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Organisationseinheit der BAM
Virus-like particles are of great interest. Due to the lack of functional amino acids, they are non-infectious and are widely investigated for their usage in the biomedical field, such as nanomaterials, vaccines, drug delivery.
This thesis is about the engineering of virus-like particles, which are formed by self-assembly of LRV1 capsid proteins. Basis was a publication by Procházková et al. (2021), where the structure of virus-like particles, derived from recombinant LRV1 capsid proteins, was determined using cryo-electron microscopy.
Goal of my work was to investigate, whether it is possible to modify the surface of LRV1 virus-like particles by protein engineering. Next to an LRV1 capsid protein with a C-termini polyhistidine-tag like in the publication, a genetically modified LRV1 capsid protein with an internal polyhistidine-tag was supposed to be expressed. It was supposed to be analyzed, whether it still comes to a self-assembly of the capsid proteins.
The genetical constructs were generated by PCR based on a complementary LRV1 DNA, cloned into an expression vector, and using Sanger sequencing it was shown that the amino acid sequences were like expected. For the recombinant expression different E. coli (BL21 STAR (DE3), BL21 (DE3) pLysS, BL21 STAR (DE3) pRARE3 and T7 express lysY/Iq) strains were used, as well as different expression conditions tested by varying temperature, medium, isopropyl-ß-D-thiogalactoside oncentration, and induction duration. Best results were obtained expressing in T7 express lysY/Iq for 5 hours in Terrific Broth medium at 16 °C and 3 mM Isopropyl ß-D-1thiogalactopyranoside. After that, the recombinant proteins were purified under native conditions by their polyhistidine-tags using nickel affinity chromatography. Overall, a higher yield was obtained for the capsid protein with the C-termini polyhistidine-tag during expression, which was also visible in all following experiments. The expression of both constructs in E. coli was comparably low. Still, it was possible to validate for virus-like particles for both proteins using transmission electron microscopy. Thus, it was demonstrated for the first time that surface-modified LRV1 capsid proteins are able to assemble into virus-like particles. For further experiments and higher yield of soluble LRV1 capsid proteins for virus-like particle production, a different expression system should be used: Therefore, the LEXSY expression system should be optimal, it bases on Leishmania tarenolae, a natural LRV1 host system.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die rekombinante Herstellung der AnFAO in E. coli, welche ursprünglich von A. niger produziert wird, und deren anschließende Anwendung in der Entwick-lung eines Fumonisin- Biosensors für die Lebensmittelanalytik. In Bezug auf die aktuell steigen-den Lebensmittel- und Rohstoffpreise ist die Entwicklung eines Schnelltestsystems zur Detektion von Kontaminationen mit Mykotoxinen besonders gefragt, da zusätzliche Verluste und Kosten verhindert werden können. Für die Herstellung der AnFAO als MBP-Fusionsprotein und Biotin-Fusionsprotein mit zusätzlichem 6x His-Tag wurden die pET-MBP-AnFAO und pRSET-BH6-An-FAO Expressionsvektoren erfolgreich konstruiert. Die lösliche Expression im Cytoplasma wurde von MBP-AnFAO erreicht, wobei die Expression von BH6-AnFAO in inclusion bodies erfolgte und keine Aktivität des Enzyms nachgewiesen wurde. Die Enzymaktivität von MBP-AnFAO wurde im optischen Assay und amperometrisch durch die Detektion von H2O2 ermittelt. Im optischen Assay wurde die maximale spezifische Aktivität von 2,45 U/mg bei 45 °C, einer Enzymkonzentration von 3 μM und 50 μM FB1 erreicht. Generell wurden mit FB1 als Enzymsubstrat höhere Fluoreszenzsig-nale und dementsprechend höhere Enzymaktivitäten als für FB2 beobachtet. Es wurde ein linearer Zusammenhang der Enzymaktivitäten mit der Substratkonzentration beobachtet. Außerdem wurde ein Anstieg der H2O2-Konzentration mit zunehmender Inkubationszeit (bis zu 60 Minuten) erkannt. Des Weiteren wurde der Einfluss des MBP-Fusionsproteins auf die Enzymaktivität des AnFAO untersucht. Dabei wurde anhand von wesentlich geringeren Aktivitäten für AnFAO allein ein eventueller Einfluss des MBP auf dessen Aktivität festgestellt. Ein elektrochemischer Aufbau wurde zur Entwicklung eines Fumonisin- Sensors genutzt. Dazu wurde nachgewiesen, dass FB1 von rekombinant hergestelltem MBP-AnFAO unter Bildung von NH3 und H2O2 zu weniger toxi-schem FB1, dem FPy1, oxidiert werden kann. An der PB/Kohlenstoff-Elektrode, welche sensitiver gegenüber H2O2 und stabiler als die CoPC/Kohlenstoff Elektrode war, wurde die Reduktion des enzymatisch gebildeten H2O2 gemessen. Die Erstellung einer FB1- Kalibriergerade mit FB1- Lösun-gen verschiedener Konzentrationen zeigte, dass das Enzym auch in immobilisierter Form in der Lage ist unterschiedliche Konzentrationen an FB1 zu desaminieren. Dazu gehört auch der Kon-zentrationsbereich unterhalb des festgelegten Grenzwertes von 2,7 μmol/kg für Fumonisin. Die amperometrischen Kurven hierfür wurden an der PB/Kohlenstoff-Elektrode erfolgreich aufge-nommen. Störungen des H2O2- Redoxstroms durch das Enzym, der Enzymsubstrate und der Ne-benprodukte während der amperometrischen Messung wurden ausgeschlossen. Sowohl im opti-schen als auch im amperometrischen Assay wurde ausschließlich das enzymatisch gebildete H2O2 bestimmt.