Analytische Chemie
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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.
Die Pulskompression wird in der Radartechnik eingesetzt, um den Signal-Rausch-Abstand zu erhöhen. Das Ziel ist es die Entdeckungswahrscheinlichkeit eines Nutzsignals bei gleichbleibender Auflösung zu erhöhen. Durch den Einsatz von Barker Codes oder komplementären Golay Codes werden Sendesignale von Luftultraschallanwendungen pulscodiert. Dies ermöglicht in der zerstörungsfreien Prüfung die Inspektion von dickeren Bauteilen, da die Signalenergie durch zeitlich gestreckte Sendesignale bei gleicher Auflösung vergrößert wird.
In dieser Arbeit wird die Pulskompression durch die Einführung von unipolaren Sequenzen zur Pulscodierung für thermoakustische Ultraschallwandler ermöglicht. Der Signal-Rausch-Abstand wird in der Anwendung der Pulscodierung und anschließenden Filterung mit einem signalangepassten Filter in Luftultraschallmessungen mit dem thermoakustischen Wandler und Wandlern aus zellulärem Polypropylen erhöht.
This document constitutes the Strategic Research Agenda (SRA) for the European Metrology Network for Mathematics and Statistics in Metrology (EMN Mathmet). The EMN Mathmet is an alliance of European National Metrology Institutes (NMIs), Designated Institutes (DIs) and an EMN Partner that aims to strengthen research and cooperation in the field. The SRA has been developed within a European project (EMPIR 18NET05 MATHMET) to promote and support the network. The SRA was developed based on a consultation process with stakeholders and the strategies of individual NMIs and DIs, and in alignment with the EURAMET 2030 strategy.
As a key result, the SRA defines a long-term research goal: the EMN Mathmet will coordinate research to strengthen the trust in algorithms, software tools and data to underpin digital transformation. For this purpose, new emerging research topics where algorithms, software tools and data play a significant role were identified: (i) Artificial Intelligence and Machine Learning, and (ii) Computational Modelling and Virtual Metrology. The foundation for the development of these new topics is given by the traditional focus on (iii) Data Analysis and Uncertainty Evaluation. The SRA characterises the future needs and challenges in the field of mathematics and statistics in metrology and provides an outline of how the EMN Mathmet can meet these new emerging requirements.
Harmonized and interoperable national Quality Infrastructure (QI) systems are essential for fostering cooperation, promoting mutual trust, and facilitating trade. The true potential of the QI is realized when its elements and actors are seamlessly integrated into a cohesive digital QI ecosystem. Recent developments towards industrial international data spaces enable such an ecosystem but require the integration of QI principles. Recognizing the lack of such a platform, Quality-X aims at setting the stage for the implementation of a QI ecosystem in international data spaces (IDS), GAIA-X and related German and European projects dedicated to secure data sharing. Quality-X is not about the construction of a platform; it is the creation of an inclusive QI ecosystem with harmonized interfaces. Instead of imposing rigid data structures, it prioritizes interoperability. Through the utilization of Decentralized Identifiers (DIDs), Verifiable Credentials, and Identity Hubs, Quality-X seeks seamless interactions across diverse service provider systems.
This white paper introduces the concept and vision of Quality-X and discusses the general prerequisites for integrating QI processes within data spaces. Further on, we introduce existing testbeds, which will serve as an experimental proving ground for exploring various use cases related to the implementation of the vision of a QI-Digital.
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Harmonisierte und interoperable nationale Qualitätsinfrastrukturen (QI) sind für die Förderung der Zusammenarbeit, des gegenseitigen Vertrauens und der Erleichterung des Handels unerlässlich. Das wahre Potenzial der QI kommt zum Tragen, wenn ihre Elemente und Akteure nahtlos in ein kohärentes digitales QI-Ökosystem integriert werden. Die jüngsten Entwicklungen hin zu industriellen internationalen Datenräumen ermöglichen ein solches Ökosystem, erfordern jedoch die Integration von QI-Prinzipien. Angesichts des Fehlens einer solchen Plattform zielt Quality-X darauf ab, die Voraussetzungen für die Umsetzung eines QI-Ökosystems in internationalen Datenräumen (IDS), GAIA-X und verwandten deutschen und europäischen Projekten zum sicheren Datenaustausch zu schaffen. Bei Quality-X geht es nicht um den Aufbau einer Plattform, sondern um die Schaffung eines umfassenden QI-Ökosystems mit harmonisierten Schnittstellen. Anstatt starre Datenstrukturen aufzuerlegen, steht die Interoperabilität im Vordergrund. Durch die Verwendung von dezentralen Identifikatoren (DIDs), überprüfbaren Berechtigungsnachweisen und Identitäts-Hubs strebt Quality-X eine nahtlose Interaktion zwischen verschiedenen Systemen von Dienstleistern an.
Dieses Whitepaper stellt das Konzept und die Vision von Quality-X vor und erörtert die allgemeinen Voraussetzungen für die Integration von QI-Prozessen in Datenräumen. Darüber hinaus stellen wir bestehende Testbeds vor, die als experimentelles Versuchsfeld für die Erforschung verschiedener Anwendungsfälle im Zusammenhang mit der Umsetzung der Vision einer QI-Digital dienen sollen.
Mykotoxine sind sekundäre Stoffwechselprodukte, die von Schimmelpilzen gebildet werden. Sie sind unvermeidliche Lebensmittelkontaminanten und stellen daher ein ernstes Gesundheitsrisiko für Mensch und Tier dar. Aus diesem Grund hat die Europäische Kommission Vorschriften erlassen, die Höchstwerte für Mykotoxine in bestimmten Lebensmitteln vorsehen. Um die gesetzlichen Grenzwerte einzuhalten, müssen in der Lebensmittelindustrie Mykotoxinanalysen der eingehenden Waren durchgeführt werden.
Gegenwärtig umfasst die Analyse zeitaufwändige Probenvorbereitungsschritte, denen in der Regel eine chromatographische Analyse folgt.
Immunoassays ermöglichen eine Vor-Ort-Analyse, aber in der Regel sind für feste Lebensmittelproben lösungsmittelbasierte Extraktionsschritte erforderlich. Da Immunoassays in der Regel nicht mit den hohen Lösungsmittelkonzentrationen kompatibel sind, die üblicherweise für die Mykotoxinextraktion verwendet werden (z.B. Acetonitril oder Methanol), war es das Ziel dieser Arbeit, ein Extraktionsverfahren für die Mykotoxine Deoxynivalenol und Ochratoxin A aus Weizenmehl und Getreide zu entwickeln, das für Immunoassays und -sensoren verwendet werden kann. Vier verschiedene Lösungsmittel, Methanol (10 %), Ethanol (5 %) und Acetonitril (10 %) sowie Milli-Q-Wasser wurden für die Extraktion des Analyten Deoxynivalenol getestet. Um negative Umweltaspekte zu vermeiden und aufgrund der vergleichbaren Extraktionseffizienz von Milli-Q-Wasser gegenüber den anderen Lösungsmitteln, wurde Milli-Q-Wasser als Extraktionslösung im optimierten Extraktionsprotokoll für Deoxynivalenol verwendet.
Es wurden verschiedene Extraktionsbedingungen, wie die Extraktionszeit, das Lösungsmittel-Feststoff-Verhältnis, der Filtrationsschritt, der Zentrifugationsschritt sowie die Zusammensetzung des Wassers untersucht. Auf der Grundlage der Ergebnisse wurde ein Extraktionsprotokoll festgelegt, mit dem Wiederfindungsraten in einem Bereich von x bis x erzielt wurden. Das Extraktionsprotokoll umfasste die Extraktion von 2 g Weizenmehl mit 40 ml Milli-Q-Wasser für 30 Minuten, die anschließende Zentrifugation bei 3000 U/min für 15 Minuten bei 4 °C und die Filtration des Überstands.
The processes of hydrogen reduction of silicon and germanium chlorides under the conditions of radio-frequency (40.68 MHz) counteracted arc discharge stabilized between two rod electrodes were investigated. The main gas-phase and solid products of plasma-chemical transformations were determined.
Thermodynamic analysis of SiCl4 + H2 and GeCl4 + H2 systems was carried out. It is shown that under the implemented experimental conditions, equilibrium components of the products are established. The detected spectra of chemical activity were studied, which gave reason to assume that the molecular mechanism of the hydrogen reduction process is the main one. The impurity composition of gas-phase and solid reaction products was investigated. The possibility of single-stage production of high-purity Si and Ge mainly in the form of compact ingots, as well as high-purity chlorosilanes and trichlorogermane, was shown.
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.
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.
In den Zeiten der Globalisierung und der beschleunigten technologischen Entwicklungen lassen sich in den Industrieländern nur mit einer entsprechenden Innovationsdynamik und -dichte die Herausforderungen im Hinblick auf Wachstum, Beschäftigung und Strukturwandel erfüllen. Grundvoraussetzung hierfür ist eine leistungsfähige Forschung. Um die Forschungsinfrastruktur in der Bundesrepublik zu erhalten und global wettbewerbsfähig zu bleiben, sind verstärkte Investitionen des Staates und der Wirtschaft notwendig. Mit den Investitionen im Rahmen der Hightech-Strategie hat die Bundesregierung einen wichtigen Schritt zur Förderung des wissenschaftlich-technischen Fortschritts in Deutschland getan. Die Investitionen in die Forschungsinfrastruktur des Landes sind nun von den Forschungseinrichtungen und Universitäten effektiv und effizient zu nutzen.
Für einen möglichst wirksamen Einsatz der Forschungsetats sind Forschungsprogramme sowohl für die Forschungseinrichtung als auch für die Mittelgeber ein wichtiges Instrument im Hinblick auf die Darstellung der Aktivitäten. Dies gilt insbesondere für die Ressortforschungseinrichtungen des Bundes, zu denen die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) zählt. Diese Einrichtungen verfügen über einen klaren Auftrag und ihre Forschung ist mit der Wahrnehmung öffentlicher Aufgaben verbunden. Forschungsprogramme dienen daher besonders in diesen Einrichtungen dazu, Perspektiven im Bereich ihres Aufgabenfeldes sowie ihre Forschungsaktivitäten transparent darzustellen und politisch vertretbar zu machen.
Das vorliegende Forschungsprogramm der BAM gibt einen Überblick über die in den nächsten Jahren aktuellen Forschungsthemen und die hierfür erforderlichen Ressourcen und Rahmenbedingungen.
The outbreak of SARS-CoV-2 in December of 2019, led to a worldwide still on-going pandemic. Since then, several so-called waves of SARS-CoV-2 infections, a time period with a high and fast rising number of new infections, have occurred all over the world. Classic surveillance approaches are hardly applicable, and further, non-detected cases cannot be covered by them. Wastewater-based Epidemiology (WBE) was proven to be a reliable tool for the prediction of new SARS-CoV-2 infection waves, due to the discharge of virus particles in fecal shedding of infectious people. Until now, for the monitoring of SARS-CoV-2 in wastewater, Polymerase Chain Reaction (PCR) is used as analytical tool. Even though PCR is a highly sensitive analytical tool, is presents several disadvantages, such as the need for trained personnel, specific technical equipment, as well as a difficult performance. An analytical tool, to which these disadvantaged do not apply, are immunoassays. In this work, a sandwich Enzyme-Linked Immunosorbent Assay (ELISA), with the immobilization of the capture antibodies on the surface of a Microtiter Plate (MTP), as well as a sandwich Magnetic Bead-Based Assay (MBBA), with immobilization of the capture antibodies on the surface of Magnetic Beads (MBs), targeting the SARS-CoV-2 N-protein, were developed and optimized. Both assay formats were performed with a colorimetric and chemiluminescent detection. The developed assay is composed of the two monoclonal antibodies (mAb) AH2 and DE6 - which was biotinylated in the course of the work - which bind to two different epitops of the antigen N-protein. As tracer, Neutravidin-HRP was used, which binds, through interaction of the Neutravidin with the biotin, to the mAb DE6-Biotin. The assay development and optimization procedure included the investigation of the surface saturation with the mAb AH2, the concentration and dilution of the mAb DE6-Biotin and Neutravidin-HRP, the ideal MBs, the ideal coating as well as dilution buffers, and the colorimetric and chemiluminescent substrates. For the developed and fully optimized colorimetric ELISA, a test midpoint x0 of 388 μg/L, for the chemiluminsecent ELISA of 371 μg/L, for the colorimetric MBBA of 251 μg/L and for the chemiluminescent MBBA of 243 μg/L was obtained. Validation of the colorimetric MBBA was done by measurement of three wastewater samples collected at the Wastewater Treatment Plant (WWTP) Potsdam. Whilst no N-protein could be detected in the samples, by spiking of the wastewater samples with certain concentrations of the N-protein, 10- to 18-times lower concentrations could be back-calculated, which can be attributed to matrix-effects of the wastewater sample. Next to the matrix-effects, also several other reason exist, why no N-protein could be determined in the samples. Because of that, further investigation of the handling, and the measurement of the wastewater samples, as well as the improvement of the assay sensitivity through further optimization steps or exchange of the antibodies, is still necessary.
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.
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.
Die voranschreitende Digitalisierung, die Globalisierung sowie die daraus resultierende beschleunigte technologische Entwicklung bringen heute für die Industrieländer Herausforderungen im Hinblick auf Wachstum, Beschäftigung und Strukturwandel mit sich, denen nur mit einer entsprechenden Innovationsdynamik und -dichte begegnet werden kann. Grundvoraussetzung hierfür ist eine leistungsfähige Forschung und Entwicklung ebenso wie Wissens- und Technologietransfer zur Umsetzung von Forschungsergebnissen in marktfähige Produkte und Dienstleistungen. Europa hat sich im Rahmen des Lissabon-Prozesses zum Ziel gesetzt, den Anteil der Forschungsausgaben am Bruttoinlandsprodukt auf 3 % zu steigern. Um die Forschungsinfrastruktur in der Bundesrepublik zu stärken und global wettbewerbsfähig zu bleiben, hat die Bundesregierung mit der Hightech-Strategie 2025 einen weiteren wichtigen Schritt zur Förderung des wissenschaftlich-technischen Fortschritts in Deutschland getan.
Forschungsprogramme sind sowohl für Forschungseinrichtungen als auch für Mittelgeber ein wichtiges Instrument für die Darstellung und Steuerung ihrer Aktivitäten. Dies gilt auch für die Bundeseinrichtungen mit Forschungs- und Entwicklungsaufgaben, zu denen die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) zählt. Die BAM verfügt über einen klaren gesetzlichen Auftrag für die Sicherheit in Technik und Chemie. Ihre Forschung ist mit der Wahrnehmung öffentlicher Aufgaben verbunden. Das Forschungsprogramm zeigt Perspektiven im Bereich ihres Aufgabenfeldes sowie ihrer damit verbundenen Forschungsaktivitäten transparent und politisch nutzbar auf und dient darüber hinaus der Koordinierung der Ressortforschung. Das Forschungsprogramm der BAM wird alle zwei Jahre aktualisiert. Es gibt einen Überblick über die aktuellen und zukünftigen Forschungsthemen und die hierfür erforderlichen Rahmenbedingungen.
Der Koalitionsvertrag der Bundesregierung betont in seiner Präambel zur Zukunft Deutschlands in Bezug auf die notwendige Modernisierung, dass „dieser Fortschritt auch mit einem Sicherheitsversprechen einhergehen muss“. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) stellt mit ihrem Auftrag „Sicherheit in Technik und Chemie“ und ihrer über 150-jährigen Kompetenz sicher, dass ein nachhaltiger technischer Fortschritt von einem Sicherheitsversprechen für die Bürger*innen begleitet ist.
Durch ihre Interdisziplinarität, die thematische Breite, die langjährige Erfahrung und die unabhängige Rolle als Ressortforschungseinrichtung ist die BAM in einer herausragenden Lage, als zentraler Akteur die Entwicklung unterschiedlichster Technologien unter Berücksichtigung sicherheitstechnischer Aspekte voranzubringen, das Vertrauen der Gesellschaft in diese Technologien sicherzustellen und dadurch die Basis für erfolgreiche Innovationen zu schaffen.
Der Fokus ihrer Arbeit liegt auf den fünf Themenfeldern Energie, Infrastruktur, Umwelt, Material und Analytical Sciences. Wichtige Themen betreffen dabei sowohl die Energiewende (Wasserstoff, elektrische Energiespeicher, Windenergie) als auch Bereiche der Technologiesouveränität wie die additive Fertigung, zuverlässige Materialdaten, Zustandsüberwachung und Kreislaufwirtschaft.
Die Digitalisierung und den digitalen Wandel unterstützt die BAM in Bezug auf technologieübergreifende Rahmenbedingungen besonders in der Initiative Qualitätsinfrastruktur-Digital (QI-Digital), in der gemeinsam mit weiteren zentralen Akteuren der deutschen QI Lösungen für die Qualitätssicherung in einer digitalisierten Welt entwickelt werden.
Grundvoraussetzung für sichere Technologien und Innovationen ist eine leistungsfähige Forschung und Entwicklung ebenso wie Wissens- und Technologietransfer zur Umsetzung von Forschungsergebnissen in marktfähige Produkte und Dienstleistungen. Dafür bildet die Arbeit der BAM eine wichtige Basis.
Ihre Forschung ist mit der Wahrnehmung öffentlicher Aufgaben verbunden. Das Forschungsprogramm zeigt Perspektiven im Bereich ihres Aufgabenfeldes sowie ihrer damit verbundenen Forschungsaktivitäten transparent und politisch nutzbar auf und dient darüber hinaus der Koordinierung der Ressortforschung.
Das Forschungsprogramm der BAM wird alle zwei Jahre aktualisiert. Es gibt einen Überblick über die aktuellen und zukünftigen Forschungsthemen und die hierfür erforderlichen Rahmenbedingungen.
A Round Robin study has been carried out to estimate the impact of the human element in small-angle scattering data analysis. Four corrected datasets were provided to participants ready for analysis. All datasets were measured on samples containing spherical scatterers, with two datasets in dilute dispersions, and two from powders.
Most of the 46 participants correctly identified the number of populations in the dilute dispersions, with half of the population mean entries within 1.5 % and half of the population width entries within 40 %, respectively. Due to the added complexity of the structure factor, much fewer people submitted answers on the powder datasets.
For those that did, half of the entries for the means and widths were within 44 % and 86 % respectively. This Round Robin experiment highlights several causes for the discrepancies, for which solutions are proposed.
Im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz haben DIN und DKE im Januar 2022 die Arbeiten an der zweiten Ausgabe der Deutschen Normungsroadmap Künstliche Intelligenz gestartet. In einem breiten Beteiligungsprozess und unter Mitwirkung von mehr als 570 Fachleuten aus Wirtschaft, Wissenschaft, öffentlicher Hand und Zivilgesellschaft wurde damit der strategische Fahrplan für die KI-Normung weiterentwickelt. Koordiniert und begleitet wurden diese Arbeiten von einer hochrangigen Koordinierungsgruppe für KI-Normung und -Konformität.
Mit der Normungsroadmap wird eine Maßnahme der KI-Strategie der Bundesregierung umgesetzt und damit ein wesentlicher Beitrag zur „KI – Made in Germany“ geleistet.
Die Normung ist Teil der KI-Strategie und ein strategisches Instrument zur Stärkung der Innovations- und Wettbewerbsfähigkeit der deutschen und europäischen Wirtschaft. Nicht zuletzt deshalb spielt sie im geplanten europäischen Rechtsrahmen für KI, dem Artificial Intelligence Act, eine besondere Rolle.
Quantitative 1H Nuclear Magnetic Resonance (qNMR) of Aromatic Amino Acids for Protein Quantification
(2022)
qNMR is a valuable technique for metrological studies due to the uniformity of its signal response for all chemical species of an isotope of interest, which enables compound-independent calibration. However, protein quantification remained challenging as large molecules produce wide, low-intensity signals that reduce the already low sensitivity. Combining qNMR with the hydrolysis of protein samples into amino acids circumvents many of these issues and facilitates the use of NMR spectroscopy for absolute protein and peptide quantification.In this work, different conditions have been tested for quantifying aromatic amino acids and proteins. First, we examined the pH-based signal shifts in the aromatic region. The preferable pH depends on the selection of the amino acids for quantification and which internal standard substance should be used to avoid peak overlap. Several aromatic compounds, such as terephthalic acid, sulfoisophthalic acid, and benzene tricarboxylic acid, have been applied as internal standards. The quantification of amino acids from an amino acid standard, as well as from a certified reference material (bovine serum albumin), 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.
This guideline was drafted following and complementing the norm ISO 22232-2:2020(E) to include air-coupled ultrasonic transducers. This document specifies the characteristics of probes used for non-destructive air-coupled ultrasonic testing with center frequencies above 20 kHz, with focusing or without focusing means.
Efforts are rising in opening up science by making data more transparent and more easily available, including the data reduction and evaluation procedures and code. A strong foundation for this is the F.A.I.R. principle, building on Findability, Accessibility, Interoperability, and Reuse of digital assets, complemented by the letter T for trustworthyness of the data. Here, we have used data, which was made available by the Institute Laue-Langevin and can be identified using a DOI, to follow the F.A.I.R.+T. principle in extracting, evaluating and publishing triple axis data, recorded at IN3.
Im Jahre 2011 wurde in Deutschland nach 50 Jahren der Ausstieg aus der kommerziellen Kernenergie beschlossen. Fünf Jahre später war Deutschland mit 80.000 GWh immer noch unter den zehn größten Atomstromproduzenten. Im darauffolgenden Jahr wurden weltweit 2.500.000 GWh Atomstrom produziert. Durch die Atomstromproduktion fallen große Mengen an radioaktiven Reststoffen an, die bis zu mehrere tausend Jahre für einen vollständigen Abbau benötigen. Aus dieser Problematik geht die Debatte über den Verbleib der Reststoffe hervor. Die Endlagerung in tiefen Gesteinsschichten ist eine Lösung für das Problem. Voraussetzung ist hierbei allerdings die Gewährleistung eines dauerhaften Schutzes vor ionisierender Strahlung, die durch Verschlüsse der tiefen Gesteinsschichten in Form von Verschlussbauwerken erzielt werden sollen. Es gilt die bauliche Integrität sowie die Dichtwirkung der Verschlussbauwerke dauerhaft zu überwachen und zu prüfen, um eine langfristige Verzögerung der Radionuklidfreisetzung zu gewährleisten.
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.
In this thesis a protocol based on a direct competitive and non-competitive immunoassay using the microarray format was developed to screen emulated hybridoma supernatants against the drug carbamazepine (CBZ). As support, epoxy slides were manufactured by coating microscope glass slides with epoxy silanes. The manufactured epoxy slides showed similar capacity for protein immobilization as commercially available NEXTERION slides, but showed a higher autofluorescence background. On the epoxy slides, protein A, Cys-A, G and Cys-G were immobilized as antibody capturing coating. It could be shown that the Cys-tag considerably increased the immobilization of all compared proteins, especially of protein G. Protein Cys-G immobilized at pH 8-9 was considered the most suitable protein for antibody immobilization due to good spot uniformity and a high binding capacity for IgG. Additionally, in immobilization experiments it could be shown, that 10-500 fold excess of bovine IgG, introduced by two different fetal bovine serum (FBS) products, showed no significant competition on the immobilization of mice or goat IgG on protein Cys-G. To examine the captured antibodies for affinity to CBZ, the CBZ-TOTA-DY654 tracer was custom synthesized. It could be demonstrated, that the tracer antibody interaction was competitive with the tracer precursor, CBZ-TOTA-NH2 and CBZ. Furthermore, the synthesized tracer was also successfully used by externals to evaluate CBZ affine hybriodoma cells in flow cytometry. In the simulated screening, five antibodies with known affinity to CBZ were diluted in a cell culture medium. The screening method allowed to differentiate between affine antibodies (IC50 < 20 µg/ml) and unaffine antibodies (IC50 > 20 µg/ml), when concentrations of 0.1 µg/ml IgG or greater have been used. Of five applied antibodies, all highly affine clones (CE2 and B3212M) were reported as positives while no false-positive samples were observed. The screening included competitive, with around 89500 fold excess of CBZ, and non-competitive tracer incubation on different segments of the same chip, which resulted in total signal suppression on the competitive segment. The screening was performed in 20 hours, only a few nanoliters, of each simulated supernatant, were consumed in the screening process, furthermore in the method standard 96 well MTPs were used and no cleanroom facilities were required.
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Methode zur Hochdurchsatzanalyse von partikelgebundenen Split-and-Mix-Peptidbibliotheken. Dabei wurde ein System entwickelt, das Partikelbibliotheken in kurzer Zeit auf ihre Bindung zu einem Zielmolekül hin untersucht und im nächsten Schritt eine direkte „Ein-Partikel“-Sequenzierung der Peptide von der festen Phase ermöglicht. Die Analyse der Bindung eines Zielmoleküls an ein selektiv bindendes Peptid wurde dabei in einem Modellsystem simuliert. Dazu wurde FITC-markiertes Neutravidin 3 mit festphasengebundenen biotinylierten und nicht-biotinylierten Peptiden inkubiert. Die Bindung von Neutravidin-FITC an die biotinylierten Peptide konnte erfolgreich mittels eines Fluoreszenzmikroskops nachgewiesen werden, wobei diese Methode für eine Hochdurchsatzanalyse ungeeignet war. So wurde die Analyse des Fluoreszenzassays auf einen Microarrayscanner übertragen (siehe Abbildung 33). Dies gelang erfolgreich wobei die hohe Eigenfluoreszenz des Tentagel-Harzes zu falsch positiven Ergebnissen führte. Mit einem Wechsel zum längerwelligen Fluoreszenzfarbstoff ATTO-633 konnten falsch positive Ergebnisse vermieden werden. Somit wurde die zeitintensive Fluoreszenzanalyse von einem Fluoreszenzmikroskop erfolgreich auf einen Microarrayscanner übertragen, welcher in kurzer Zeit (ca. 5 min pro Objektträger) eine Vielzahl an peptidbeladenen Partikeln gleichzeitig analysieren kann.
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.
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.
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.
Protein immobilization for the functionalization of particles is used in various applications, including biosensors, lateral-flow immunoassays (LFIA), bead-based assays, and others. Common methods for the quantification of bound protein are measuring protein in the supernatant before and after coating and calculating the difference. This popular approach has the potential for a significant overestimation of the amount of immobilized protein since layers not directly bound to the surface (soft protein corona) are usually lost during washing and handling. Only the layer directly bound to the surface (hard corona) can be used in subsequent assays. A simplified amino acid analysis method based on acidic hydrolysis and RP-HPLC-FLD of tyrosine and phenylalanine (aromatic amino acid analysis, AAAA) is proposed to directly quantify protein bound to the surface of gold nano- and latex microparticles. The results are compared with indirect methods such as colorimetric protein assays, such as Bradford, bicinchoninic acid (BCA), as well as AAAA of the supernatant. For both particle types, these indirect quantification techniques show a protein overestimation of up to 1700% compared to the direct AAAA measurements. In addition, protein coating on latex particles was performed both passively through adsorption and covalently through EDC/sulfo-NHS chemistry. Our results showed no difference between the immobilization methodologies. This finding suggests that usual protein determination methods are no unambiguous proof of a covalent conjugation on particles or beads.
MALDI-TOF-MS-based identification of monoclonal murine anti-SARS-CoV-2 antibodies within one hour
(2022)
During the SARS-CoV-2 pandemic, many virus-binding monoclonal antibodies have been developed for clinical and diagnostic purposes. This underlines the importance of antibodies as universal bioanalytical reagents. However, little attention is given to the reproducibility crisis that scientific studies are still facing to date. In a recent study, not even half of all research antibodies mentioned in publications could be identified at all. This should spark more efforts in the search for practical solutions for the traceability of antibodies. For this purpose, we used thirty-five monoclonal antibodies against SARS-CoV-2 to demonstrate how sequence-independent antibody identification can be achieved by simple means applied onto the protein. First, we examined the intact and light chain masses of the antibodies relative to the reference material NIST-mAb 8671. Already half of the antibodies could be identified based solely on these two parameters. In addition, we developed two complementary peptide mass fingerprinting methods with MALDI-TOF-MS that can be performed in 45 minutes and had a combined sequence coverage of over 80%. One method is based on the partial acidic hydrolysis of the protein by 5 mM of sulfuric acid at 99 °C. Furthermore, we established a fast way for a tryptic digest without an alkylation step. We were able to show that the distinction of clones is possible simply by a brief visual comparison of the mass spectra. In this work, two clones originating from the same immunization gave the same fingerprints. Later, a hybridoma sequencing confirmed the sequence identity of these sister clones. In order to automate the spectral comparison for larger libraries of antibodies, we developed the online software ABID 2.0 (https://gets.shinyapps.io/ABID/). This open-source software determines the number of matching peptides in the fingerprint spectra. We propose that publications and other documents critically relying on monoclonal antibodies with unknown amino acid sequences should include at least one antibody fingerprint. By fingerprinting an antibody in question, its identity can be confirmed by comparison with a library spectrum at any time and context.
In der Masterarbeit wurde ein Screening gegen den CCMV mit einer linearen Peptidbibliothek entwickelt, wobei zwei lineare Binder identifiziert wurden. Das resynthetisierte Peptid wurde auf seine Bindungseigenschaften mittels ELISA und MST untersucht. Aufgrund eines Aminosäurefehlers in der selbst durchgeführten Resynthese des Peptids sind die Ergebnisse nicht vollständig übertragbar. Um eine umsetzbare Cyclusgröße für die Peptidbibliothek zu finden, wurden Ringgrößen mit sechs bis acht Aminosäuren untersucht. Da keiner der gewählten Ringgrößen bevorzugt war, wurde die Ringgröße aus acht Aminosäuren für die Peptidbibliothek gewählt. Der Ringschluss wurde durch die Bildung einer Disulfidbrücke erreicht. Dadurch war die Alkylierung der vorhandenen Thiolgruppe in den Abbruchsequenzen notwendig.
Neben den etablierten Alkylierungsreagenzien Iodessigsäure, Iodacetamid und Acrylamid wurden zwei Epoxide mituntersucht. Hierbei konnte nur bei Acrylamid und Propylenoxid eine vollständige Alkylierung beobachtet werden. Eine synthetische Peptidbibliothek aus zehn Aminosäuren pro Kopplungsschritt und einer Peptidlänge von acht Aminosäuren wurde erfolgreich nach der Split-and-Mix-Synthese hergestellt. Neben den kanonischen Aminosäuren wurde die synthetische Aminosäure 3-(3-Pyridyl)-alanin in die Peptidbibliothek mit eingebaut. Peptidsequenzen aus der cyclische Peptidbibliothek konnte mittels MALDI-TOF-MS identifiziert werden. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass synthetische Aminosäuren mit proteinogenen Aminosäuren erfolgreich übersetzt werden. Anschließend wurde das entwickelte Screening auf eine cyclische Peptidbibliothek übertragen. Dabei konnte kein Binder identifiziert werden, da zu viele Nebenreaktionen auftraten. Ein alternativer Ringschluss über die Seitenketten von Lysin und Cystein wurden mit ortho-Phthaldialdehyd und 2,4,6-Trichloro-1,3,5-triazin (Cyanurchlorid) untersucht. Beide Bedingungen wiesen keinen erfolgreichen Ringschluss auf. Obwohl der Ringschluss über die Seitenketten von Lysin und Cystein nicht erfolgreich war, sollte ein Austausch von Cystein angestrebt werden, so dass kein freies Cystein in den Abbruchsequenzen vorhanden ist und die Alkylierung überflüssig wäre. Der Ringschluss durch Verwendung anderer Seitenketten bietet einen vielseitigen Ansatz.
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.
T cells need to adapt their cellular metabolism for effector cell differentiation. This relies on alterations in mitochondrial physiology. Which signals and molecules regulate those alterations remains unclear. We recently reported, that the mitochondrial protein TCAIM inhibits activation-induced changes in mitochondrial morphology and function and thus, CD effector T cell formation. Using conditional TCAIM knock-in (KI) and knockout (KO) mice, w now show that it also applies to CD8+ T cells and more importantly, delineate the molecular processes in mitochondria by which TCAIM controls effector cell differentiation. TCAIM KI resulted in reduced activation-induced HIF1α protein expression. Metabolomics and transcriptional data in combination with mathematical flux modeling revealed an impaired induction of anabolic pathways, especially of the mevalonate pathway and cholesterol biosynthesis in TCAIM KI CD8+ T cells. Addition of cholesterol completely rescued HIF1α protein expression, activation and proliferation of TCAIM KI CD8+ T cells. At the molecular level, TCAIM delayed activation-induced mitochondria-ER contact (MERC) formation by binding to MERC promoting proteins such as RMD3 and VDAC2. In summary, we demonstrate that TCAIM suppresses effector cell differentiation by inhibiting MERC formation, which induce HIF1α-mediated increase in cellular metabolism and cholesterol biosynthesis.
The trafficking of illegal drugs by criminal networks at borders, harbors, or airports is an increasing issue in public health as these routes ensure the main supply of illegal drugs. The prevention of drug smuggling, including the installation of scanners and other analytical devices to detect ultra-small traces of drugs within a reasonable time frame, remains a challenge. The presented immunosensor is based on a monolithic affinity column with a large excess of immobilized hapten, which traps fluorescently labeled antibodies as long as the analyte cocaine is absent. In the presence of the drug, some binding sites of the antibody will be blocked, which leads to an immediate breakthrough of the labeled protein, detectable by highly sensitive laser-induced fluorescence with the help of a Peltier-cooled complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) camera. Liquid handling is performed with high-precision syringe pumps and microfluidic chip-based mixing devices and flow cells. The biosensor achieved limits of detection of 23 pM (7 ppt) of cocaine with a response time of 90 seconds and a total assay time below 3 minutes. With surface wipe sampling, the biosensor was able to detect 300 pg of cocaine. This immunosensor belongs to the most sensitive and fastest detectors for cocaine and offers near-continuous analyte measurement.
The publicly available document encapsulates the first version of the Catalogue of Services of the future EC4Safenano Centre (CoS 2019).
The CoS 2019 is structured in 12 Service Categories and 27 Service Topics, for each of the 12 categories considered. This architecture configures a 12 x 27 matrix that allows ordering the potential EC4Safenano offer in 324 types of services/groups of services.
Each type of service/group of services is described, in a simple and friendly way, by means of a specific service sheet: the EC4Safenano - Service Data Sheet (EC4-SDS). These EC4-SDSs allow structuring and summarizing the information of each service, providing the customer with a concise view of characteristics of the service and also the contact details with the service provider.
The CoS 2019 deploys a map of services consisting of a set of 100 EC4-SDSs, covering 7 of the 12 Service Categories and 17 of the 27 Service Topics.
The harmonization of services is visualized as a future necessary step in EC4Safenano, in order to strengthen the offer and provide added value to customers with a growing offer of harmonized services in future versions of the CoS.
The information contained in this document is structured in 3 main sections, as follows:
• Catalogue structure. This section describes in short the main characteristics of the CoS 2019.
• Catalogue content. This section represents the core part of the document and encapsulates the set of 100 SDSs displaying the offer proposed by the CoS 2019.
• Online Catalogue. This section describes the resources implemented by EC4Safenano to facilitate the on-line consultation of the CoS 2019 by customers and other interested parties.
Silicon photonic micro-ring resonators (MRR) developed on the silicon-on-insulator (SOI) platform, owing to their high sensitivity and small footprint, show great potential for many chemical and biological sensing applications such as label-free detection in environmental monitoring, biomedical engineering, and food analysis. In this tutorial, we provide the theoretical background and give design guidelines for SOI-based MRR as well as examples of surface functionalization procedures for label-free detection of molecules.
After introducing the advantages and perspectives of MRR, fundamentals of MRR are described in detail, followed by an introduction to the fabrication methods, which are based on a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) technology. Optimization of MRR for chemical and biological sensing is provided, with special emphasis on the optimization of waveguide geometry. At this point, the difference between chemical bulk sensing and label-free surface sensing is explained, and definitions like waveguide sensitivity, ring sensitivity, overall sensitivity as well as the limit of detection (LoD) of MRR are introduced. Further, we show and explain chemical bulk sensing of sodium chloride (NaCl) in water and provide a recipe for label-free surface sensing.
A novel stationary phase for affinity separations is presented. This material is based on sintered borosilicate glass readily available as semi-finished filter plates with defined porosity and surface area. The material shows fast binding kinetics and excellent long-term stability under real application conditions due to lacking macropores and high mechanical rigidity. The glass surface can be easily modified with standard organosilane chemistry to immobilize selective binders or other molecules used for biointeraction. In this paper, the manufacturing of the columns and their respective column holders by 3D printing is shown in detail. The model system protein A/IgG was chosen as an example to examine the properties of such monolithic columns under realistic application conditions. Several specifications, such as (dynamic) IgG capacity, pressure stability, long-term performance, productivity, non-specific binding, and peak shape, are presented. It could be shown that due to the very high separation speed, 250 mg antibody per hour and column can be collected, which surpasses the productivity of most standard columns of the same size. The total IgG capacity of the shown columns is around 4 mg (5.5 mg/mL), which is sufficient for most tasks in research laboratories. The cycle time of an IgG separation can be less than 1 minute. Due to the glass material's excellent pressure resistance, these columns are compatible with standard HPLC systems. This is usually not the case with standard affinity columns, limited to manual use or application in low-pressure systems. The use of a standard HPLC system also improves the ability for automation, which enables the purification of hundreds of cell supernatants in one day. The sharp peak shape of the elution leads to an enrichment effect, which might increase the concentration of IgG by a factor of 3. The final concentration of IgG can be around 7.5 mg/mL without the need for an additional nanofiltration step. The purity of the IgG was > 95% in one step and nearly 99% with a second polishing run.
In vielen Umgebungen, besonders bei hohen Temperaturen, korrosiven Umgebungen oder auf bewegten oder schlecht zugänglichen Flächen, kann die Temperatur nicht oder nur mit nicht akzeptablem Aufwand mit Berührungsthermometern gemessen werden. Diese Umgebungsbedingungen sind unter anderem in der chemischen Industrie, der Lebensmittel-, Metall-, Glas-, Kunststoff- und Papierherstellung sowie bei der Lacktrocknung anzutreffen. In diesen Bereichen kommen Strahlungsthermometer zum Einsatz. Der VDI-Statusreport zeigt typische Anwendungsfelder von nicht radiometrisch kalibrierten Wärmebildkameras und von radiometrisch kalibrierten Thermografiekameras. Um verlässlich mit spezifizierten Messunsicherheiten berührungslos Temperaturen zu messen, müssen die Strahlungsthermometer und Thermografiekameras nicht nur kalibriert, sondern radiometrisch und strahlungsthermometrisch umfassend charakterisiert werden. Auch die optische Materialeigenschaft, der spektrale Emissionsgrad und die Gesamtstrahlungsbilanz (Strahlung des Messobjekts und der Umgebung) sind bei der industriellen Temperaturmessung von großer Bedeutung. In den letzten Jahrzehnten ist dazu ein umfassendes technisches Regelwerk entstanden, das wir Ihnen mit diesem VDI-Statusreport vorstellen. Manche in den Richtlinien beschriebenen Kennwerte mögen abstrakt wirken. In diesem Statusreport zeigen wir an konkreten Beispielen, was diese Kenngrößen für die berührungslose Temperaturmessung bedeuten. Beispiele von Anwendungen zeigen, wo temperaturmessende Thermografiekameras und ausschließlich bildgebende Wärmebildkameras in der Praxis eingesetzt werden. Mit einer Analyse, welche Themen und Anwendungen derzeit besonders intensiv diskutiert werden, versuchen wir Trends für zukünftige Entwicklungen herauszuarbeiten.
In den vergangenen Jahren ist die Entwicklung additiver Fertigungsverfahren branchenübergreifend fortgeschritten. In der Industrie ist die Verarbeitung von Polymeren wie z. B. Polylactide (PLA) oder Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS) am weitesten verbreitet, aber auch die Verarbeitung von Metallen nimmt zu. Umfragen des Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA aus dem Jahr 2016 verdeutlichen, wie hoch das Potential additiver Fertigungsverfahren eingeschätzt wird und auch die Anzahl der jährlich angemeldeten Patente im Bereich des 3D-Drucks hat sich in den letzten Jahren vervielfacht.
This paper presents deep unfolding neural networks to handle inverse problems in photothermal radiometry enabling super resolution (SR) imaging. Photothermal imaging is a well-known technique in active thermography for nondestructive inspection of defects in materials such as metals or composites. A grand challenge of active thermography is to overcome the spatial resolution limitation imposed by heat diffusion in order to accurately resolve each defect. The photothermal SR approach enables to extract high-frequency spatial components based on the deconvolution with the thermal point spread function. However, stable deconvolution can only be achieved by using the sparse structure of defect patterns, which often requires tedious, hand-crafted tuning of hyperparameters and results in computationally intensive algorithms. On this account, Photothermal-SR-Net is proposed in this paper, which performs deconvolution by deep unfolding considering the underlying physics. This enables to super resolve 2D thermal images for nondestructive testing with a substantially improved convergence rate. Since defects appear sparsely in materials, Photothermal-SR-Net applies trained blocksparsity thresholding to the acquired thermal images in each convolutional layer. The performance of the proposed approach is evaluated and discussed using various deep unfolding and thresholding approaches applied to 2D thermal images. Subsequently, studies are conducted on how to increase the reconstruction quality and the computational performance of Photothermal-SR-Net is evaluated.
Thereby, it was found that the computing time for creating high-resolution images could be significantly reduced without decreasing the reconstruction quality by using pixel binning as a preprocessing step.
Learned block iterative shrinkage thresholding algorithm for photothermal super resolution imaging
(2020)
Block-sparse regularization is already well-known in active thermal imaging and is used for multiple measurement based inverse problems. The main bottleneck of this method is the choice of regularization parameters which differs for each experiment. To avoid time-consuming manually selected regularization parameters, we propose a learned block-sparse optimization approach using an iterative algorithm unfolded into a deep neural network. More precisely, we show the benefits of using a learned block iterative shrinkage thresholding algorithm that is able to learn the choice of regularization parameters. In addition, this algorithm enables the determination of a suitable weight matrix to solve the underlying inverse problem. Therefore, in this paper we present the algorithm and compare it with state of the art block iterative shrinkage thresholding using synthetically generated test data and experimental test data from active thermography for defect reconstruction. Our results show that the use of the learned block-sparse optimization approach provides smaller normalized mean square errors for a small fixed number of iterations than without learning. Thus, this new approach allows to improve the convergence speed and only needs a few iterations to generate accurate defect reconstruction in photothermal super resolution imaging.
Lo scoppio della pandemia da Covid-19 ha travolto Italia a inizio anno e i suoi effetti sull’economia sono stati particolarmente pesanti.
Proprio per analizzare gli effetti della pandemia sul mercato della valutazione della conformità, lo scorso settembre Accredia, in collaborazione con l’Istituto Federale tedesco della Ricerca e del Collaudo dei Materiali (BAM), la Technische Universität di Berlino e l’Istituto Fraunhofer ISI, ha condotto un’indagine presso gli organismi e i laboratori accreditati in Italia.
Diese Richtlinie definiert Kenngrößen und Messverfahren, um Terahertzsysteme für die Zeitbereichsspektroskopie (TDS)zu spezifizieren. So können Hersteller ihre Systeme übereinstimmend beschreiben und Anwender einfach Systeme vergleichen. Systeme für die Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie sind aktive Systeme und nutzen verschiedene Techniken sowohl zur Erzeugung als auch zur zeitaufgelösten Messung von breitbandigen Terahertzimpulsen. Die dazugehörigen Terahertzspektren und -Phasen werden nach einer zeitlichen Abtastung über eine Fourier-Transformation berechnet. In dieser Richtlinie wird ein Überblick über die Funktionsweisen von Zeitbereichsspektrometern gegeben, die eingesetzten Messverfahren näher erläutert sowie die benötigten Begriffe und Kenngrößen definiert. Die Richtlinie konzentriert sich dabei auf Systeme, die auf sogenannten Abtastmessverfahren (Sampling-Messverfahren) basieren.
Laser excited super resolution thermal imaging for nondestructive inspection of internal defects
(2020)
A photothermal super resolution technique is proposed for an improved inspection of internal defects. To evaluate the potential of the laser-based thermographic technique, an additively manufactured stainless steel specimen with closely spaced internal cavities is used. Four different experimental configurations in transmission, reflection, stepwise and continuous scanning are investigated. The applied image post-processing method is based on compressed sensing and makes use of the block sparsity from multiple measurement events. This concerted approach of experimental measurement strategy and numerical optimization enables the resolution of internal defects and outperforms conventional thermographic inspection techniques.
Unabhängig vom im Chemieunterricht erworbenen Wissensstand der Studienanfänger liefert dieses, in der Reihe „De Gruyter Studium“ erschienene Lehrbuch einen Einstieg in die Physikalische Chemie. Basierend auf den Erfahrungen seiner Lehrtätigkeit für Erstsemester der Fachrichtung Chemie an der Universität des Saarlandes geht der Autor auf beinahe alle Themengebiete der Physikalischen Chemie ein, wobei die Schwerpunkte auf klassischer Thermodynamik und Grundlagen der chemischen Bindung liegen.
Dieses Lehrbuch ist nicht nur für Studierende im Bachelorstudium der Chemie sowohl im Haupt‐ als auch im Nebenfach geeignet. Es liefert zudem Interessierten anderer Fachrichtungen einen übersichtlichen und verständlichen Einstieg in die komplexe Welt der Physikalischen Chemie und sorgt für ein Grundverständnis.
Rund ein Jahr haben DIN und DKE in einem gemeinsamen Projekt mit dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie und zusammen mit ca. 300 Fachleuten aus Wirtschaft, Wissenschaft, öffentlicher Hand und Zivilgesellschaft an der Normungsroadmap Künstliche Intelligenz gearbeitet. Eine hochrangige Steuerungsgruppe unter dem Vorsitz von Prof. Wolfgang Wahlster hat die Erarbeitung koordiniert und begleitet.
Ziel der Roadmap ist die frühzeitige Entwicklung eines Handlungsrahmens für die Normung und Standardisierung, der die internationale Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Wirtschaft unterstützt und europäische Wertmaßstäbe auf die internationale Ebene hebt.(...)