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Nanoparticles (NPs) are tiny – around 1 to 100 billionths of a meter – and can have different chemistries and behaviours than the same material of larger size. This property has led to advances in a wide range of industries, but it can also confer toxicity. Size measurements are the main way NPs are identified but a lack of standardised methods for identifying ones with complex shapes has hindered evaluation of their potential harm.
Bio-electrochemical CO2 conversion into organic products using precious-metal free electrocatalysts
(2024)
For the realization of a sustainable economy, it is of great importance to make use of CO2 for the production of multi-carbon organic chemicals used as feedstock in the chemical industry as well as carbon-neutral fuels (Varela et al. 2019). A promising approach is the electrochemical CO2 reduction followed by microbial conversion of the reduced products.
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.
Homochirality is an obvious feature of life on Earth. On the other hand, extraterrestrial samples contain largely racemic compounds. The same is true for any common organic synthesis. Therefore, it has been a perplexing puzzle for decades how these racemates could have formed enantiomerically enriched fractions as a basis for the origin of homochiral life forms. Numerous hypotheses have been put forward as to how preferentially homochiral molecules could have formed and accumulated on Earth. In this article, it is shown that homochirality of the abiotic organic pool at the time of formation of the first self-replicating molecules is not necessary and not even probable. It is proposed to abandon the notion of a molecular ensemble and to focus on the level of individual molecules. Although the formation of the first self-replicating, most likely homochiral molecule is a seemingly improbable event, on a closer look, it is almost inevitable that homochiral molecules have formed simply on a statistical basis. In this case, the non-selective leap to homochirality would be one of the first steps in chemical evolution directly out of a racemic “ocean”. Moreover, most studies focus on the chirality of the primordial monomers with respect to an asymmetric carbon atom. However, any polymer with a minimal size that allows folding to a secondary structure, would spontaneously lead to asymmetric higher structures (conformations). Most of the functions of these polymers would be influenced by this inherently asymmetric folding. To summarize, simple and universal mechanisms may have led to homochiral self-replicating systems in the context of chemical evolution. A homochiral monomer pool is deemed unnecessary and probably never existed on primordial Earth.
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.
Continuing progress in the field of X-ray scattering methods empowers scientists with new possibilities to capture the most important piece of information about the structure of the sample - its 3D electron density.
Although the first methods appeared almost a century ago, recovering the density structure of a sample is still very problematic. Most avail-able imaging techniques transform a 3D electron density of a realspace structure into the 2D Fourier Transform of the intensity of scattered waves in the reciprocal space. This process causes a loss of information.
Firstly, instead of a 3D sample, a 2D image is created, and secondly, the phase information of the scattered waves is lost. The latter is known as the ”phase problem” and poses a serious obstacle on a way to recover a 3D electron density. In this work, we draw attention to the problem of forward and inverse Small Angle X-Ray Scattering. In the first, forward, part, we rethink the existing pipelines to computationally simulate such scattering experiments. Although there are efficient implementations of fast Fourier transformation, they often have some drawbacks. For instance, to calculate a 3D fast Fourier transform it is required to place its density in the RAM. For high-resolution structures of size > 1024 3 , this becomes very problematic, as the whole density structure requires more than 16 GB of memory.
CUDA solution allows for a very fast and parallelizable implementation of high-resolution data on hundreds of last-generation machines.
Such computations are very pricy and inaccessible for most scientists.
To bypass this limitation, we propose a solution for a split-up 3D fast Fourier transform, which is implemented as a sequence of 2D and 1D operations. We compare our implementation on the simulated 3D shapes and show the result of a proof-of-concept on 4096 3 Metallorganic framework density structure. In the second, inverse problem, we train an invertible neural network, that given scattering data can predict the shape and its parameters. The architecture is built such, that the inverse problem is learned together with the forward process - the Fourier Transformation. We achieved very good results with this architecture, nonetheless, further testing is required, as the current training set only encompasses three simple shapes: sphere, hard sphere and cylinder.
All code to reproduce and analyze the results is available at https: //github.com/sofyalaski/SAXS-simulations.
DICONDE (Digital Imaging and Communication in Non-Destructive Testing) is an open international standard for storing and exchanging industrial test data and process-related information. The DICONDE standard defines both the semantics for structured storage of data and the network-based communication between two endpoints. This allows many test processes to be mapped digitally and securely, while at the same time meeting normative requirements such as traceability to the tester and test object and reproducibility of test results.
DICONDE in der ZfP
(2023)
DICONDE (Digital Imaging and Communication in Non-Destructive Evaluation) ist ein offener internationaler Standard zur Speicherung und zum Austausch industrieller Prüfdaten und prozessbezogener Informationen. Der DICONDE-Standard definiert sowohl die Semantik für eine strukturierte Speicherung von Daten als auch die netzwerkbasierte Kommunikation zwischen zwei Endpunkten. Damit lassen sich viele Vorgänge von Prüfprozessen digital und sicher abbilden und gleichzeitig normative Anforderungen wie eine Rückführbarkeit zum Prüfer und Prüfobjekt sowie eine Reproduzierbarkeit von Prüfergebnissen erfüllen.
We demonstrate the determination of anharmonic acoustic phonon properties via second-order Raman scattering exemplarily on copper iodide single crystals. The origin of multi-phonon features from the second-order Raman spectra was assigned by the support of the calculated 2-phonon density of states. In this way, the temperature dependence of acoustic phonons was determined down to 10\,K. To determine independently the harmonic contributions of respective acoustic phonons, density functional theory (DFT) in quasi-harmonic approximation was used. Finally, the anharmonic contributions were determined. The results are in agreement with earlier publications and extend CuI's determined acoustic phonon properties to lower temperatures with higher accuracy. This approach demonstrates that it is possible to characterize the acoustic anharmonicities via Raman scattering down to zero-temperature renormalization constants of at least 0.1cm−1.