1.8 Umweltanalytik
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Therapeutic monoclonal antibodies are the fastest-growing group of biological agents which generated a yearly turnover of USD 210 billion in 2022 and whose sales are expected to grow by 10% annually over the next 10 years. With steadily increasing market importance, analytical methods for reliable quantification of therapeutic antibodies also become more and more relevant. Liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry (LC–MS/MS) has become the main technology for antibody quantification. This approach, however, requires enzymatic digestion of the intact protein into peptides, for which a wide range of different protocols exists that often lead to different results depending on the digestion procedure or trypsin variants used. In particular, the amount and type of detergents added for protein unfolding prior to digestion is known to create significant bias in measurement results. The overall goal of the presented project is the application of novel thermostable and surface-functionalized trypsin particles for improved antibody digestion. Specifically, a trypsin-variant described in the literature exhibiting increased activity and thermal stability above 80°C, will be examined. The application of this enzyme should allow to perform digestion at elevated temperatures where the protein is naturally unfolding thereby increasing enzyme accessibility without the need for detergents. Furthermore, we will immobilize the thermostable trypsin onto the surface to further enhance enzyme stability, prevent self-digestion, and enable separation of trypsin from target peptides before LC–MS/MS analysis. As an immobilization platform, cheap and non-porous corundum particles will be used as these show high chemical stability and low levels of interaction of matrix proteins with the functionalized surface. adsorption. In a multidisciplinary collaboration with the SALSA Photonics Lab, we will investigate the characteristics of covalent enzyme binding and unspecific peptide binding using an interface-sensitive analytical tool, vibrational sum-frequency generation (VSFG) spectroscopy. The insights gained will not only lead to new competencies in peptide and enzyme surface analysis using VSFG spectroscopy in SALSA but will also significantly contribute to optimizing antibody quantification.
Antikörper sind in der medizinischen Welt nicht mehr wegzudenken. Ihr Einsatz-Repertoire als Therapeutika für die Behandlung diverser Krankheiten und Infektionen weitet sich von Jahr zu Jahr mehr aus. Dabei basiert ein Großteil der verwendeten Antikörper zu diesem Zeitpunkt auf monoklonalen Antikörpern auf Basis von Hybridomazellen. Doch hier könnten rekombinante Antikörper aufgrund ihrer Vektor-basierten Expression eine vielversprechende und womöglich sogar revolutionierende Alternative bieten. So ergeben sich neue Optimierungsoptionen für Merkmale wie Affinität, Stabilität und Kompatibilität über Anpassungen auf genetischer oder posttranslationaler Ebene. Allerdings ergibt sich kein Anwendungszweck ohne die vorhergehende detaillierte Charakterisierung der Antikörper. Denn nur mit spezifischem Wissen über die diversen Eigenschaften und Wechselwirkungen kann eine effektive und präzise Verwendung in der Diagnostik und Therapeutik gewährleistet werden und auf diese Weise Leben retten.
Aus diesem Grund beschäftigt sich diese Masterarbeit mit der Vertiefung der rekombinanten Antikörper-Thematik. Dazu soll ein Anti-Tetanus-Antikörper erstmals rekombinant in verschiedenen Zelllinien hergestellt und anschließend über umfangreiche analytische Verfahren mit einem Fokus auf die Einflussanalyse der unterschiedlichen posttranslationalen Glykosylierungen charakterisiert werden. Zu diesem Zweck wurden als Grundlage einerseits zwei P1316-Dual-Expressions-Vektoren mit variierenden Insert-Positionen der schweren und leichten Kette durch Gibson-Assembly sowie individuellen pRK5-Plasmide für eine separiert Expression der Antikkörperketten mithilfe Restriktionsfragment-Ligation generiert. In einer Gegenüberstellung der der Expressionsausbeuten stellte sich die Überlegenheit der P1316-Plasmid-Konfiguration heraus, in der das Leichtketten-Insert an der ersten Expressionsstelle positioniert ist. Deshalb wurde dieser Vektor als Ausgangspunkt für die anschließende hochskalierten Herstellung des Anti-Tetanus-Antikörpers in Expi293F-GnTI- und ExpiCHO-S-Zellen verwendet. Ein ELISA bestätigte die Bindungsaktivität der rekombinanten Antikörper am Tetanus-Toxoid unabhängig vom Expressionssystem. Nach einer folgenden Optimierung der für die Aufreinigung verwendeten Protein-A-Affinitätschromatographie, wurde über weitere Charakterisierungsmethoden wie Größenausschlusschromatographie und dynamische Lichtstreuung eine vergleichbare Aggregation aufgrund der sauren Elution aufgezeigt. In diesem Kontext wurde die Notwendigkeit einer Zweistufen-Präparation mit Affinitäts- und Größenausschlusschromatografie für den Erhalt monodisperser Proben verdeutlicht. Zudem wurden die verschiedenen intakten Massen mitsamt ihrer spezifischen Glykan-abhängigen Streumaßen in Relation zum monoklonalen NISTmAB-Referenzantikörper bestimmt. Dabei konnte den Erwartungen nach sowohl die geringere Masse als auch die uniformere Glykosylierung der in Expi293 GnTI- exprimierten Immunoglobuline in Relation zum ExpiCHO-S-Antikörper nachgewiesen werden. Anschließend wurde das Stabilitätsverhalten mittels thermischer Entfaltung und dynamischer Lichtstreuung über einen ausgeweiteten Zeitraum sowie verschiedenen Temperaturen dokumentiert. Grundlegend wurde eine höhere thermische Stabilität der zweiten konstanten Schwerketten-Domäne des aus ExpiCHO-S-Zellen stammenden Antikörpers nachgewiesen. Außerdem konnte eine problemlose Lagerungsfähigkeit beider unterschiedlich glykosylierter Antikörper bei Raumtemperatur für mindestens 4 Wochen festgestellt werden. Des Weiteren wurde die Langzeitlagerung im Rahmen der Auswirkung von Gefrier-Auftau-Zyklen mit gleichbleibenden Methoden sowie zusätzlicher Größenausschlusschromatographie erprobt. Hierbei stellte sich der Erhalt der strukturellen Integrität nach bis zu 15 Zyklen heraus. Allerdings geht die Monodispersität bereits nach wenigen Zyklen verloren, wobei die geringfügiger glykosylierten Expi293F-GnTI-Anti-Tetanus-Antikörper eine stärkere Beeinträchtigung durch multiple Gefrier-Auftau-Zyklen aufwiesen.
Metabolomics
(2024)
The plant secondary metabolite families of coumarin and 4-hydroxy coumarin have a broad pharmacological spectrum ranging from antibacterial to anticancer properties. One prominent member of this substance class is the synthetic but naturally inspired anticoagulant drug and rodenticide warfarin (coumadin). A vast number of publications focus on the identification of warfarin and its major cytochrome P450-mediated phase I metabolites by liquid chromatography (LC) with mass spectrometry (MS) and tandem mass spectrometric (MS/MS) detection techniques. For the first time, electron ionization (EI) induced high-resolution quadrupole time-of-flight mass spectrometric (HR-qToF-MS) data of in-liner derivatized warfarin and selected hydroxylated species is provided in this study as an alternative to LC-MS/MS approaches. Furthermore, the characteristic fragments and fragmentation pathways of the analyzed methyl ethers are concluded. The obtained data of analytical standards, specific deuterated and 13C-labeled compounds prove inductive cleavage of the acyl or acetonyl side chain, methyl migration, and H-migration, along with consequential inductive cleavage as predominant fragmentation routes. Based on the HR-spectral data, commonalities and differences between the analyzed compounds and fragment groups were evaluated with future applicability in structure elucidation and spectra prediction of related compounds.
AbstractSince the 1950s, Warfarin has been used globally as both a prescription drug and a rodenticide. Research has shown that warfarin and other rodenticides are present in the environment and food chain. However, emerging contaminants are subject to degradation by biotic and abiotic processes and advanced oxidation processes. In some cases, detecting the parent compound may not be possible due to the formation of structurally changed species. This approach aims to identify hydroxylated transformation products of warfarin in a laboratory setting, even after the parent compound has undergone degradation. Therefore, the Fenton reaction is utilized to insert hydroxylation into the parent compound, warfarin, by hydroxyl and hydroperoxyl radicals generated by Fe2+/Fe3+ redox reaction with hydrogen peroxide. Using multiple reaction monitoring, a GC–MS/MS method, incorporating isotopically labeled reference compounds, is used to quantify the expected derivatized species. The analytes are derivatized using trimethyl-3-trifluoromethyl phenyl ammonium hydroxide, and the derivatization yield of warfarin is determined by using isotopically labeled reference compounds. The method has a linear working range of 30 to 1800 ng/mL, with detection limits ranging from 18.7 to 67.0 ng/mL. The analytes are enriched using a C18-SPE step, and the recovery for each compound is calculated. The Fenton reaction generates all preselected hydroxylated transformation products of warfarin. The method successfully identifies that 4′-Me-O-WAR forms preferentially under the specified experimental conditions. By further optimizing the SPE clean-up procedures, this GC–MS-based method will be suitable for detecting transformation products in more complex matrices, such as environmental water samples. Overall, this study provides a better understanding of warfarin’s degradation and offers a robust analytical tool for investigating its transformation products.
Der Vortrag beschreibt den Stand der Arbeiten an der BAM, Fachbereich Umweltanalytik zur Entwicklung von Sensoren für die Wasseranalytik. Er stellt die bisherigen Arbeiten da, die ausgehend von ELISAs, zunehmend portable Plattformen wie FPIA und LFIA umfassen. Beas-based Formate werden von mikrotiterplatten-basierten Techniken auf mikrofluidische Lab-on-Chip-Systeme übertragen, die bei geeigneter Miniaturisierung und Automatisierung als Sensorsysteme angesehen werden können. Der Vortrag endet mit einem Blick auf ein laufendes Monitoring-Projekt von anthropogenen Markern in Abwasser und charakterisiert die Treiber, die die Entwicklung von Sensoren für die Wasseranalytik in den letzten Jahren vorantreiben.
The poster describes how molecular biology, especially recombinant expression of proteins, in this case, an enzyme, can underpin developments of biosensors. The fumonisin oxidase produced by the fungus Aspergillus niger (AnFAO) is highly selective for the toxic mycotoxin fumonisin. Its structure and sequence has been published before. We took this information and expressed the enzyme in E. coli. The enzyme proved active and could be employed in an amperometric biosensor for the detection of the mycotoxin.
Immunoassays, based on analyte recognition and capture by highly selective antibodies with high affinity, are intensively used in all fields of laboratory diagnostics and in screen-ings of food and environmental samples. Yet, for many purposes, online sensors are desir-able, and, in principle, all immunoassay tech-niques can be integrated into lab-on-chip set-ups that can work as continuous monitoring devices. Yet, the challenge remains to devel-op platforms and elements that are fit for a quick transition of laboratory microplate as-says to immunosensors.
Interaction of L-phenylalanine with Magnetic Metal-Organic Framework: Electrochemical Analysis
(2023)
As the basic units of proteins, the importance of amino acids in organisms is self-evident and therefore detection of the concentration of amino acids is significant in monitoring human health. For example, patients suffering from phenylketonuria should be able to monitor their phenylalanine (PHE) level in a rapid, decentralized, and affordable manner to avoid high levels of PHE in the body which can lead to a profound and irreversible mental disability. Herein, a magnetic and conductive Iron based metal–organic framework (MOF) is prepared using tetrahydroxyquinone and benzene dicarboxylic acid, dual ligands. The uncoordinated carboxyl groups provided the binding sites for PHE. Physicochemical properties of MOF were characterized by XRD, SEM, DLS and FTIR analyses. The effects of different operational parameters: pH (2, 4, 6, 7.2, 8.6, 10, 12), contact time and MOF concentration were optimized for best properties using cyclic voltametric technique. The 10 µl of 1mg/ml MOF (pH 8.6) in deionized water was used as working electrode on screen-printed gold electrode. The presence of new well-defined oxidation and reduction current peak in electrochemical signal of MOF-modified SPGE sensor vs. Ag/AgCl in phosphate buffer solution (pH 1.9) remarks the quantification of PHE. The analytical calibration curve for PHE showed a linear response with concentration in the oxidation and reduction peak current range from 50 to 1000 µM, with a limit of detection (LOD) of 35.16 µM.
Im Vorhaben „MARKERIA - Bestimmung von anthropogenen Markerkonzentrationen für die SARS-CoV-2 Quantifizierung mittels eines Hochdurchsatzverfahrens (ELISA)“ geht es um die Bestimmung von Carbamazepin, Diclofenac, Koffein und einer endogenen Gallensäure als potentielle Marker für die Kalibrierung der SARS-CoV-2 Quantifizierung im Abwasser. Es ist ein Teilvorhaben des übergeordneten Projektes ESI-CorA und wird von der BAM im Auftrag des Umweltbundesamtes durchgeführt. Der Vortrag wurde gehalten im Rahmen der Abschlussveranstaltung des Projektes ESI-CorA. Er gab den Projektstand wieder, den UBA und BAM bis dahin erzielt hatten, das SARS-CoV-2 Virus und die anthropogenen Marker in 20 Kläranlagenzuläufen zu bestimmen und miteinander zu korrelieren.