TY - JOUR A1 - Reinmuth-Selzle, K. A1 - Bellinghausen, I. A1 - Leifke, A. L. A1 - Backes, A. T. A1 - Bothen, N. A1 - Ziegler, K. A1 - Weller, Michael G. A1 - Saloga, J. A1 - Schuppan, D. A1 - Lucas, K. A1 - Pöschl, U. A1 - Fröhlich-Nowoisky, J. T1 - Chemical modification by peroxynitrite enhances TLR4 activation of the grass pollen allergen Phl p 5 N2 - The chemical modification of aeroallergens by reactive oxygen and nitrogen species (ROS/RNS) may contribute to the growing prevalence of respiratory allergies in industrialized countries. Post-translational modifications can alter the immunological properties of proteins, but the underlying mechanisms and effects are not well understood. In this study, we investigate the Toll-like receptor 4 (TLR4) activation of the major birch and grass pollen allergens Bet v 1 and Phl p 5, and how the physiological oxidant peroxynitrite (ONOO–) changes the TLR4 activation through protein nitration and the formation of protein dimers and higher oligomers. Of the two allergens, Bet v 1 exhibited no TLR4 activation, but we found TLR4 activation of Phl p 5, which increased after modification with ONOO– and may play a role in the sensitization against this grass pollen allergen. We attribute the TLR4 activation mainly to the two-domain structure of Phl p 5 which may promote TLR4 dimerization and activation. The enhanced TLR4 signaling of the modified allergen indicates that the ONOO–-induced modifications affect relevant protein-receptor interactions. This may lead to increased sensitization to the grass pollen allergen and thus contribute to the increasing prevalence of allergies in the Anthropocene, the present era of globally pervasive anthropogenic influence on the environment. KW - Bet v 1 KW - Birch pollen allergen KW - Phl p 5 KW - Grass pollen KW - Phleum pratense KW - Betula pendula KW - Nitration KW - Nitrotyrosine KW - Protein nitration KW - Toll-like receptor 4 KW - Allergy KW - Enhancement KW - Oligomerization KW - Dimerization KW - TLR4 activation KW - Air pollution KW - Nitrogen oxides KW - Inflammation PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-570298 DO - https://doi.org/10.3389/falgy.2023.1066392 VL - 4 SP - 1 EP - 7 PB - Frontiers Media SA CY - Lausanne, Switzerland AN - OPUS4-57029 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Tannenberg, Robert A1 - Paul, Martin A1 - Röder, Bettina A1 - Gande, S. L. A1 - Sreeramulu, S. A1 - Saxena, K. A1 - Richter, C. A1 - Schwalbe, H. A1 - Swart, C. A1 - Weller, Michael G. T1 - Chemiluminescence biosensor for the determination of cardiac troponin I (cTnI) N2 - Cardiac troponin I (cTnI) is a crucial biomarker for diagnosing cardiac vascular diseases, including acute myocardial infarction (AMI). This study presents a proof-of-concept chemiluminescence-based immunosensor for rapid and accurate measurement of cTnI, with the potential for online monitoring. The immunosensor incorporates a flow cell design and a sensitive complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) camera for optical readout. A microfluidic setup was established to enable selective and quasi-online determination of cTnI within ten minutes. The sensor was tested with recombinant cTnI in phosphate buffer, demonstrating measurements in the concentration range of 2–25 µg/L, with a limit of detection (LoD) of 0.6 µg/L (23 pmol/L) achieved using the optimized system. The immunosensor exhibited high selectivity, as no cross-reactivity was observed with other recombinant proteins such as cTnT and cTnC at a concentration of 16 µg/L. Measurements with diluted blood plasma and serum yielded an LoD of 60 µg/L (2.4 nmol/L) and 70 µg/L (2.9 nmol/L), respectively. This biosensor offers a promising approach for the rapid and sensitive detection of cTnI, contributing to the diagnosis and management of acute myocardial infarction and other cardiac vascular diseases. N2 - Das kardiale Troponin I (cTnI) ist ein wichtiger Biomarker für die Diagnose von Herz-Kreislauf-Erkrankungen, einschließlich des akuten Myokardinfarkts (AMI). In dieser Studie wird ein auf Chemilumineszenz basierender Immunsensor für die schnelle und genaue Messung von cTnI vorgestellt, der das Potenzial für eine Online-Überwachung hat. Der Immunsensor besteht aus einer Durchflusszelle und einer empfindlichen CMOS-Kamera (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) zur optischen Detektion. Es wurde ein mikrofluidischer Aufbau entwickelt, der eine selektive und quasi Online-Bestimmung von cTnI innerhalb von zehn Minuten ermöglicht. Der Sensor wurde mit rekombinantem cTnI in Phosphatpuffer getestet und zeigte einen Messbereich von 2-25 µg/L, wobei mit dem optimierten System eine Nachweisgrenze (LoD) von 0,6 µg/L (23 pmol/L) erreicht wurde. Der Immunsensor zeigte eine hohe Selektivität, da keine Kreuzreaktivität mit anderen rekombinanten Proteinen wie cTnT und cTnC bei einer Konzentration von 16 µg/L beobachtet wurde. Messungen mit verdünntem Blutplasma und Serum ergaben einen LoD von 60 µg/L (2,4 nmol/L) bzw. 70 µg/L (2,9 nmol/L). Dieser Biosensor bietet einen vielversprechenden Ansatz für den schnellen und empfindlichen Nachweis von cTnI, der zur Diagnose und Behandlung des akuten Myokardinfarkts und anderer kardialer Gefäßerkrankungen beitragen kann. KW - Acute myocardial infarction KW - Heart attack KW - Emergency KW - Diagnosis KW - Cardiac troponin KW - Biomarker KW - Immunosensor KW - Biosensor KW - Chemiluminescence KW - Luminol KW - Peroxidase KW - Monoclonal antibodies KW - Flow injection immunoassay KW - Immunometric assay KW - Immunometric biosensor KW - Microfluidic system KW - Monolithic column KW - Online biosensor PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-575471 DO - https://doi.org/10.3390/bios13040455 SN - 2079-6374 VL - 13 IS - 4 SP - 1 EP - 20 PB - MDPI CY - Basel AN - OPUS4-57547 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Beslic, D. A1 - Tscheuschner, Georg A1 - Renard, B. Y. A1 - Weller, Michael G. A1 - Muth, Thilo T1 - Comprehensive evaluation of peptide de novo sequencing tools for monoclonal antibody assembly N2 - Monoclonal antibodies are biotechnologically produced proteins with various applications in research, therapeutics and diagnostics. Their ability to recognize and bind to specific molecule structures makes them essential research tools and therapeutic agents. Sequence information of antibodies is helpful for understanding antibody–antigen interactions and ensuring their affinity and specificity. De novo protein sequencing based on mass spectrometry is a valuable method to obtain the amino acid sequence of peptides and proteins without a priori knowledge. In this study, we evaluated six recently developed de novo peptide sequencing algorithms (Novor, pNovo 3, DeepNovo, SMSNet, PointNovo and Casanovo), which were not specifically designed for antibody data. We validated their ability to identify and assemble antibody sequences on three multi-enzymatic data sets. The deep learning-based tools Casanovo and PointNovo showed an increased peptide recall across different enzymes and data sets compared with spectrum-graph-based approaches. We evaluated different error types of de novo peptide sequencing tools and their performance for different numbers of missing cleavage sites, noisy spectra and peptides of various lengths. We achieved a sequence coverage of 97.69–99.53% on the light chains of three different antibody data sets using the de Bruijn assembler ALPS and the predictions from Casanovo. However, low sequence coverage and accuracy on the heavy chains demonstrate that complete de novo protein sequencing remains a challenging issue in proteomics that requires improved de novo error correction, alternative digestion strategies and hybrid approaches such as homology search to achieve high accuracy on long protein sequences. KW - De novo peptide sequencing KW - Bioinformatics KW - Benchmarking study KW - Monoclonal antibody KW - Mass spectrometry KW - Sequence coverage KW - Light chains KW - Heavy chains KW - IgG KW - Immunoglobulins KW - Error correction KW - Sequencing algorithm KW - Preprocessing KW - Missing fragmentation sites KW - Deep learning-based tools PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-570363 DO - https://doi.org/10.1093/bib/bbac542 VL - 24 IS - 1 SP - 1 EP - 12 PB - Oxford University Press AN - OPUS4-57036 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Tscheuschner, Georg A1 - Ponader, Marco A1 - Raab, Christopher A1 - Weider, Prisca S. A1 - Hartfiel, Reni A1 - Kaufmann, Jan Ole A1 - Völzke, Jule L. A1 - Bosc-Bierne, Gaby A1 - Prinz, Carsten A1 - Schwaar, T. A1 - Andrle, Paul A1 - Bäßler, Henriette A1 - Nguyen, Khoa A1 - Zhu, Y. A1 - Mey, A. S. J. S. A1 - Mostafa, A. A1 - Bald, I. A1 - Weller, Michael G. T1 - Efficient Purification of Cowpea Chlorotic Mottle Virus by a Novel Peptide Aptamer N2 - The cowpea chlorotic mottle virus (CCMV) is a plant virus explored as a nanotechnological platform. The robust self-assembly mechanism of its capsid protein allows for drug encapsulation and targeted delivery. Additionally, the capsid nanoparticle can be used as a programmable platform to display different molecular moieties. In view of future applications, efficient production and purification of plant viruses are key steps. In established protocols, the need for ultracentrifugation is a significant limitation due to cost, difficult scalability, and safety issues. In addition, the purity of the final virus isolate often remains unclear. Here, an advanced protocol for the purification of the CCMV from infected plant tissue was developed, focusing on efficiency, economy, and final purity. The protocol involves precipitation with PEG 8000, followed by affinity extraction using a novel peptide aptamer. The efficiency of the protocol was validated using size exclusion chromatography, MALDI-TOF mass spectrometry, reversed-phase HPLC, and sandwich immunoassay. Furthermore, it was demonstrated that the final eluate of the affinity column is of exceptional purity (98.4%) determined by HPLC and detection at 220 nm. The scale-up of our proposed method seems to be straightforward, which opens the way to the large-scale production of such nanomaterials. This highly improved protocol may facilitate the use and implementation of plant viruses as nanotechnological platforms for in vitro and in vivo applications. N2 - Das Cowpea Chlorotic Mottle Virus (CCMV) ist ein Pflanzenvirus, das als nanotechnologische Plattform erforscht wird. Der robuste Selbstorganisationsmechanismus seines Kapsidproteins ermöglicht die Verkapselung und gezielte Abgabe von Medikamenten. Darüber hinaus kann das Kapsid-Nanopartikel als programmierbare Plattform für die Präsentation verschiedener molekularer Komponenten verwendet werden. Im Hinblick auf künftige Anwendungen ist eine effiziente Produktion und Reinigung von Pflanzenviren von entscheidender Bedeutung. In etablierten Protokollen stellt die notwendige Ultrazentrifugation aufgrund von Kosten, schwieriger Skalierbarkeit und Sicherheitsaspekten eine erhebliche Einschränkung dar. Darüber hinaus bleibt die Reinheit des endgültigen Virusisolats oft unklar. Hier wurde ein fortschrittliches Protokoll für die Reinigung von CCMV aus infiziertem Pflanzengewebe entwickelt, wobei der Schwerpunkt auf Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Reinheit lag. Das Protokoll beinhaltet eine Fällung mit Polyethylenglycol (PEG 8000), gefolgt von einer Affinitätsextraktion mit einem neuartigen Peptid-Aptamer. Die Effizienz des Protokolls wurde mithilfe von Größenausschluss-Chromatographie (SEC), MALDI-TOF-Massenspektrometrie, Umkehrphasen-HPLC und Sandwich-Immunoassay validiert. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass das endgültige Eluat der Affinitätssäule eine außergewöhnliche Reinheit (98,4 %) aufweist, die durch HPLC und Detektion bei 220 nm bestimmt wurde. Die Skalierung der von uns vorgeschlagenen Methode scheint einfach zu sein, was den Weg für eine größer angelegte Produktion solcher Nanomaterialien ebnet. Dieses stark verbesserte Protokoll könnte die Verwendung und Umsetzung von Pflanzenviren als nanotechnologische Plattformen für In-vitro- und In-vivo-Anwendungen erleichtern. KW - Affinity chromatography KW - Nanoparticles KW - Nanoscience KW - Carrier protein KW - Encapsulation KW - Combinatorial peptide library KW - Peptide binder KW - Vigna unguiculata KW - Augenbohne KW - Schlangenbohne KW - Pflanzenvirus KW - Plant virus KW - Upscaling KW - Commercialization KW - Reference material KW - Nanocarrier PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-572645 DO - https://doi.org/10.3390/v15030697 VL - 15 IS - 3 SP - 1 EP - 24 PB - MDPI CY - Basel, Schweiz AN - OPUS4-57264 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Völzke, Jule L. A1 - Smatty, Sarah A1 - Döring, Sarah A1 - Ewald, Shireen A1 - Oelze, Marcus A1 - Fratzke, Franziska A1 - Flemig, Sabine A1 - Konthur, Zoltán A1 - Weller, Michael G. T1 - Efficient Purification of Polyhistidine-Tagged Recombinant Proteins Using Functionalized Corundum Particles N2 - Immobilized metal affinity chromatography (IMAC) is a widely used technique for purifying polyhistidine-tagged recombinant proteins. However, it often has practical limitations that require complex optimizations and additional steps for purification. In this study, we introduce functionalized corundum particles as a novel, efficient, and economical method for purifying recombinant proteins in a column-free format. The corundum surface is modified with amino silane APTES, followed by EDTA dianhydride, and then loaded with nickel ions. We used the Kaiser test to monitor the modification process and ICP-MS to quantify the metal-binding capacity. To evaluate the system, we used His-tagged protein A/G (PAG) mixed with bovine serum albumin (BSA). The corundum particles exhibited a binding capacity of approximately 3 mg of protein per gram of corundum or 2.4 mg per 1 mL of corundum suspension. We also examined cytoplasm obtained from different E. coli strains as an example of a complex matrix. Varying the imidazole concentration in the loading and washing buffers showed that higher concentrations during loading improved purity. Even with sample volumes as large as one liter, we successfully isolated recombinant proteins down to a concentration of 1 µg/mL. We found higher purity levels with corundum when comparing the corundum material to standard Ni–NTA agarose beads. We successfully purified His6-MBP-mSA2, a fusion protein comprising monomeric streptavidin and maltose-binding protein, from E. coli cytoplasm, demonstrating the method's applicability. We also purified SARS-CoV-2-S-RBD-His8 expressed in human Expi293F cells, confirming its suitability for mammalian cell culture supernatants. The material cost of the nickel-loaded corundum material (without regeneration) is estimated to be less than 30 cents per gram of functionalized support or 10 cents per milligram of isolated protein. Another advantage of this system is the exceptional physical and chemical stability of corundum particles. Overall, we have demonstrated that this novel material offers an efficient, robust, and cost-effective purification platform for His-tagged proteins, even in challenging, complex matrices and large sample volumes with low product concentrations. This method has potential applications in both small laboratories and large-scale industrial settings. N2 - Die immobilisierte Metallaffinitätschromatographie (IMAC) ist eine weit verbreitete Technik zur Reinigung von rekombinanten Proteinen mit Polyhistidin-Markierung. Sie hat jedoch oft praktische Einschränkungen, die komplexe Optimierungen und zusätzliche Schritte für die Aufreinigung erfordern. In dieser Studie stellen wir funktionalisierte Korundpartikel als neuartige, effiziente und wirtschaftliche Methode zur Reinigung rekombinanter Proteine in einem säulenfreien Format vor. Die Korundoberfläche wird mit dem Aminosilan APTES und anschließend mit EDTA-Dianhydrid modifiziert und dann mit Nickelionen beladen. Wir haben den Kaiser-Test zur Überwachung des Modifizierungsprozesses und ICP-MS zur Quantifizierung der Metallbindungskapazität verwendet. Zur Charakterisierung des Systems verwendeten wir His-markiertes Protein A/G (PAG) in Kombination mit Rinderserumalbumin (BSA). Die Korundpartikel wiesen eine Bindungskapazität von etwa 3 mg Protein pro Gramm Korund oder 2,4 mg pro 1 ml Korundsuspension auf. Als Beispiel für eine komplexe Matrix untersuchten wir auch Zytoplasma, das aus verschiedenen E. coli-Stämmen gewonnen wurde. Die Variation der Imidazolkonzentration in den Lade- und Waschpuffern zeigte, dass höhere Konzentrationen beim Laden die Reinheit verbesserten. Selbst bei einem Probenvolumen von bis zu einem Liter konnten wir rekombinante Proteine von 1 µg/mL isolieren. Beim Vergleich des Korundmaterials mit Standard-Ni-NTA-Agarose-Beads stellten wir einen höheren Reinheitsgrad mit Korund fest. Wir reinigten erfolgreich His6-MBP-mSA2 aus E. coli-Zytoplasma, ein Fusionsprotein, das aus monomerem Streptavidin und Maltose-bindendem Protein besteht. Wir reinigten auch SARS-CoV-2-S-RBD-His8, das in humanen Expi293F-Zellen exprimiert wurde, und bestätigten damit die Eignung des Materials für Zellkulturüberstände von Säugetieren. Die Materialkosten für nickelbeladenen Korund (ohne Regenerierung) werden auf weniger als 30 Cent pro Gramm funktionalisierten Trägers oder 10 Cent pro Milligramm isolierten Proteins geschätzt. Ein weiterer Vorteil dieses Systems ist die außergewöhnliche physikalische und chemische Stabilität der Korundpartikel. Insgesamt haben wir gezeigt, dass dieses neuartige Material eine effiziente, robuste und kostengünstige Reinigungsplattform für His-markierte Proteine bietet, selbst bei schwierigen, komplexen Matrices und großen Probenmengen mit niedrigen Produktkonzentrationen. Diese Methode könnte sowohl in kleinen Labors als auch in der Großindustrie eingesetzt werden. KW - Aluminum oxide KW - Sapphire KW - Ethylenediaminetetraacetic acid KW - Nickel chelate KW - EDTAD KW - HexaHis-Tag KW - His6 KW - 6xHis KW - His8 KW - Bioseparation KW - IMAC purification KW - Immunocapture KW - Affinity chromatography KW - Carrier KW - Nickel KW - Recombinant protein KW - Escherichia coli KW - Bacterial lysates KW - Cytoplasm KW - Polishing KW - Downstream processing PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-575672 DO - https://doi.org/10.3390/biotech12020031 VL - 12 IS - 2 SP - 1 EP - 18 PB - MDPI CY - Basel, Schweiz AN - OPUS4-57567 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Fröhlich-Nowoisky, J. A1 - Bothen, N. A1 - Backes, A. T. A1 - Weller, Michael G. A1 - Pöschl, U. T1 - Oligomerization and tyrosine nitration enhance the allergenic potential of the birch and grass pollen allergens Bet v 1 and Phl p 5 N2 - Protein modifications such as oligomerization and tyrosine nitration alter the immune response to allergens and may contribute to the increasing prevalence of allergic diseases. In this mini-review, we summarize and discuss relevant findings for the major birch and grass pollen allergens Bet v 1 and Phl p 5 modified with tetranitromethane (laboratory studies), peroxynitrite (physiological processes), and ozone and nitrogen dioxide environmental conditions). We focus on tyrosine nitration and the formation of protein dimers and higher oligomers via dityrosine cross-linking and the immunological effects studied. N2 - Proteinmodifikationen wie Oligomerisierung und Tyrosinnitrierung verändern die Immunantwort auf Allergene und tragen möglicherweise zur zunehmenden Prävalenz allergischer Erkrankungen bei. In diesem Mini-Review fassen wir relevante Befunde zu den wichtigsten Birken- und Gräserpollenallergenen Bet v 1 und Phl p 5 zusammen, die mit Tetranitromethan (Laborstudien), Peroxynitrit (physiologische Prozesse) und Ozon und Stickstoffdioxid (Umweltbedingungen). Wir konzentrieren uns auf die Tyrosin-Nitrierung und die Bildung von Proteindimeren und höheren Oligomeren durch Dityrosin-Vernetzung und deren immunologischen Auswirkungen. KW - Allergy KW - Nitration KW - Protein oligomers KW - Air pollution KW - Ozone KW - Nitrogen oxides KW - Tyrosine KW - Nitrotyrosine KW - Dityrosine KW - Dityrosine crosslinking KW - Protein degradation KW - Neoepitopes KW - Neoallergen KW - IgE KW - Immunoglobulin E PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-591453 DO - https://doi.org/10.3389/falgy.2023.1303943 VL - 4 SP - 1 EP - 8 PB - Frontiers Media CY - Switzerland AN - OPUS4-59145 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Tchipilov, Teodor A1 - Meyer, Klas A1 - Weller, Michael G. T1 - Quantitative 1H nuclear magnetic resonance (qNMR) of aromatic amino acids for protein quantification N2 - Hydrolysis of protein samples into amino acids facilitates the use of NMR spectroscopy for protein and peptide quantification. Different conditions have been tested for quantifying aromatic amino acids and proteins. The pH-dependent signal shifts in the aromatic region of amino acid samples were examined. A pH of 12 was found to minimize signal overlap of the four aromatic amino acids. Several aromatic compounds, such as terephthalic acid, sulfoisophthalic acid, and benzene tricarboxylic acid, were applied as internal standards. The quantification of amino acids from an amino acid standard was performed. Using the first two suggested internal standards, recovery was ~97% for histidine, phenylalanine, and tyrosine at a concentration of approximately 1 mM in solution. Acidic hydrolysis of a certified reference material (CRM) of bovine serum albumin (BSA) and subsequent quantification of Phe and Tyr yielded recoveries of 98% ± 2% and 88% ± 4%, respectively, at a protein concentration of 16 g/L or 250 µM. KW - Amino acid analysis KW - Aromatic amino acid analysis KW - AAA KW - AAAA KW - Protein hydrolysis KW - Hydrochloric acid KW - Metrology KW - Traceability KW - NIST KW - Reference materials KW - Internal standard KW - Calibration KW - Compound-independent calibration KW - Histidine KW - Tyrosine KW - Tryptophan KW - Phenylalanine KW - Terephthalic acid KW - Benzene-1,3,5-tricarboxylic acid KW - Bovine serum albumin (BSA) KW - Quantitative protein analysis KW - Phenylketonuria PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-570943 DO - https://doi.org/10.3390/mps6010011 VL - 6 IS - 1 SP - 1 EP - 13 PB - MDPI CY - Basel, Schweiz AN - OPUS4-57094 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -