570 Biowissenschaften; Biologie
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In this work, the fabrication and characterization of a simple, inexpensive, and effective microfluidic paper analytic device (µPAD) for monitoring DNA samples is reported. The glass microfiber-based chip has been fabricated by a new wax-based transfer-printing technique and an electrode printing process. It is capable of moving DNA effectively in a time-dependent fashion. The nucleic acid sample is not damaged by this process and is accumulated in front of the anode, but not directly on the electrode. Thus, further DNA processing is feasible. The system allows the DNA to be purified by separating it from other components in sample mixtures such as proteins. Furthermore, it is demonstrated that DNA can be moved through several layers of the glass fiber material. This proof of concept will provide the basis for the development of rapid test systems, e.g., for the detection of pathogens in water samples.
Trimeric photosystem I from the cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus (TePSI) is an intrinsic membrane protein, which converts solar energy into electrical energy by oxidizing the soluble redox mediator cytochrome c6 (Cyt c6) and reducing ferredoxin. Here, we use cryo-electron microscopy and small angle neutron scattering (SANS) to characterize the transient binding of Cyt c6 to TePSI. The structure of TePSI cross-linked to Cyt c6 was solved at a resolution of 2.9 Å and shows additional cofactors as well as side chain density for 84% of the peptide chain of subunit PsaK, revealing a hydrophobic, membrane intrinsic loop that enables binding of associated proteins. Due to the poor binding specificity, Cyt c6 could not be localized with certainty in our cryo-EM analysis. SANS measurements confirm that Cyt c6 does not bind to TePSI at protein concentrations comparable to those for cross-linking. However, SANS data indicate a complex formation between TePSI and the non-native mitochondrial cytochrome from horse heart (Cyt cHH). Our study pinpoints the difficulty of identifying very small binding partners (less than 5% of the overall size) in EM structures when binding affinities are poor. We relate our results to well resolved co-structures with known binding affinities and recommend confirmatory methods for complexes with KM values higher than 20 μM.
Die funktionale Kopplung von photoaktiven Nanostrukturen mit Enzymen stellt eine neue Strategie zum Aufbau lichtgesteuerter biohybrider Systeme dar. Hier sind Untersuchungen zusammengefasst, welche die effiziente Kontaktierung der FAD-abhängigen Glukosedehydrogenase (FAD-GDH) mit Hilfe eines Osmium-Redoxpolymers (P Os ) an PbS-Quantum Dots (PbS QDs) zeigen, welche direkt auf dreidimensionalen TiO 2 -Elektrodenstrukturen synthetisiert wurden. Diese biohybriden Strukturen erlauben die Licht-induzierte Oxidation von Glukose. Dazu wird zunächst ein Verfahren vorgestellt, bei welchem durch den Aufbau invers-opaler TiO 2 (IO-TiO 2 ) Strukturen hohe Bindungskapazitäten für die Integration von QDs, Redoxpolymer und Enzym erreicht werden. In Folge wird gezeigt wie elektrochemische Signalketten durch Licht gesteuert werden können, indem Ladungsträger in den QDs unter Beleuchtung erzeugt werden. Diese Aktivierung ermöglicht dann die Ausbildung einer Elektrontransferkaskade vom Enzym über das Redoxpolymer zu den QDs und final zur IO-TiO 2 -Elektrode. Die resultierenden anodischen Photoströme können durch das Potential, die Lichtintensität und die Glukosekonzentration moduliert werden. So können in Anwesenheit von Glukose Photoströme von bis zu 207 μA/cm2 und erste Oxidationssignale bereits bei einem Potential von -540 mV vs Ag/AgCl, 1 M KCl erhalten werden. Dies entspricht einem Potentialgewinn von über 500 mV im Vergleich zu nicht lichtsensitiven Elektroden. Das vorgestellte biohybride System kombiniert Vorteile einer großen Oberfläche (durch IO-TiO 2 -Struktur), die effiziente Ladungsträgergenerierung und -trennung an der QD/TiO 2 -Schnittstelle sowie die effiziente Kontaktierung von FAD-GDH mit den QDs mit Hilfe eines Redoxpolymers. Die Ergebnisse verdeutlichen das Potential dieser leistungsfähigen Photobioanode für die Sensorik und die Erzeugung von Energie aus Licht und Glukose.
Die Kombination von fortschrittlichen Materialien und kontrolliertem Oberflächendesign mit komplexen Proteinen aus der natürlichen Photosynthese ist derzeit eines der Hauptthemen bei der Entwicklung von Biohybridsystemen und Biophotovoltaik. In dieser Studie werden transparente makroporöse Indium-Zinn-Oxid-(μITO-) Elektroden mit dem trimeren Superkomplex Photosystem I (PSI) aus dem Cyanobakterium Thermosynechococcus elongatus sowie dem kleinen Redoxprotein Cytochrom c (Cyt c) kombiniert, um neuartige und effiziente biohybride Photokathoden herzustellen. Mit diesen bis zu 40 μm hohen 3D-Strukturen können beide Proteine in einer annähernden Monolage abgeschieden werden und die elektrische Kommunikation mit der Elektrode kann erzielt werden. Der generierte Photostrom folgt dabei linear der kontrollierbaren Schichtdicke der μITO-Elektrode, wobei
Stromdichten von bis zu 150 μA cm –2 erhalten werden. Eine effiziente elektrische Kopplung der Proteine kann durch die hohe interne Quanteneffizienz von 30 % gezeigt werden.
G-quadruplex is a DNA secondary structure that has been shown to play an important role in biological systems. In a previous study, we identified 1998 G-quadruplex-forming sequences using a mouse CpG islands DNA microarray with a fluorescent-labeled G-quadruplex ligand. Among these putative G-quadruplex-forming sequences, G-quadruplex formation was verified for 10 randomly selected sequences by CD spectroscopy and DMS footprinting analysis. In this study, the biological function of the 10 G-quadruplex-forming sequences in the transcriptional regulation has been analyzed using a reporter assay.
Die Flavin-abhängige Fruktosedehydrogenase und Cytochrom c: Elektronentransfer und Sensorstrategien
(2017)
Die hier durchgeführten Untersuchungen ermöglichen ein besseres Verständnis der Elektronentransferprozesse zwischen der Flavin-abhängigen Fruktosedehydrogenase (FDH) und dem Redoxprotein Cytochrom c (Cyt c). Dies liefert im Hinblick auf sensorische Anwendungen wichtige Erkenntnisse für vorteilhafte Sensorarchitekturen und deren Messbedingungen. Es wurden zwei unterschiedliche pH-Optima für die Redoxreaktion der beiden Proteine untereinander entdeckt. Die Reaktion wurde im Weiteren mit Elektroden kombiniert und so eine Fruktose-abhängige Stromantwort detektiert. Darüber hinaus konnten definierte dreidimensionale Sensorarchitekturen der beiden Proteine, mit Hilfe von DNA als zusätzlichen biologischen Baustein erzeugt und für die Sensorik genutzt werden.
Electrospinning is known as a fabrication technique for electrode architectures that serve as immobilization matrices for biomolecules. The current work demonstrates a novel approach to construct a conductive polymeric platform, capable not only of immobilization, but also of electrical connection of the biomolecule with the electrode. It is produced upon electrospinning from mixtures of three different highly conductive sulfonated polyanilines and polyacrylonitrile on ITO electrodes. The resulting fiber mats are with a well-retained conductivity. After coupling the enzyme pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase (PQQ-GDH) to polymeric structures and addition of the substrate glucose an efficient bioelectrocatalysis is demonstrated. Depending on the choice of the sulfonated polyanilline mediatorless bioelectrocatalysis starts at low potentials; no large overpotential is needed to drive the reaction. Thus, the electrospun conductive immobilization matrix acts here as a transducing element, representing a promising strategy to use 3D polymeric scaffolds as wiring agents for active enzymes. In addition, the mild and well reproducible fabrication process and the active role of the polymer film in withdrawing electrons from the reduced PQQ-GDH lead to a system with high stability. This could provide access to a larger group of enzymes for bioelectrochemical applications including biosensors and biofuel cells.
Orthopoxvirus species like cowpox, vaccinia and monkeypox virus cause zoonotic infections in humans worldwide. Infections often occur in rural areas lacking proper diagnostic infrastructure as exemplified by monkeypox, which is endemic in Western and Central Africa. While PCR detection requires demanding equipment and is restricted to genome detection, the evidence of virus particles can complement or replace PCR. Therefore, an easily distributable and manageable antigen capture enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) for the detection of orthopoxviruses was developed to facilitate particle detection. By comparing the virus particle binding properties of polyclonal antibodies developed against surface-exposed attachment or fusion proteins, the surface protein A27 was found to be a well-bound, highly immunogenic and exposed target for antibodies aiming at virus particle detection. Subsequently, eight monoclonal anti-A27 antibodies were generated and characterized by peptide epitope mapping and surface plasmon resonance measurements. All antibodies were found to bind with high affinity to two epitopes at the heparin binding site of A27, toward either the N- or C-terminal of the crucial KKEP-segment of A27. Two antibodies recognizing different epitopes were implemented in an antigen capture ELISA. Validation showed robust detection of virus particles from 11 different orthopoxvirus isolates pathogenic to humans, with the exception of MVA, which is apathogenic to humans. Most orthopoxviruses could be detected reliably for viral loads above 1 × 103 PFU/mL. To our knowledge, this is the first solely monoclonal and therefore reproducible antibody-based antigen capture ELISA able to detect all human pathogenic orthopoxviruses including monkeypox virus, except variola virus which was not included. Therefore, the newly developed antibody-based assay represents important progress towards feasible particle detection of this important genus of viruses.
Polymer-multiwalled carbon nanotube (MWCNT) nanohybrids, which differ in surface charge have been synthesized to study the bioelectrocatalysis of adsorbed cellobiose dehydrogenase (CDH) from Phanerochaete sordida on gold electrodes. To obtain negatively charged nanohybrids, poly(3-amino-4-methoxybenzoic acid-co-aniline) (P(AMB-A)) was covalently linked to the surface of MWCNTs while modification with p-phenylenediamine (PDA) converted the COOH-groups to positively charged amino groups. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) measurements verified the p-phenylenediamine (PDA) modification of the polymer-CNT nanohybrids. The positively charged nanohybrid MWCNT-P(AMB-A)-PDA promoted direct electron transfer (DET) of CDH to the electrode and bioelectrocatalysis of lactose was observed. Amperometric measurements gave an electrochemical response with KMapp = 8.89 mM and a current density of 410 nA/cm2 (15 mM lactose). The catalytic response was tested at pH 3.5 and 4.5. Interference by ascorbic acid was not observed. The study proves that DET between the MWCNT-P(AMB-A)-PDA nanohybrids and CDH is efficient and allows the sensorial detection of lactose.
Es wurde ein dreidimensionales Polymerfasernetzwerk aufgebaut, charakterisiert und anschließend daran das Enzym Pyrrolochinolinchinon-abhängige Glukosedehydrogenase (PQQ)GDH gebunden. Das Polymerfasernetzwerk wurde durch Elektrospinnen einer Mischung des Polymers Polyacrylnitril und verschiedener leitfähiger Polymere der Polyanilin-Familie auf Indium-Zinn-Oxid-Elektroden aufgebracht. Die so hergestellten Fasermatten erwiesen sich bei mikroskopischen Untersuchungen gleichförmig präpariert und die Faserdurchmesser bewegten sich im Bereich weniger hundert Nanometer. Das Redoxpaar Kaliumhexacyanoferrat (II/III) zeigte an diesen Polymer-Elektrodenstrukturen eine quasi-reversible Elektrochemie. Bei weitergehenden Untersuchungen an den enzymmodifizierten Fasern ((PQQ)GDH) konnten unter Substratzugabe (Glukose) bioelektrokatalytische Ströme nachgewiesen werden. Das Fasernetzwerk fungiert hier nicht nur als Immobilisierungsmatrix, sondern als auch als Teil des Signalwandlers.