Chemie und Prozesstechnik
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Vergleichende Darstellung SARS-CoV-2-spezifischer Nanobodys aus unterschiedlichen Wirtsorganismen
(2021)
Aufgrund der anhaltenden COVID-19-Pandemie werden neutralisierende Therapeutika benötigt. Eine Möglichkeit zur Behandlung stellt die Verwendung monoklonaler Anti-SARS-CoV-2-Immun-globuline dar. Ihre Produktion in Säugetierzellen ist jedoch schwer skalierbar, um den weltweiten Bedarf zu decken. VHH-Antikörper, auch Nanobodys genannt, bieten hierfür eine Alternative, da sie eine hohe Temperaturstabilität aufweisen und eine kostengünstige Produktion in prokaryotischen Wirtsorganismen ermöglichen.
Zellen, als Grundeinheit für Organismen, bilden einen wesentlichen Eckpfeiler für das Leben. Die Untersuchung von einzelnen Zellen liefert wertvolle Einblicke in fundamentale Prozesse des Lebens. So können Anomalien auf der Zelleebene Indikatoren für Krankheiten sein und durch eine Analyse früh erkannt werden. Weiterhin kann durch ein tiefgreifendes Verständnis von Vorgängen in Zellen auch gezielt Forschung zu z.B. neuen Medikamenten betrieben werden. Damit können die Wirksamkeit erhöht und die Nebenwirkungen reduziert werden.
In 2019 over 30 000 people were killed or injured by explosions caused by explosives like TNT, PETN, HMX and RDX. Therefore, highly sensitive assays for the detection of TNT are needed. In this study we compared two commercially available TNT antibodies: A1.1.1 and EW75C with a highly optimized indirect competitive ELISA based on a BSA-TNA conjugate. As a result, a precision profile for both antibodies was determined with a LOD of 170 pmol L-1 for the clone A1.1.1 and a LOD of 3,2 nmol L-1 for the clone EW75C. The measurements showed that the clone A1.1.1 is a highly sensitive antibody for the detection of TNT while the clone EW75C does show medium performance at most.
In the cross-reactivity characterization of both antibodies many substances, closely related to the structure of TNT were tested. Both antibodies showed strong cross reactivity with trinitroaniline and trinitrobenzene. For the clone A1.1.1, which is known to originate from immunization of mice with an TNP-glycine-KLH conjugate, this has to be expected. Interestingly the clone EW75C, which was not characterized yet, showed similar behavior. This suggests a TNA-conjugate as immunogen for the EW75C antibody as well. None of both antibodies showed cross-reactions to the high explosives PETN, HMX and RDX. Also, the cross-reactions of nitro musks with the antibodies were investigated. Despite their prohibition, nitro musks are still used in Asia especially and are particularly popular in India. The overall superior clone A1.1.1 showed a significant cross-reactivity to musk ambrette. For practical reasons the influence of musk ambrette on this assay when used in natural environment should be investigated.
In further experiments, the highly sensitive TNT antibody A1.1.1 was digested with papain to obtain monovalent Fab-fragments. Due to its high stability against the digestion, a custom protocol for the IgG1 subclass of mice, to which the clone A1.1.1 belongs, was developed, resulting in a quantitative digestion of the intact antibody to Fab fragments. The success of the digestion was determined with MALDI-TOF-MS and SDS-PAGE. It was shown that this protocol worked for many different antibodies of IgG1 subclass as well.
In the last years, the Process Analytical Technology (PAT) research field has become of great importance due to its connection with the industrial world. This industry related research, along with the evolutionary progress that technology has seen lately, has allowed that key analytical techniques in an industrial environment have undergone a radical development. One of these techniques has been the near-infrared spectroscopy (NIRS). This technique, currently common in "online" industrial analysis, has seen a remarkable revolution, especially since the introduction of the microelectromechanical systems technology (MEMS) in the spectroscopy field. Nowadays it is possible to find compact spectrometers no bigger than a wristwatch in the market. Although there is an unavoidable question: can these compact spectrometers actually compete against the traditional spectrometers?
In this project different calibration parameters of two compact NIR spectrometers ("Spectral Engines Oy NIR-One Sensor NM2.0", with 1550 to 1950 nm range; and "NeoSpectra Si-ware", with 1300 to 2550 nm range) were evaluated, and the obtained results were compared with a reference spectrometer ("Bruker Optik GmbH Matrix-F", with 15000 to 4000 cm–1 range). In order to obtain the different calibration parameters, a sequence of quality performance tests were conducted. The results obtained after the different experiments carried out with both compact spectrometers prove that their performance is more than acceptable for routine analysis.
Afterward, model samples of different microplastics in soil at different known concentration were analyzed with all three spectrometers. Chemometric models capable to identify and classify microplastics in soil were established. For this analysis five of the most used plastics worldwide were used: polyethylene (PE), polyethylene terephthalate (PET), polypropylene (PP), polystyrene (PS), and polyvinyl chloride (PVC). After the Principal component analysis (PCA), it can be seen that only the NIR-One NM2.0 is capable to differentiate all types of microplastics in soil at concentrations of 1–2 %, while the NeoSpectra Si-ware is unable to identify the PET sample.
Im Vergleich zu anderen Proteinen ist die Identifizierung von Antikörpern anhand ihrer Sequenz zum Beispiel mittels "peptide mass fingerprinting" schwierig. Da die Sequenzinformation eines Antikörpers aufgrund der hypersomatischen Mutation während der Affinitätsreifung nicht im Genom eines Organismus gespeichert ist, kann die Aminosäuresequenz nicht auf einfachem Weg der DNA-Sequenzierung gewonnen werden. Das ist nur in seltenen Fällen möglich, wenn dem Endanwender der Zellklon der Antikörper-produzierenden Zelle zugänglich ist. Eine Sequenzierung auf Protein-Ebene ist sehr aufwändig und teuer und wird daher fast nie für die Charakterisierung von analytischen Antikörpern verwendet. Der Mangel an Validierung dieser analytischen Antikörper, die bei Experimenten verwendeten werden, löst aber eine Reihe Probleme aus, die die Wiederholbarkeit dieser Experimente schwierig und in einigen Fällen unmöglich macht. Das sorgt jährlich für verschwendete Forschungsgelder in Milliardenhöhe und hindert den wissenschaftlichen Fortschritt.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer einfachen und schnellen Methode, die es trotzdem ermöglicht, die Identifikation von Antikörpern sicherzustellen. Dazu wurde eine Methode basierend auf dem "peptide mass fingerprinting" gewählt. Das Problem der unbekannten Aminosäuresequenz der Antikörper wurde gelöst, indem lediglich die Peptidmuster der entstehenden Fingerprint-Spektren zur Identifikation herangezogen wurden. MALDI wurde dabei als Ionisationsmethode für die Massenspektrometrie gewählt, da die resultierenden Spektren im Gegensatz zu ESI-MS einfach auszuwerten sind. Auch kann auf eine vorige Trennung der Peptide mittels LC verzichtet werden, was zusätzlich Analysenzeit spart. Für die Proteinspaltung wurde eine simple saure Hydrolyse mittels Ameisensäure gewählt. Im Vergleich zum herkömmlichen Trypsin-Verdau konnten auf zeitraubende Arbeitsschritte wie Denaturierung, Reduktion und Alkylierung der Antikörper verzichtet werden. Die Hydrolyse mittels Ameisensäure wurde bisher nur auf kleine und mittelgroße Proteine angewendet, sodass im ersten Teil dieser Arbeit mehrere Schritte optimiert wurden bevor zufriedenstellende Fingerprint-Spektren von Antikörpern erhalten wurden.
In dieser Arbeit wurden drei verschiedene Nanomaterialien auf ihre Bindungsfähigkeit zu Proteinen untersucht. Zu Beginn standen dabei die Herstellung stabiler Dispersionen der einzelnen Nanopartikel und die Stabilität der gebildeten Konjugate im Vordergrund. Der Nachweis einer erfolgreichen Konjugatbildung, sprich der Beschichtung von Nanopartikel mit Proteinen, wurde sowohl qualitativ mittels DLS-Messungen als auch über quantitative Protein-Bestimmungen erbracht. Für die Quantifizierung konnten verschiedene Methoden eingesetzt werden. Neben der klassischen Vorgehensweise, welche indirekt über die Quantifizierung von ungebundenem Protein im Überstand erfolgt, konnten ihm Rahmen dieser Arbeit verschiedene direkte Bestimmungsmethoden entwickelt werden. So wurden mittels kolorimetrischer Tests, wie dem BCA-Assay und dem Bradford-Assay, Nanodiamantdispersionen mit Hilfe einer Korrekturwellenlänge vermessen und quantifiziert. Ebenso zum Einsatz kam die Methode der Aminosäureanalytik, welche aufgrund ihrer guten Rückführbarkeit auf Aminosäurestandards Ergebnisse mit hoher Richtigkeit generieren kann und ebenso die Detektion kleiner Proteinmengen möglich macht.
Nach den erfolgten quantitativen Betrachtungen wurden die Protein-beschichteten Nanopartikel auf ihre Anwendbarkeit als Analoga von Virus-like Particles (VLP) bei einer Immunisierung zur Gewinnung von polyklonalen Antikörpern gegen humanes Ceruloplasmin in Kaninchen überprüft. Es konnte mittels ELISA gezeigt werden, dass die Konjugate erfolgreich für die Herstellung von Antikörpern eingesetzt werden können und im zeitlichen Verlauf einer Immunisierung eine Steigerung des Antikörper-Titers zu erreichen ist.
Roadmap for the purity determination of pure metallic elements – Basic rinciples and helpful advice
(2018)
High purity materials can serve as a realisation of the Système International d’Unitès (SI) unit amount of substance for the specific element. Solutions prepared from such high purity materials using gravimetric preparation and the concept of molar mass are used as calibration solutions in many fields of analytical chemistry. Calibration solutions prepared this way provide the traceability to the SI and are the metrological basis in elemental analysis.
The preparation and characterization of such primary pure substances, representing the realisation of the SI unit amount of substance, is undertaken only by a small number of National Metrology Institutes (NMI) and Designated Institutes (DI).
Many other NMIs and DIs, however, prepare elemental calibration solutions as calibrants for their measurement services, such as the certification of matrix Reference Materials or the provision of reference values for Proficiency Testing schemes. The elemental calibration solutions used for this purpose are not a direct service to customers, such as preparing secondary calibration solutions, but provide the source of traceability for the other services. Hence, it is necessary for the NMI or DI to obtain data on the purity of the pure metals or other materials used to prepare the solutions with measurement uncertainties meeting the needs of the above described services. This is commonly undertaken as a “fit for purpose” assessment, appropriate for the uncertainty requirement of the service provided to customers.
As a consequence, total purity measurements are a long-term strategy of CCQM-IAWG. Several studies were conducted (CCQM-P107, CCQM-K72 and CCQM-P149) on the measurement of the purity of zinc. From these studies, several conclusions can be drawn for the purity assessment of a pure (metallic) element. These conclusions will be put together in this document in order to assist all NMIs/DIs in performing a purity assessment, whenever needed.
Spec2Seq
(2018)