Analytische Chemie
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Organisationseinheit der BAM
Ausgehend von dem in der Literatur beschriebenen Verfahren zur Bestimmung aromatischer Aminosäuren konnte eine Analysemethode zur Proteinbestimmung über die optische Detektion von Tyrosin und Phenylalanin nach chromatographischer Trennung der Protein-Hydrolysate entwickelt werden, die gegenüber dem Verfahren aus der Literatur erhebliche Vorteile besitzt. Der Einsatz von Rundbodenvials stellt eine Neuerung und kostengünstige Alternative zu der konventionellen Hydrolyse in Vakuumhydrolyseröhrchen wie auch zu den Mikrowellenvials der Mikrowellenhydrolyse dar, die das Potential für Miniaturisierungen der Proben hat und sich zudem für große Probendurchsätze eignet. Anstelle der Mikrowellenheizungen wurde ein konventionelles Ölbad als Heizquelle verwendet. Somit ergibt sich eine Verbesserung auch darin, dass diese Methode geringere Geräteinvestitionen erfordert. Wie die Ergebnisse nahelegen, sind sowohl Salzsäure als auch Bromwasserstoffsäure geeignete Reagenzien, die bei der sauren Hydrolyse von Proteinen verwendet werden können. Mit Hilfe antioxidativer Zusätze können Nebenreaktionen erfolgreich vermieden werden. Hier haben sich L-Cystein und Oxalsäure als wirkungsvolle Additive herausgestellt. Wichtige Verbesserungen betreffen vor allem die Zeitersparnis bei der Hydrolyse, die Aufarbeitung der Hydrolysate und die chromatographischen Separationen. Erstere konnte gegenüber der konventionellen Methode von 22 Stunden auf 45 Minuten reduziert werden. Die chromatographische Trennung wurde so weit optimiert, dass die Laufzeit von 64 auf 35 Minuten verkürzt werden konnte. Zudem konnte auf das zeitraubende und kontaminationsanfällige Eindampfen der Hydrolysate verzichtet werden. Während der Aufarbeitung der Hydrolysate konnten die Menge eingesetzter Chemikalien reduziert und damit mögliche Störungen während der optischen Detektion verringert werden. Letztere wurde zum einen durch das Einbeziehen der UV-Absorption bei 260 nm erweitert, sodass eine Alternative zur Absorption bei 215 nm vorliegt, die ebenere Basislinien im Chromatogramm ermöglicht. Zum anderen wurde gezeigt, dass mit Hilfe der Fluoreszenz die Empfindlichkeit der Methode gegenüber der UV-Absorption erheblich verbessert werden kann. Anhand der Probe eines Birkenpollenextraktes ließ sich die Anwendbarkeit der optimierten Methode auf Realproben demonstrieren.
Pentaerythrityltetranitrat (PETN), ein in jüngster Vergangenheit häufig von Terroristen verwendeter Sprengstoff, ist äußerst schwer zu detektieren. Ein verbesserter Antikörper gegen PETN wurde durch Anwendung des Konzepts des bioisosteren Ersatzes entwickelt,indem ein Nitroester durch einen Carbonsäurediester ersetzt wurde. Biostere Moleküle haben eine ähnliche Struktur wie die Referenzsubstanz und zeigen eine vergleichbare biologische Wirkung. Dieser Ansatz führte zu polyklonalen Antikörpern mit extrem guter Selektivität und Sensitivität. Die Nachweisgrenze des Enzyme-Linked Immunosorbent Assays (ELISAs) beträgt 0,15 μg/L. Der Messbereich des Immunassays liegt zwischen 1 und 1000 μg/L. Die Antikörper sind sowohl hinreichend pH-stabil als auch robust gegen Lösungsmittelzusätze. Das Antiserum könnte auch für Schnelltests, Biosensoren, Mikro-Arrays und andere analytische Methoden verwendet werden.
Für die Umweltanalytik von Trinitrotoluol (TNT) wurde eine Hochdruckflüssigkeitschromatographie (HPLC)-kompatible Affinitätssäule hergestellt. Druckbeständiges, poröses Glas hat sich als ein hervorragendes Trägermaterial herauskristallisiert. Um selektive anti-TNT-Antikörper für die Herstellung der Affinitätssäule aus den beiden verwendeten TNT-Seren zu isolieren, wurde eine Trennung an einer Dinitrophenyl-Affinitätssäule durchgeführt. Zur Optimierung der Immobilisierungsmethode wurden orangefarbene Dabsyl -Proteine synthetisiert und auf der Oberfläche gebunden. Die Färbung wurde als Indikator für die Immobilisierungsdichte verwendet. Wegen der hohen Affinitätskonstanten der polyklonalen anti-TNT-Antikörper der beiden Seren (5,1 bzw. 2,3∙109 L/mol) lässt sich TNT durch eine typische saure Elution der TNT-Affinitätssäule nur schwer eluieren. Aus diesem Grund wurde eine neuartige Elutionsmethode entwickelt, die irreversible, denaturierende, thermische Online -Elution.
Diese eröffnet ein weites Anwendungsfeld, da so Affinitäten, die klass ischerweise aufgrund zu hoher Bindungskonstanten zwischen Ligand und Rezeptor nicht für die Affinitätschromatographie genutzt werden können, für die Analytik besser handhabbar werden. Die maximale Kapazität einer im Rahmen dieser Arbeit hergestellten Affinitätssäule (64,8 μL) betrug 650 ng TNT bzw. 10 μg/mL Säulenvolumen.
Um die Immobilisierungsdichte der produzierten Affinitätssäulen zu bestimmen, wurde ein neues Verfahren entwickelt, da die üblichen spektroskopischen Proteinbestimmungsmethoden aufgrund der hohen unspezifischen Wechselwirkung mit dem Trägermaterial zur Proteinbestimmung nicht geeignet waren. Zur Quantifizierung von Proteinen oder Peptiden,die auf festen Trägern immobilisiert sind, wurde auf Grundlage einer HPLC-Trennung der aromatischen Aminosäuren Tyrosin (Tyr) und Phenylalanin (Phe) ohne vorherige Derivatisierung eine gegenüber der klassischen Aminosäureanalytik vereinfachte HPLC/UV-Methode entwickelt. Die Hydrolyse der Proteine und Peptide wurde durch Einsatz von Mikrowellentechnik beschleunigt, sodass nur 30 Minuten statt ca. 22 Stunden für das Standardprotokoll benötigt wurden, bei dem ein Hydrolyseröhrchen verwendet wird. Zur internen Kalibrierung wurden zwei Standardverbindungen, Homotyrosin (HTyr) und 4-Fluorphenylalanin (FPhe) verwendet. Die Nachweisgrenze (limit of detection, LOD) bei 215 nm ist sowohl für Tyr als auch für Phe 0,05 μM (~ 10 μg/L). Dieses neue Verfahren, das als Aromatische Aminosäureanalyse (Aromatic Amino Acid Analysis, AAAA) bezeichnet werden kann, wurde zur Proteinbestimmung von homogenen Proben mit Rinderserumalbumin (BSA) des Nationalen Instituts für Standards und Technologie der USA (NIST) validiert, wobei die Nachweisgrenze für Proteine mit 16 mg/L (~ 300 ng BSA) mit gängigen spektroskopischen Verfahren vergleichbar ist. Es liefert incl. der Hydrolysestufe eine verbesserte Genauigkeit mit einer relativen Standardabweichung von ca. 5%.
Fast and accurate determination of the protein content of a sample is an important and non-trivial task of many biochemical, biomedical, food chemical, pharmaceutical, and environmental research activities. Different methods of total protein determination are used for a wide range of proteins with highly variable properties in complex matrices. These methods usually work reasonably well for proteins under controlled conditions, but the results for non-standard and complex samples are often questionable. Here, we compare new and well-established methods, including traditional amino acid analysis (AAA), aromatic amino acid analysis (AAAA) based on the amino acids phenylalanine and tyrosine, reversed-phase liquid chromatography of intact proteins with UV absorbance measurements at 220 and 280 nm (LC-220, LC-280), and colorimetric assays like Coomassie Blue G-250 dye-binding assay (Bradford) and bicinchoninic acid (BCA) assay. We investigated different samples, including proteins with challenging properties, chemical modifications, mixtures, and complex matrices like air particulate matter and pollen extracts. All methods yielded accurate and precise results for the protein and matrix used for calibration. AAA, AAAA with fluorescence detection, and the LC-220 method yielded robust results even under more challenging conditions (variable analytes and matrices). These methods turned out to be well-suited for reliable determination of the protein content in a wide range of samples, such as air particulate matter and pollen.
Quantitative 1H Nuclear Magnetic Resonance (qNMR) of Aromatic Amino Acids for Protein Quantification
(2023)
Hydrolysis of protein samples into amino acids facilitates the use of NMR spectroscopy for protein and peptide quantification. Different conditions have been tested for quantifying aromatic amino acids and proteins. The pH-dependent signal shifts in the aromatic region of amino acid samples were examined. A pH of 12 was found to minimize signal overlap of the four aromatic amino acids. Several aromatic compounds, such as terephthalic acid, sulfoisophthalic acid, and benzene tricarboxylic acid, were applied as internal standards. The quantification of amino acids from an amino acid standard was performed. Using the first two suggested internal standards, recovery was ~97% for histidine, phenylalanine, and tyrosine at a concentration of approximately 1 mM in solution. Acidic hydrolysis of a certified reference material (CRM) of bovine serum albumin (BSA) and subsequent quantification of Phe and Tyr yielded recoveries of 98% ± 2% and 88% ± 4%, respectively, at a protein concentration of 16 g/L or 250 µM.