Herausforderungen an die Signalgewinnung und Interpretation verbunden. Aufbauend auf diesen experimentellen Ergebnissen konnte in einer skalenübergreifenden Betrachtung für Analytgrößen vom Subnanometerbereich bis hin zu einigen hundert Nanometern die lückenlose, universelle Anwendbarkeit des colorimetrischen Sensorprinzips demonstriert werden. Diese Betrachtungen ermöglichen generelle Aussagen zur Lage des Farbumschlagbereiches sowohl in Abhängigkeit von der Analytgröße als auch der Funktionalisierung, der Konzentration und der Größe der Nanopartikel.

S-layer proteins of S. ureae ATCC 13881 form on the cell surface an S-layer lattice with p4 square type symmetry and a period of about 13.5 nm. These lattices were shown to be the excellent nanotemplates for deposition of regular metal clusters. The synthesis of the S. ureae S-layer protein is highly efficient, the protein accounts for approximately 10-15 % of the total cell protein content, judged by the SDS-PAGE results. Besides, the S-layer protein production is tightly regulated, since only negligible amounts of S-layer proteins are observed in the medium at different cell growth phases. At the same time, mechanisms of the regulation of S-layer protein synthesis are poorly understood. As several hundreds of S-layer proteins are produced per second during the cell growth, the S-layer gene promoters are among the strongest prokaryotic promoters at all. However, little is known about factors regulating the expression of S-layer genes, furthermore, no experimental identification of other upstream regulatory sequences except for -35/-10 and RBS sequences was presented to our knowledge to date. A sequence of the S-layer gene of S. ureae ATCC 13881, encoding the previously described S-layer protein, was identified in this work by combination of different approaches. The largest part of the gene, excluding its upstream regulatory and ORF 5’ regions, was isolated from a genomic library by hybridization. The sequence of the isolated fragment proved to contain additionally an 1.9 kb non-coding region and an incomplete 0.8 kb ORF region in its 3’-part. No RBS sequence and apparent promoter regions could be identified in front of the latter sequence, suggesting that it might represent a pseudogene sequence. The sequences of the 5’ and upstream regions of the S. ureae ATCC 13881 S-layer gene were identified by combination of PCR-sequencing and chromosome walking. Totally, a sequence of the 6.4 kb long region of S. ureae genomic DNA was established. The sequence of the S. ureae S-layer protein was deduced from the respective gene sequence and agreed with the peptide sequences, obtained after N-terminal sequencing of tryptic peptides of the S. ureae ATCC 13881 S-layer protein. For the protein the name SslA was proposed, which is an abbreviation for “Sporosarcina ureae S-layer protein A”. Several specific features were observed in gene organisation of sslA, which are also characteristic for other S-layer genes. The distance between the -35/-10 region and the ATG initiation codon is unusually long and a 41 bp palindromic sequence is present in the immediate vicinity of the -35/-10 region. Besides, a distant location of the rho-independent transcription terminator, which is 647 bp remote from the stop codon, will result in the mRNA transcripts with unusually long trailer region. Both the long 5’ UTR and the long 3’ trailer may have a regulatory function, either by conferring increased mRNA stability and/or by affecting translation efficiency. Potentially these sequences may define the binding sites of regulatory proteins. For example, palindromic sequences constitute the regulatory sites in several bacterial operons and may act as the binding sites of regulatory dimeric proteins. In respect to the conservation of the sslA sequence high similarity to the sequences of other functional S-layer genes, especially the slfA and slfB genes of B. sphaericus, was observed, whereas the results of phylogenetic analysis support the hypothesis that S-layer genes may have evolved via the lateral gene transfer. Based on the sslA sequence, several recombinant proteins with truncations of the terminal protein parts or C-terminal fusion of either EGFP or histidine tags were constructed. For all the truncated or EGFP-fusion SslA derivatives high level overexpression in E. coli was possible. For native SslA a moderate level of expression was observed suggesting that its high intracellular concentration may downregulate the protein synthesis. Interestingly, fluorescence microscopy indicates the same intracellular localization for heterologously produced recombinant proteins with fusions of EGFP either to the precursor or to the native SslA protein, suggesting that SslA secretion signal is not functional in E. coli. Heterologously produced SslA derivatives with truncations of N-, C- or both N- and C-terminal parts were shown to self- assemble in vitro, although the size of self-assembly structures was different from that observed upon the self-assembly of the native SslA. In the latter case extended self-assembly layers with the size up to 5x10 µm were observed, with a surface area of up to two orders of magnitude higher than that of S-layer patches, routinely isolated from S. ureae surface. Dependent on the applied recrystallization conditions preferential formation of single- or multilayer self-assembly structures was observed.

Bacterial cell wall proteins (S-layer) are - due to both the capability to self-assemble into two-dimensional crystals and their distinct chemical and structural properties - suitable for the deposition of metallic particles at their surface . The cluster growth is subject of this thesis. The binding of metal complexes to S-layers of Bacillus sphaericus and Sporosarcina ureae and their subsequent reduction leads to the formation of regularly arranged platinum or palladium cluster arrays on the biomolecular template. A heterogeneous nucleation mechanism is proposed for this process consisting of the binding of metal complexes and their subsequent reduction. The kinetics of the process and the binding of the complexes to the protein are characterized by UV/VIS spectroscopy. This thesis focuses on structural investigations by means of transmission electron microscopy, electron holography, scanning force microscopy, image analysis, and image processing. Preferred cluster-deposition sites are determined by correlation averaging. A more precise determination and quantification is obtained by Multivariate Statistical Analysis. Furthermore a method for the electron beam induced formation of highly-ordered metallic cluster arrays in the transmission electron microscope and a fast screening method for surface layers of Gram-positive bacteria are presented. / Bakterielle Zellhüllenproteine (S-Layer) eignen sich durch ihre Fähigkeit zur Selbstassemblierung zu zweidimensionalen Kristallen und durch ihre besonderen chemischen und strukturellen Eigenschaften zur Abscheidung regelmäßiger metallischer Partikel auf ihrer Oberfläche. In dieser Arbeit wird das Clusterwachstum auf S-Layern untersucht. Die Anbindung von Metallkomplexen an S-Layer von Bacillus sphaericus und Sporosarcina ureae und deren Reduktion führt zur Abscheidung periodisch angeordneter metallischer Platin- bzw. Palladiumcluster auf dem Biotemplat. Für diese Clusterbildung wird ein heterogener Keimbildungsmechanismus vorgeschlagen, bestehend aus Komplexanbindung und Reduktion. Die Bestimmung der Prozeßkinetik und die Charakterisierung der Anbindung der Komplexe an das Protein erfolgt mittels UV/VIS-Spektroskopie. Den Schwerpunkt dieser Arbeit bilden strukturelle Untersuchungen mit Hilfe der Transmissionselektronenmikroskopie, der Elektronenholographie, der Rasterkraftmikroskopie und der Bildanalyse und Bildverarbeitung. Durch Korrelationsmittelung werden Strukturinformationen gewonnen, die eine Bestimmung der lateral bevorzugten Clusterpositionen ermöglichen. Für die auf S-Layern erzeugten Clusterarrays wird die Belegung der einzelnen Positionen mittels Multivariater Statistischer Analyse genauer quantifiziert. Außerdem werden eine Methode zur Erzeugung hochgeordneter metallischer Partikelarrays unter dem Einfluß des Elektronenstrahles im Transmissionselektronenmikroskop und eine Methode zum schnellen Test Gram-positiver Bakterienstämme auf die Existenz von S-Layern vorgestellt.

Clostridium difficile est responsable de vingt-cinq pour cent des diarrhées post-antibiotiques et de la majorité des cas de colite pseudomembraneuse. C'est un bacille anaérobie à Gram positif sporulant. La bactérie est recouverte par un réseau cristallin bidimensionnel appelé couche S. Elle est formée par deux sous-unités de haut et bas poids moléculaire issues du clivage du précurseur SlpA par la protéase Cwp84. Ces deux protéines sont codées par des gènes situés dans le locus cwp et sont sécrétées par le système de sécrétion de type SecA2. Elles sont impliquées dans l'adhésion/colonisation du côlon par C. difficile. L'adhésion est une étape commune avec la formation du biofilm par les bactéries. Le biofilm est une communauté bactérienne enchâssée et protégée par une matrice extracellulaire produite par les membres de la communauté. C'est le mode de vie principal des bactéries. Nous avons caractérisé la voie de sécrétion de type SecA2 de C. difficile. La protéine SecA2 (codée également par un gène du locus cwp) est essentielle pour la survie de C. difficile. Elle a une double localisation : le cytoplasme et la membrane intracellulaire. SecA2 de B. anthracis est capable de dimériser avec les protéines SecA1 et SecA2 de C. difficile. De plus, la complémentation du mutant secA2 de B. anthracis par le gène secA2 de C. difficile est fonctionnelle. Le rôle de la couche S, de la protéase Cwp84 et de la mobilité dans le biofilm de C. difficile ont été également étudiés. La souche 630∆erm forme un biofilm fin et fragile tandis que le mutant 630∆ermcwp84::erm forme un biofilm épais et robuste. Nous avons montré que l'activité protéolytique de Cwp84 était impliquée dans la formation du biofilm. De plus, une inhibition de la traduction de l'ARN slpA avec un ARN antisens spécifique permet une augmentation de la taille du biofilm formé par la souche 630∆erm. Similairement, l'expression de l’allèle secA2 muté dominant qui bloque au moins partiellement la voie de sécrétion de type SecA2 augmente la taille du biofilm. Nos résultats suggèrent que la couche S, la protéase Cwp84 et la protéine SecA2 sont impliquées dans la formation du biofilm de C. difficile. Par ailleurs nous avons testé un panel de souches dans leur capacité à former un biofilm. Les résultats montrent que les souches non mobiles ne seraient pas capables de former un biofilm épais. Enfin, nous avons étudié la capacité de C. difficile à se développer en aérobiose au sein d’un biofilm mixte avec Bacillus cereus. Nous avons mis en évidence un recrutement et une multiplication de C. difficile dans la pellicule formée à l'interface air/liquide par B. cereus. Un rapport optimal des spores des deux espèces est requis pour le développement de C. difficile dans ces conditions. La présence de spores de C. difficile dans la pellicule suggère que les biofilms de l'environnement pourraient être des réservoirs de spores de C. difficile, et à l'origine de contaminations humaine et animale. / Clostridium difficile is responsible for twenty-five percent of post-antibiotics diarrhea and for most cases of pseudomembranous colitis. It is an anaerobic, sporulating, Gram-positive bacillus. The bacterium is covered by a two-dimensional lattice called S-layer. It is formed by two subunits of high and low molecular weight after the cleavage of the SlpA precursor by the Cwp84 protease. These two proteins are encoded by genes located in the locus cwp and are secreted by the SecA2 secretion system. They are involved in colonic adhesion/colonization by C. difficile. Adhesion is a common step with biofilm formation by bacteria. The Biofilm is a microbial community embedded in and protected by an extracellular matrix produced by the community members. The biofilm is the main bacterial way of life.We have characterized the SecA2 secretory pathway of C. difficile. The SecA2 protein (as encoded by a gene locus cwp) is essential for the survival of C. difficile. It has a dual location: cytoplasm and intracellular membrane. SecA2 of B. anthracis is able to dimerize with SecA1 and SecA2 proteins of C. difficile. Moreover, the complementation of B. anthracis secA2 mutant with secA2 gene of C. difficile is functional.The role of the S-layer, of the Cwp84 protease and of the motility in the biofilm of C. difficile have also been studied. The 630∆erm strain forms a thin and weak biofilm while the 630∆ermcwp84::erm mutant forms a thick and robust biofilm. We have shown that proteolytic activity of Cwp84 was involved in biofilm formation. Furthermore, a decrease in the translation of slpA RNA with an antisense RNA specific permits an increase in the size of the biofilm of the strain 630∆erm strain. Similarly, the expression of the dominant mutated secA2 allele, which at least partially blocks the SecA2 secretory pathway, increases the biofilm size. Our results suggest that the S-layer, the Cwp84 protease and the SecA2 protein are involved in biofilm formation of C. difficile. On the other hand, we have tested a panel of strains in their capacity to form a biofilm. The results show that non-motile strains are unable to form a thick biofilm.Finally, we have studied the ability of C. difficile to grow aerobically in a mixed biofilm with B. cereus. We highlighted a recruitment and proliferation of C. difficile in the film formed at the air/liquid interface with B. cereus. An optimal ratio of spores of both species is required for the development of C. difficile in these conditions. The presence of C. difficile spores in the film suggests that the environment biofilms could be reservoirs of spores of C. difficile, and the source of human and animal contamination.

Increasing the integration density of electron device components will necessitate the use of new nanofabrication paradigms that complement and extend existing technologies. One potential approach to overcome the current limitations of electron-beam lithography may involve the use of hybrid systems, in which existing lithographic techniques are coupled with “bottom up” approaches such as supramolecular self-assembly. In this respect, biological systems offer some unique possibilities as they combine both self-organization and spatial patterning at the nanometer length scale. In particular, Surface Layer Proteins (S-layers) can facilitate high order organization and specific orientation of inorganic structures as they are two-dimensional porous crystalline membranes with regular structure at the nanometer scale. In this framework, the aim of the present work was the characterization of the S-layer of Sporosarcina ureae ATCC 13881 (SslA) with respect to its self-assembling properties and modification that would allow it to be employed as a patterning element and a new building block for nanobiotechnology. In vitro recrystallization experiments have shown that wild type SslA self-assembles into monolayers, multilayers or tubes. Factors such as initial monomer concentration, Ca2+ ions, pH of the recrystallization buffer and the presence of a silicon substrate have a strong influence on the recrystallization process. SslA monolayers proved to be an excellent biotemplate for ordered assembly of gold nanoparticle arrays. The recombinant SslA after expression and purification formed micrometer sized, crystalline monolayers exhibiting the same lattice structure as the wild type protein (p4 symmetry). This remarkable property of self-assembling has been preserved even when SslA was truncated. The deletion of both, N- and C-terminal SslA domains does not hinder self-assembly; the resulting protein is able to form extended monolayers that exhibit the p4 lattice symmetry. The central SslA-domain is self sufficient for the self-assembly. The possibility to change the natural properties of S-layers by genetic engineering techniques opens a new horizon for the tuning of their structural and functional features. The SslA-streptavidin fusion protein combines the remarkable property of self-assembling with the ligand i.e. biotin binding function. On silicon wafers, this chimeric protein recrystallized into coherent protein layers and exposes streptavidin, fact demonstrated by binding studies using biotinylated quantum dots. In this way, it can serve as a functional surface for controlled immobilization of biologically active molecules but also as a platform for the synthesis of planar arrays of quantum dots. Furthermore, the results open up exciting possibilities for construction of hybrid S-layers, structures that may ultimately promote the fabrication of miniaturized, nanosized electronic devices.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(農学) / 甲第23952号 / 農博第2501号 / 新制||農||1091(附属図書館) / 学位論文||R4||N5387(農学部図書室) / 京都大学大学院農学研究科応用生命科学専攻 / (主査)教授 栗原 達夫, 教授 小川 順, 教授 阪井 康能 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DGAM

Als "surface-layer" (S-Layer, SL) bezeichnet man die regelmäßig strukturierten Hüllproteinlagen auf der Oberfläche von etwa 80 % aller bisher bekannten Bakterienspezies. Sie entstehen durch Selbstassemblierung von identischen Proteinuntereinheiten, die wiederum zumeist durch nichtkovalente Wechselwirkungen mit der darunterliegenden Zellwandkomponente verknüpft sind. Trotz ihrer Diversität auf der Ebene der Primärstruktur weisen S-Layer verschiedener Bakterienarten einheitliche physikochemische Merkmale auf. Dazu zählt u.a. die Wiedereinnahme einer hochgradig strukturierten, porösen Proteinschicht nach reversibler Denaturierung. Infolge der Reassemblierung entstehen sowohl in Lösung als auch an Phasengrenzen Proteinassemblate, deren Porenanordnungen die gleiche regelmäßige Symmetrie aufweisen, wie die nativen Hüllproteine auf der Bakterienzelle. Das in seiner Domänenstruktur aufgeklärte Hüllprotein SbsC des mesophilen Bakterienstammes Geobacillus (G.) stearothermophilus ATCC 12980 zeichnet sich durch eine ausgezeichnete Synthetisierbarkeit in E. coli aus. C-terminale Fusionen, die im Falle des verstärkt grün fluoreszierenden Proteins (EGFP) bis zu 240 Aminosäuren umfassen, führten nicht zu einem Verlust der Selbstassemblierung. Darüber hinaus zeigen in vitro gebildete SbsC-Assemblate eine außergewöhnliche Stabilität gegenüber hohen Ethanolkonzentrationen. Die durch gerichtete Mutagenese erzeugten SbsC-Fusionsproteine SbsC(aa 31-1099)-HspA und SbsC(aa 31-1099)-12His besitzen in assemblierter Form im Vergleich mit dem unmodifizierten Protein eine bis zu zweimal höhere Bindungsaffinität gegenüber Platinionen. In denaturierter Form waren beide Fusionsproteine in der Lage, Nickelionen zu komplexieren. In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals ein SL-Protein in einem eukaryontischen Mikroorganismus produziert. Das in der Hefe S. cerevisiae gebildete Fusionsprotein SbsC(aa 31-1099)-EGFP assembliert dabei im Cytosol der Wirtszellen zu röhrenförmigen Assemblaten mit regelmäßiger Symmetrie. Das bisher unbekannte SL-Protein des Stammes G. stearothermophilus DSM 13240 wurde erfolgreich heterolog in E. coli exprimiert. Die Vorläuferform besitzt im Vergleich zum maturen Protein ein 31 aa umfassendes Sekretionssignal am extremen N-Terminus. Sowohl das authentische Protein als auch das heterolog in E. coli exprimierte Vorläuferprotein zeigen eine dem SbsC-Protein vergleichbare Reassemblierungscharakteristik. Im Gegensatz dazu führte die Verkürzung der N-terminalen 30 Aminosäuren des als S13240 bezeichneten Hüllproteins im heterologen System zu einem irreversiblen Verlust der Fähigkeit zur Selbstassemblierung.

In numerous Gram-negative and Gram-positive bacteria as well as in Archaea SL proteins form the outermost layer of the cell envelope. SL (glyco)monomers self-assemble with oblique (p2), tetragonal (p4), or hexagonal (p3, p6) symmetries [12]. SL subunits interact with each other and with the underlying cell surface by relatively weak non-covalent forces such as hydrogen-bonds, ionic bonds, salt-bridges or hydrophobic interactions. This makes them easy to isolate by applying chaotropic agents like urea and guanidine hydrochloride (GuHCl), chelating chemicals, or by changing the pH of the environment [10]. Upon dialysis in an ambient buffer monomers recrystallize into regular arrays that possess the forms of flat sheets, open ended cylinders, or spheres on solid substrates, at air-water intefaces and on lipid films, making them appealing for nanobiotechnological applications [3, 18]. The aim of this study was to investigate the structure, thermal stability, in vivo self-assembly process, recrystallization and metallization of three different recombinant SL proteins (SslA-eGFP, mSbsC-eGFP and S13240-eGFP) expressed in yeast S. cerevisiae BY4741 which could be further used in nanobiotechnological applications. In order to fulfill this aim, I investigated the in vivo expression of SL proteins (SslA, SbsC, S13240) tagged with eGFP (SL-eGFP) in the yeast S. cerevisiae BY4141. First, I characterized the heterologous expression of SL fusion constructs with growth and fluorescence measurements combined with Western blot analyses. Fluorescence microscopy investigations of overnight grown cultures showed that SslA-eGFP fusion protein was expressed as fluorescent patches, mSbsC-eGFP as tubular networks, and S13240-eGFP as hollow-like fibrillar network structures, while eGFP did not show any distinct structure Thermal stability of in vivo expressed SL-eGFP fusion proteins were investigated by fluorescence microscopy and immunodetection. In vivo self-assembly kinetics during mitosis and meiosis was the second main issue. In parallel, association of in vivo mSbsC-eGFP structures with the cellular components was of interest. A network of tubular structures in the cytosol of the transformed yeast cells that did not colocalize with microtubules or the actin cytoskeleton was observed. Time-resolved analysis of the formation of these structures during vegetative growth and sporulation was investigated by live fluorescence microscopy. While in meiosis ascospores seemed to receive assembled structures from the diploid cells, during mitosis surface layer structures were formed de novo in the buds. Surface layer assembly always started with the appearance of a dot-like structure in the cytoplasm, suggesting a single nucleation point. In order to get these in vivo SL assemblies stably outside the cells (in situ), cell distruption experiments were conducted. The tubular structures formed by the protein in vivo were retained upon bursting the cells by osmotic shock; however their average length was decreased. During dialysis, monomers obtained by treatment with chaotropic agents recrystallized again to form tube-like structures. This process was strictly dependent on calcium ions, with an optimal concentration of 10 mM. Further increase of the Ca2+ concentration resulted in multiple non-productive nucleation points. It was further shown that the lengths of the S-layer assemblies increased with time and could be controlled by pH. After 48 hours the average length at pH 9.0 was 4.13 µm compared to 2.69 µm at pH 5.5. Successful chemical deposition of platinum indicates the potential of recrystallized mSbsC-eGFP structures for nanobiotechnological applications. For example, such metalized protein nanotubes could be used in conductive nanocircuit technologies as nanowires.

In der vorliegenden Dissertation werden Dünnschichten des Oberflächenproteins (Surface (S)-Layer) des Bacillus sphaericus NCTC 9602 auf einem SiOx-Substrat mittels Photoemission (PE) und Röntgenabsorptionsspektroskopie untersucht. Sowohl die PE-Daten als auch die Nahkantenabsorptionsspektren (NEXAFS) sind in qualitativer und quantitativer Übereinstimmung mit der erwarteten elektronischen Struktur des S-Layers, was auf eine weitgehende Stabilität des Systems gegenüber den Messbedingungen (Vakuum, Röntgenstrahlung) hindeutet. Mittels resonanter Photoemission war es möglich, die einzelnen Valenzbandstrukturen individuellen chemischen Bindungen zuzuordnen. Aus dem Vergleich der Intensitäten von Participator- und Spectator- Übergängen konnte ferner die Zeitskala für Elektronenhüpfprozesse innerhalb des LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital, niedrigstes unbesetztes Molekülorbital) zu 100 fs abgeschätzt werden, was in guter Übereinstimmung mit einem in der Literatur vorgeschlagenen, auf Drehschwingungen basierenden Transportmechanismus ist. Der S-Layer wurde im folgenden als Templat für die Erzeugung von Metallclustern genutzt, die sich bei physikalischer Deposition reiner Metalle (Ag, Co) ausbilden. Elektronenmikroskopische Untersuchungen zeigen, dass sich im Fall nominaler Silberbedeckungen im Monolagenbereich Cluster von der Größe einiger nm bilden, die sich auf einem quadratischen Übergitter mit einer Kantenlänge von 14 nm anordnen. Die spektroskopischen Daten weisen die Sauerstoffatome der Peptidketten als wahrscheinlichste Adsorptionsplätze aus. Während die Ag-Cluster sich weitgehend nicht-reaktiv verhalten, zeigen Co-Cluster deutlich stärkere Wechselwirkung mit dem Templat. Unter Nutzung eines im NEXAFS-Mode betriebenen Photoelektronenmikroskops (PEEM) wurde schließlich die Schädigung reiner und Cluster bedeckter S-Layer bei intensiver Röntgenbestrahlung untersucht. Die Schädigung ist im Fall der Clusterbedeckung deutlich niedriger als bei reinen Oberflächen. Ein nur auf Abschattung des Templats durch die Cluster beruhendes Modell beschreibt die spektroskopischen Daten jedoch nicht zufriedenstellend. Vielmehr müssen Schädigungen des Templats durch Elektronen, die infolge Röntgenabsorption innerhalb der Cluster generiert werden, mit berücksichtigt werden.