570 Biowissenschaften; Biologie
Refine
Document Type
- Article in a Periodical of the TH Wildau (17) (remove)
Year of publication
Institute
Language
- German (17)
Has Fulltext
- yes (17)
Is part of the Bibliography
- yes (17)
Keywords
- Nanopartikel (1)
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.
Gegenstand dieser Veröfffentlichung ist eine Reimplementierung des TSNI (Time Series Network Identification)-Tools zur Rekonstruktion von genregulatorischen Netzwerken aus Zeitserien von Gen-Expressionsprofilen. Das auf gewöhnlichen Differentialgleichungen basierende Tool wurde algorithmisch verbessert und an die Verarbeitung großer Datensätze angepasst. Durch Ausschöpfung des Potentials moderner Multi-CPU und GPU-Architekturen wurden die erforderlichen Berechnungen erheblich beschleunigt. Bei der Überführung des mit Matlab implementierten Tools in die Programmiersprache C wurde zudem die Bedienbarkeit verbessert.
Durch Einsatz der GPU-beschleunigten Mathematik-Bibliothek MAGMA konnten unter Verwendung eines normalen Desktop-Rechners Leistungssteigerungen um das 18,7-fache bei 11.000 Genen verzeichnet werden. Darüber hinaus rekonstruierte das verbesserte TSNI weitaus mehr biologisch richtige Beziehungen als vergleichbare Anwendungen.
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.
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.
Kaffee ist das wohl populärste Heißgetränk weltweit. Zwei botanische Arten sind für den Weltmarkt von Bedeutung und unterscheiden sich bezüglich ihres Anbaugebietes und der Inhaltsstoffe. Kaffee enthält über 850 bisher identifizierte Aromastoffe, welche den Geschmack bilden. Außerdem haben die Prozessierung der geernteten Kirsche bis zur Bohne, das Röstprofil und das Aufbrühen einen großen Einfluss darauf. In dieser Arbeit wurde die Auswirkung der Prozessierungsmethode auf ausgewählte Inhaltsstoffe mit Hilfe der Flüsssig-Chromatographie-Tandem-Massenspektroskopie (LC-MS/MS) untersucht. Dafür wurden drei Prozessierungsmethoden, die unterschiedlich viel Wasser für das Ablösen des Fruchtfleisches von den Kaffeekirschen benötigen, und zwei Kultursorten miteinander verglichen. Die Ergebnisse zeigten einen geringfügig höheren Gehalt der zwei wichtigsten Inhaltsstoffe Koffein und Chlorogensäure in den Bohnen, bei deren Prozessierung im Eco-Pulper-Verfahren weniger Wasser eingesetzt wurde. Bis auf einen verringerten Gehalt an Saccharose wurde für weitere wichtige Inhaltsstoffe (Acrylamid, Niacin, Zitronensäure und Vanillin) kein signifikanter Unterschied bei höherem Wassereinsatz gefunden. Insofern man die untersuchten Inhaltsstoffe als Qualitätsmarker betrachtet, ist im Vergleich zu den anderen Prozessierungsmethoden das Eco-Pulper-Verfahren die beste Wahl, insbesondere da es als wassersparende Methode einen entscheidenden Beitrag zur Nachhaltigkeit des Kaffeeanbaus leistet.
Technische Prozesse können erheblich durch Biofilme beeinflußt werden und spielen in weiten Bereichen der Technik und Biotechnologie eine große Rolle. Ein zentrales Problem beim Einsatz von Werkstoffen in biologischen Systemen ist die Ansiedlung von Zellen und deren Stoffwechselprodukten auf Festkörperoberflächen. Erst hiervon gehen alle nachfolgenden Reaktionen aus, wie Kontamination von Implantaten und medizinischen Geräten, Biokorrosion und die Bildung von Biofilmen in technischen Geräten.
Die in der Biotechnologie eingesetzten Werkstoffe müssen bestimmten technischen und biologischen Forderungen genügen. Die Klärung der Adhäsionsmechanismen der Bakterien auf unterschiedlichen Werkstoffoberflächen und des sich aus einem ersten Zellhaufen entwickelnden Biofilms sowie die Reaktionen und die Transportmechanismen an und in ihm sind die Voraussetzung zur Interpretation der Werkstoffschädigung und des Zellverhaltens. Neben der konventionellen Licht- und Rasterelektronenmikroskopie steht mit der Raster-Kraft- Mikroskopie (SFM) ein neues Verfahren zur Abbildung von Oberflächen biologischer Systeme mit hoher Auflösung zur Verfügung. Ziel der Arbeiten ist es, mit dem SFM Untersuchungen von Biofilmen auf verschiedenen Werkstoffoberflächen durchzuführen. Hierzu ist es notwendig, die Raster-Kraft-Mikroskopie an die Besonderheiten biologischer Strukturen anzupassen. Aufgrund dieser Oberflächenuntersuchungen lassen sich dann geeignete Werkstoffe und Beschichtungen für den Einsatz in biologischen Systemen auswählen.
Genomweite Identifizierung von chromosomalen Bruchpunkten bei Tumoren unterschiedlicher Gewebe
(2016)
Aufgrund der jährlich ansteigenden Anzahl an Krebsneuerkrankungen und der tödlichen Verläufe von malignen Tumoren gewinnt die vollständige Aufklärung der Tumorgenese und -progression immer mehr an Bedeutung. Für diese können Untersuchungen zu Bruchpunkten, die eine Kopienzahlvariation (CNV) in Krebsgenomen bewirken, genutzt werden. Es wurde eine Pipeline entwickelt, die in der Lage ist, CNVs, Bruchpunktregionen (BPRs) und Gene genomweit mit Hilfe von SNP-Array-Daten zu detektieren. Dazu wurden 2.820 Tumorproben aus 8 Tumorentitäten untersucht und mit 432 Proben aus gesundem Gewebe verglichen. In den Tumorproben wurden vierfach mehr BPRs detektiert, wobei unter 5 % der Gene in den Normalproben betroffen sind. Wir identifizierten 31 hochspezifische BPRs. Die am häufigsten vorkommende Variation umschließt das Gen KIAA0513, welches in Verbindung mit der Apoptose steht. Anhand der hier entwickelten Pipeline können erste Einblicke in CNV- und Bruchpunkt-Muster in Tumorgenomen gewonnen werden, die zu einem verbesserten Verständnis der Tumorgenese und somit zu einer verbesserten Diagnostik und Therapie von Krebserkrankungen führen können.
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.
Störungen im Metabolismus des Wachstumshormons können sich als Wachstumshormonmangel oder -überschuss (Akromegalie) äußern. In beiden Fällen handelt es sich um seltene Krankheiten, die aufwendig behandelt werden müssen, da jeder Patient anders auf seine jeweilige Medikation anspricht. Zur Bestimmung des individuellen Ansprechverhaltens auf die medikamentöse Behandlung wird Insulin-like Growth Factor 1 verwendet, das jedoch als unzuverlässig für die Therapiekontrolle gilt. Um die Diagnostik und Therapie von Wachstumshormonstörungen zu verbessern, wurde in dieser Pilotstudie der Nutzen des neuen potenziellen Biomarkers Elongin B/C-Cullin5-Socs-box Komplex (ECS-Komplex) überprüft. Die fünf Proteine des Komplexes üben zusammen einen negativen Feedback-Mechanismus auf den Wachstumshormonrezeptor aus und regulieren ihn in Abhängigkeit vom Wachstumshormonspiegel im Blut. Für diese Pilotstudie wurden vier Patienten mit Wachstumshormondefizienz und 15 Patienten mit Akromegalie rekrutiert. Die Messung von Unterschieden in der Expression der Gene auf RNA-Ebene in Blutproben der Patienten erlaubt erste Aussagen über deren Eignung als therapeutische Marker für diese Krankheiten.
Diese Studie beschreibt einen labelfreien impedimetrischen Sensor auf der Grundlage von kurzen einzelsträngigen DNA-Erkennungselementen für den Nachweis von Hybridisierungsereignissen. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Aufklärung des Einflusses der Ziel-DNA-Länge und der Erkennungssequenzposition auf die sensorische Leistungsfähigkeit. Die impedimetrischen Messungen werden in Anwesenheit des Redoxsystems Kaliumhexacyanoferrat (II/III) durchgeführt und zeigen einen Anstieg des Durchtrittswiderstandes nach der Hybridisierung mit komplementärer Ziel-DNA mit einer Nachweisgrenze im unteren nanomolaren Bereich. Nach der Hybridisierung kann die Regeneration des Sensors mit deionisiertem Wasser durch die Einstellung effektiver Konvektionsbedingungen erreicht werden und ermöglicht somit eine Wiederverwendbarkeit des Sensors. Untersuchungen zu längeren Ziel-DNA-Strängen mit einem zur Lösung exponierten Überhang demonstrieren die Anwendbarkeit des impedimetrischen Nachweises für längere Sequenzen. Allerdings resultiert eine zunehmende Überhanglänge in einer verringerten Durchtrittswiderstandsänderung. Um die Impedanzänderung für längere Ziel-DNA zu erhöhen, wird die Erkennungssequenzposition verändert, sodass ein kleiner Überhang zur Elektrode ausgerichtet ist. Die Ergebnisse legen nahe, dass DNA in direkter Nähe zur Elektrode einen größeren Einfluss auf das impedimetrische Signal besitzt als weiter entfernte DNA.