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Thermoplastic modified thermosets are of great interest especially due to their improved fracture toughness. Comparable enhancements have been achieved by adding different nanofillers including inorganic particles such as nanosized boehmite. Here, we present a nanomechanical study of two composite systems, the first comprising a polycarbonate (PC) layer in contact with epoxy resin (EP) and the second consisting of a PC layer containing boehmite nanoparticles (BNP) which is also in contact with an EP layer. The interaction between PC and EP monomer is tested by in situ Fourier transformed infrared (FT-IR) analysis, from which a reaction induced phase separation of the PC phase is inferred. Both systems are explored by atomic force microscopy (AFM) force spectroscopy. AFM force-distance curves (FDC) show no alteration of the mechanical properties of EP at the interface to PC. However, when a PC phase loaded with BNP is put in contact with an epoxy system during curing, a considerable mechanical improvement exceeding the rule of mixture was detected.
The trend of BNP to agglomerate preferentially around EP dominated regions and the stiffening effect of BNP on EP shown by spatial resolved measurements of Young's modulus, suggest the effective presence of BNP within the EP phase.
The image designed by Natalia Cano Murillo and colleagues shows the cross section of a ternary composite (boehmite/polycarbonate/epoxy, 80μm x 80μm). The surface was measured by AFM kelvin probe microscopy, yielding the surface potential which is shown as 3D‐surface and contour lines. The sample was further subjected to AFM force spectroscopy with a lateral resolution of 1μm², yielding the local Young's modulus, projected in false colors on the 3D surface. The ternary system, containing boehmite nanoparticles, shows a broad distribution of modulus, desirable for optimized macroscopic mechanical properties, such as high stiffness as well as toughness.
DNA long-term stability and integrity is of importance for applications in DNA based bio-dosimetry, data-storage, pharmaceutical quality-control, donor insemination and DNA based functional nanomaterials. Standard protocols for these applications involve repeated freeze-thaw cycles of the DNA, which can cause detrimental damage to the nucleobases, as well as the sugar-phosphate backbone and therefore the whole molecule. Throughout the literature three hypotheses can be found about the underlying mechanisms occurring during freeze-thaw cycles. It is hypothesized that DNA single-strand breaks during freezing can be induced by mechanical stress leading to shearing of the DNA molecule, by acidic pH causing damage through depurination and beta elimination or by the presence of metal ions catalyzing oxidative damage via reactive oxygen species (ROS). Here we test these hypotheses under well defined conditions with plasmid DNA pUC19 in high-purity buffer (1xPBS) at physiological salt and pH 7.4 conditions, under pH 6 and in the presence of metal ions in combination with the radical scavengers DMSO and Ectoine. The results show for the 2686 bp long plasmid DNA, that neither mechanical stress, nor pH 6 lead to degradation during repeated freeze-thaw cycles. In contrast, the presence of metal ions (Fe2+) leads to degradation of DNA via the production of radical species.
Water structuring induced by Ectoine as a possible explanation for its protection against radiation
(2015)
Ectoine induced water structuring as a possible explanation for its radiation protection properties
(2015)
The damage caused by ionizing radiation to biomolecules, especially DNA, is the reason to treat cancer via radiation therapy. A better understanding of the molecular processes and the quantification of the various damaging mechanisms is the prerequisit to develope efficient therapies. Hereby the understanding of the processes involved in the damage to DNA are of key interest due to its central role in reproduction and mutation. Due to the high amount of water in biological tissue, most of the damage is caused by the secondary particles produced by the interaction of the IR with water. Thereby a multitude of species are produced, e.g. kinetic low energy electrons, prehydrated electrons, OH-radicals and ions. The quantification of the contribution to DNA damage of the various species is of interest. Here we present an experimental approach to disentangle their relative DNA strand break yield. Plasmid DNA is irradiated in water with electrons under the presence of different scavengers. With the presented method it will be possible to reveal the relative contributions of OH-radicals, low energy electrons and prehydrated electrons to the DNA single and double strand break yield.
We report on the design, preparation and application of immobilized Oligonucleotides as biological sensors for dosimetry and protein activity. Oligonucleotides can be custom tailored in terms of sequence and length to the needs of the specific application. The preparation can be scaled from small lab-scales to higher output via spotting technology on various surfaces such as glass, silicon-dioxide or gold. They can be applied for the sensing of DNA-protein interaction and surface-plasmon resonance to detect the influence of cosolutes on the protein activity. This can be applied in the testing of pharmaceutical or cosmsetic applications and incorporated in microfluidic devices. Other important use cases are the usage in dosimetric application where the oligonucleotides are subjected to ionizing radiation. They can directly act as a sensor for biological damage which is detected and quantified by the subsequent hybridization of complementary strands who carry a fluorescence dye. The quantification can be performed by an array scanner or fluorescence microscope. Investigation on a molecular level can be performed with the AFM-IR technique. Applications are calibration of radiation sources and the investigation of interaction of ionizing radiation with biomolecules.
Quantifizierung der Schädigung von DNA in wässriger Lösung unter direkter Elektronenbestrahlung
(2018)
Bei der Behandlung von Krebs wird Strahlentherapie zur Zerstörung von Tumorzellen eingesetzt. Der zugrunde liegende Wirkmechanismus ist die durch ionisierende Strahlung verursachte Schädigung an Biomolekülen. Dabei kommt den Schädigungsprozessen an DNA aufgrund ihrer zentralen Rolle in Mutation und Zelltod eine besondere Bedeutung zu. Durch den hohen Wasseranteil in menschlichen Zellen findet ein Großteil der inelastischen Streuprozesse an Wassermolekülen statt und führt zur deren Radiolyse. Die so entstehenden Radiolyseprodukte sind für einen Großteil des Schadens an DNA verantwortlich. Ein detailliertes Verständnis der zugrunde liegenden molekularen Interaktion ist die Voraussetzung um effizientere Therapien zu entwickeln.
Ziel dieser Arbeit ist es, die Schädigung von DNA durch ionisierende Strahlung in Abhängigkeit der inelastischen Streuevents und des Energieeintrags innerhalb des biologisch relevanten mikroskopischen Treffervolumens zu quantifizieren. Die Bestrahlungen müssen dazu in Flüssigkeit, unter Berücksichtigung der chemischen Umgebung durchgeführt werden, welche die indirekten Schäden vermittelt. Deshalb wurde eine neuartige Kombination aus Experiment und Monte- Carlo-Simulationen entworfen und angewandt. Um Elektronenbestrahlung flüssiger Lösungen innerhalb eines Rasterelektronenmikroskops zu ermöglichen, wurde ein Probenhalter mit einer für Elektronen durchlässigen Nanomembran entwickelt. So können Bestrahlungen an DNA,
Proteinen, und Zellen bei verschiedenen pH-Werten, Salzkonzentrationen oder in Anwesenheit von Kosoluten durchgeführt werden. Für ein Modellsystem aus Plasmid-DNA in Wasser wurde damit die mittlere letale Dosis aus der Kombination der experimentellen Daten, Partikelstreusimulationen (Geant4-DNA) und Diffusionsberechnungen zu D1/2 = 1.7 ± 0.3 Gy bestimmt. Aus der Konvolution der Plasmidpositionen mit dem durch Elektronenstreusimulationen bestimmten ortsaufgelösten Energieeintrag wurde dessen Häufigkeitsverteilung im Targetvolumen der
Plasmide sowie der mittlere mikroskopische letale Energieeintrag berechnet als E1/2 = 6 ± 4 eV .
Es wurde gefolgert, dass weniger als zwei Ionisationsprozesse im sensitiven Targetvolumen der DNA im Mittel zu einem Einzelstrangbruch führen. Das für mikrodosimetrische Modellierungen wichtige Verhältnis von Einzelstrangbrüchen (SSB) zu Doppelstrangbrüchen (DSB) wurde als SSB : DSB = 12 : 1 bestimmt. Die vorgestellte Methode zur Bestimmung mikroskopischer Schaden-Dosis Relationen wurde auf weitere Klassen von Bestrahlungsexperimenten verallgemeinert. Dadurch ist die Methode unabhängig von der verwandten Primärstrahlung, der Probengeometrie und den Diffusionseigenschaften der untersuchten Moleküle anwendbar. So wird eine Vergleichbarkeit experimenteller Systeme mit inhomogenen Energieverteilungen erreicht, die bei ausschließlicher Betrachtung makroskopischer, gemittelter Größen nicht gegeben ist.
Des weiteren wurden die Strahlenschutzfunktionen des kompatiblen Soluts Ectoine und sein Einfluss auf Wasser und Biomoleküle untersucht. Mittels Ramanspektroskopie wurde ein kon-zentrationsabhängiger Anstieg des Anteils der Kollektivmoden des Wassers der OH-Streckschwingungen und dessen Unabhängigkeit von der Natriumchloridkonzentration beobachtet.
Molekulardynamik-Simulationen zeigten, dass die zwitterionischen Eigenschaften zur Bildung einer half-chair Konformation Ectoines führen. Die Wasserstoffbrückenbindungen in der ersten Hydrationshülle sind signifikant stabiler und besitzen höhere Lebensdauern als das Bulk-Wasser. Bestrahlung von DNA in Anwesenheit von 1 M Ectoine führt zu einer Erhöhung der Überlebensrate um den Faktor 1,41. Die Schutzfunktion wurde auf die Erhöhung des Streuquerschnitts niederenergetischer Elektronen an den akustischen Vibrationsmoden des Wasser durch Ectoine und seine Wirkung als OH-Radikalfänger zurückgeführt. Dies wurde mittels Ramanspektroskopie und Elektronenspinresonanzmessungen (ESR) nachgewiesen.
The compatible solute and osmolyte ectoine is an effective protectant of biomolecules and whole cells against heating, freezing and high salinity. The protection of cells (human Keratinocytes) by ectoine against ultraviolet radiation was also reported by various authors, although the underlying mechanism is not yet understood. We present results on the irradiation of biomolecules (DNA) with ionizing radiation (high energy electrons) in fully aqueous environment in the presence of ectoine and high salt concentrations. The results demonstrate an effective radiation protection of DNA by ectoine against the induction of single strand breaks by ionizing radiation. The effect is explained by an increased in low-energy electron scattering at the enhanced free-vibrational density of states of water due to ectoine, as well as the action of ectoine as an OH-radical scavenger. This was demonstrated by Raman spectroscopy, electron paramagnetic resonance (EPR) and Monte-Carlo simulations (Geant4).