Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 2002. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 122-137).

Onchocerciasis, or river blindness, has historically represented one of the significant neglected tropical diseases on the planet in terms of socio-economic impact. The discovery that ivermectin was a safe and effective treatment for onchocerciasis, together with the decision of the manufacturer to donate the drug for the treatment of this disease became the basis for several large international programs to control and eventually eliminate the infection. These programs have managed to virtually eliminate transmission of the parasite causing Onchocerca volvulus from many foci in Africa and the Americas. Verifying that transmission has been halted requires sensitive and specific assays to detect the presence of the parasite. The gold standard to accomplish this has been to employ a PCR assay targeting a specific repeated sequence family encoded in the genome of O. volvulus to screen for the presence of the parasite in pools of vector black flies. While this assay is highly sensitive, obtaining the high specificity required to document an absence of transmission requires an independent confirmatory assay. To meet this need, an independent PCR assay targeting the cytochrome B (cytB) gene of the O. volvulus mitochondrion was developed. This assay could detect O. volvulus mitochondrial DNA purified by magnetic bead capture using the primers for the cytB gene and from the nuclear encoded repeated sequence DNA targeted in the primary assay. These preliminary data suggest that the mitochondrial PCR assay may be employed as a confirmatory assay to detect O. volvulus in pools of vector flies.

Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 1999. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 175-188).

University, Diss., 2005--Bielefeld.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / The nuclear protein SETMAR has been reported to be involved in many processes such as non-homologous end joining (NHEJ), di-methylation (arguably) of K36 of histone H3, restart of stalled replication forks, chromosome decatenation, enhancing of TOPII inhibitors which results in resistance to chemotherapeutics in cancer patients, etc. All these purported functions are impossible to execute without interaction with other proteins. It is established that SETMAR binds specifically to DNA at terminal inverted repeat sequences and can loop DNA. This DNA sequence specific pull-down exploits this attribute to identify possible protein interactors of SETMAR. As a result of this experiment several proteins have been identified for further research: BAG2, c12orf45, PPIA, XRCC5/6, and ZBTB43, all of which are found in higher statistical abundances in full length SETMAR samples.

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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.

Membranproteine spielen eine wichtige Rolle in vielen biochemischen Prozessen der Zelle, wie zum Beispiel der Signaltransduktion, der Zelladhesion oder auch der Erkennung von Krankheitserregern. Viele dieser Proteine sind von Bedeutung für die Entwicklung neuer innovativer Medikamente. Somit hat auch die Entwicklung von Sensoren, die die Untersuchung von Membranproteinen in ihrer natürlichen Umgebung erlauben an Bedeutung gewonnen [1]. Thema dieser Doktorarbeit war die Entwicklung von Analysekonzepten die es ermöglichen unterschiedliche Aspekte von Membraninteraktionen zu untersuchen und zu quantifizieren. Als Analysemethode wurde dafür reflektometrische Interferenz Spektroskopie (RIfS) eine markierungsfreie, optische Methode verwendet. RIfS erlaubt es die Höhe dünner transparenter Filme zu bestimmen, indem das Weißlicht-Reflexionspektrum eines solchen Films aufgezeichnet wird. Durch die Überlagerung der in dem Film mehrfach reflektierten Teilstrahlen entsteht ein Interferenzmuster im Reflexionsspektrum, welches Aufschluß gibt über die Schichtdicke und den Brechungsindex des transparenten Films. Es wurde bereits gezeigt, dass RIfS eine geeignete Methode zur Untersuchung von Protein-ProteinWechselwirkungen ist [2]. Aus diesem Grund wurde RIfS als Detektionsverfahren für die Entwicklung eines Membransensors gewählt. Im Laufe dieser Arbeit entstanden zwei Aufbauten für reflektometrische Messungen. Ein Standard RIfS Aufbau und ein Instrument das die Methode mit Fluoreszenz-Mikroskopie kombiniert. Um dieWechselwirkung von Proteinen selbst und Proteinen mit Membranbestandteilen wie Lipiden zu untersuchen, wurde ein Konzept basierend auf festkörperunterstützten Membranen entwickelt. Dieses Experiment erlaubt es die Wechselwirkungen auf artifiziellen Membranen, sowie auf rekonstituierten Zellmembranen zu untersuchen. Zudem wurde ein Analysekonzept mit Nano-BLMs entwickelt, dass es erlaubt den simultanen Transport von Molekülen in ein membranverschlossenes Kompartiment hinein als auch heraus zu beobachten. Neben diesen membranbasierten Experimenten wurde auch ein Konzept entwickelt, welches es erlaubt die molekulare Erkennungsreaktion von sehr kleiner Analyten direkt zu messen. Dieses Messkonzept erlaubt es die Bindung von Molekülen mit sehr kleinem Molekulargewicht an einen auf dem Sensor immobilisierten Partner direkt zu quantifizieren.

Um Prozesse in biologischen Systemen auf molekularer Ebene zu untersuchen, haben sich vor allem fluoreszenzspektroskopische Methoden bewährt. Die Möglichkeit, einzelne Moleküle zu beobachten, hat zu einem deutlichen Fortschritt im Verständnis von elementaren biochemischen Prozessen geführt. Zu einer der bekanntesten Methoden der Einzelmolekülspektroskopie zählt die Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS), mit deren Hilfe intramolekulare und diffusionsgesteuerte Prozesse in einem Zeitbereich von µs bis ms untersucht werden können. Durch die Verwendung von sog. Fluoreszenzsonden können Informationen über deren molekulare Mikroumgebung erhalten werden. Insbesondere für die konfokale Mikroskopie und die Einzelmolekülspektroskopie werden Fluoreszenzfarbstoffe mit einer hohen Photostabilität und hohen Fluoreszenzquantenausbeute benötigt. Aufgrund ihrer hohen Fluoreszenzquantenausbeute und der Möglichkeit, maßgeschneiderte“ Farbstoffe in einem breiten Spektralbereich für die Absorption und Fluoreszenz zu entwickeln, sind Cyaninfarbstoffe von besonderem Interesse für bioanalytische Anwendungen. Als Fluoreszenzmarker finden diese Farbstoffe insbesondere in der klinischen Diagnostik und den Lebenswissenschaften Verwendung. Die in dieser Arbeit verwendeten Farbstoffe DY-635 und DY-647 sind zwei typische Vertreter dieser Farbstoffklasse. Durch Modifizierung können die Farbstoffe kovalent an biologisch relevante Moleküle gebunden werden. Aufgrund ihres Absorptionsmaximums oberhalb von 630nm werden sie insbesondere in der Bioanalytik eingesetzt. In der vorliegenden Arbeit wurden die spektroskopischen Eigenschaften der Cyaninfarbstoffe DY-635 und DY-647 in biomimetischen und biologischen Modellsystemen untersucht. Zur Charakterisierung wurden dabei neben der Absorptionsspektroskopie insbesondere fluoreszenzspektroskopische Methoden verwendet. Dazu zählen die zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung zur Ermittlung des Fluoreszenzabklingverhaltens, Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) zur Beobachtung von Diffusions- und photophysikalischen Desaktivierungsprozessen und die zeitaufgelöste Fluoreszenzanisotropie zur Untersuchung der Rotationsdynamik und Beweglichkeit der Farbstoffe im jeweiligen Modellsystem. Das Biotin-Streptavidin-System wurde als Modellsystem für die Untersuchung von Protein-Ligand-Wechselwirkungen verwendet, da der Bindungsmechanismus weitgehend aufgeklärt ist. Nach Bindung der Farbstoffe an Streptavidin wurde eine erhebliche Veränderung in den Absorptions- und Fluoreszenzeigenschaften beobachtet. Es wird angenommen, dass diese spektralen Veränderungen durch Wechselwirkung von benachbarten, an ein Streptavidintetramer gebundenen Farbstoffmolekülen und Bildung von H-Dimeren verursacht wird. Für das System Biotin-Streptavidin ist bekannt, dass während der Bindung des Liganden (Biotin) an das Protein eine Konformationsänderung auftritt. Anhand von zeitaufgelösten Fluoreszenzanisotropieuntersuchungen konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass diese strukturellen Veränderungen zu einer starken Einschränkung der Beweglichkeit des Farbstoffes DY-635B führen. Liegt eine Mischung von ungebundenem und Streptavidin-gebundenem Farbstoff vor, können die Anisotropieabklingkurven nicht nach einem exponentiellen Verlauf angepasst werden. Es konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass in diesem Fall die Auswertung mit Hilfe des Assoziativen Anisotropiemodells möglich ist, welches eine Unterscheidung der Beiträge aus den zwei verschiedenen Mikroumgebungen ermöglicht. Als zweites Modellsystem dieser Arbeit wurden Mizellen des nichtionischen Tensids Tween-20 eingesetzt. Mizellen bilden eines der einfachsten Systeme, um die Mikroumgebung einer biologischen Membran nachzuahmen. Sind die Farbstoffe in den Mizellen eingelagert, so kommt es zu keiner Veränderung der Mizellgröße. Die ermittelten Werte des Diffusionskoeffizienten der mizellar eingelagerten Farbstoffe spiegeln demzufolge die Translationsbewegung der Tween-20-Mizellen wider. Die Beweglichkeit der Farbstoffe innerhalb der Tween-20-Mizellen wurde durch zeitaufgelöste Fluoreszenzanisotropiemessungen untersucht. Neben der „Wackelbewegung“, entsprechend dem wobble-in-a-cone-Modell, wird zusätzlich noch die laterale Diffusion der Farbstoffe entlang der Mizelloberfläche beschrieben. / To investigate processes in biological systems on a molecular level, particularly fluorescence spectroscopic methods have proven. The possibility to observe single molecules led to significant progress in the understanding of basic biochemical processes. Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) is one of the most popular methods of single molecule spectroscopy and is a powerful technique for the investigation of intramolecular and diffusion-controlled processes on a µs to ms time scale. The photophysical characteristics of fluorescent probes are often strongly influenced by their microenvironment. For confocal microscopy and single molecule detection applications fluorescent dyes with properties, such as high photostability and high fluorescence efficiency are highly needed. Due to the high fluorescence efficiency and the high potential to design tailor-made fluorescence probes covering a wide spectral range in absorption and fluorescence, cyanine dyes are highly attractive as fluorescence probes for bioanalytical applications, such as clinical diagnostics and life sciences. The dyes DY-635 and DY-647 are two typical representatives of this class of dyes and can be covalently attached to biologically relevant molecules. Because of their excitation wavelength above 630nm these dyes are especially suited for bioanalytical applications. In this work the spectroscopic properties of DY-635 and DY-647 in biomimetic and biological model systems were studied by absorption and fluorescence spectroscopy techniques: time-correlated single photon counting to determine fluorescence decay behavior, fluorescence correlation spectroscopy (FCS) to observe diffusion and photophysical deactivation processes, and fluorescence anisotropy to study the mobility and rotational behavior of the dyes in the respective model system. The well characterized system biotin-streptavidin was used as a model system for protein-ligand interactions. Binding to streptavidin resulted in significant changes in the steady-state photophysical characteristics of DY-635B and DY-647. These spectral changes are attributed to dye-dye interactions and the formation of H-dimers. Previous studies have demonstrated, that binding of biotin alters the conformation of streptavidin. Based on the evaluation of time-resolved anisotropy data in this study it was shown that these structural changes result in strong hindrance of the rotational freedom of DY-635B. For mixtures of unbound and streptavidin-bound dyes the fluorescence anisotropy decay curves are found to be nonexponential. In this case the concept of an associated anisotropy were applied which allowed discrimination between contributions from different microenvironments. As a second model system, micelles of the nonionic surfactant Tween-20 were used. Micelles are one of the simplest systems to mimic the microenvironment of a biological membrane. Incorporation of the dyes had no effect on the micelle size. The diffusion coefficient of the dyes, obtained by fluorescence correlation spectroscopy (FCS), reflects the translational behavior of Tween-20 micelles. The mobility of the dyes in the Tween-20 micelles was studied by time-resolved fluorescence anisotropy. In addition to a „wobbling“ motion ccording to the wobble-in-a-cone model, a lateral diffusion of the dyes along the micelle surface is described.

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.