@phdthesis{Sureshkumar2023, author = {Sureshkumar, Priyavathi}, title = {Erweiterung der zellbasierten Calcium-Imaging-Methode im eukaryotischen zellfreien Proteinsynthese-System f{\"u}r die transient-receptor-potential (TRP) - Ionenkan{\"a}le}, doi = {10.25932/publishup-61987}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-619872}, school = {Universit{\"a}t Potsdam}, pages = {x, 110}, year = {2023}, abstract = {Die Fluoreszenz-Calcium-Imaging-Methode wird auch heute noch als g{\"a}ngige Methode verwendet, vor allem wegen der geringeren Kosten f{\"u}r das Wirkstoffscreening in der pharmazeutischen Forschung, wobei Ionenkan{\"a}le sowie einige der G-Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) die Mehrzahl der Wirkstoffziele ansprechen. Die zellfreie Synthese eukaryotischer Proteine hat nicht die Nachteile, die bei der {\"U}berexpression dieser ionenpermeablen Proteine in Zellen auftreten k{\"o}nnen, wie z. B. Zelltoxizit{\"a}t, geringere Proteinexpression und die Beseitigung der exprimierten Proteine aufgrund ver{\"a}nderter Dom{\"a}nen sowie die zeitaufw{\"a}ndige Pflege von Zelllinien. Die Synthese von Ionenkan{\"a}len in zellfreien Proteinsyntheseplattformen f{\"u}r das k{\"u}nftige Wirkstoffscreening ist noch in der Grundlagenforschung. Obwohl die Fluoreszenz-Calcium-Imaging-Methode in zellbasierten Assays weit verbreitet ist, wurde diese Methode bisher noch nicht in zellfreien Proteinexpressionssystemen verwendet. Insgesamt ist die neue Anwendung der Calcium-Imaging-Methode in eukaryontischen zellfreien Systemen eine Voraussetzung f{\"u}r die schnelle pharmakologische Analyse von Wirkstoffen. Das erste Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit bestand darin, die grundlegenden Prinzipien der Calcium-Imaging-Methode zur Untersuchung von Ionenkan{\"a}len in zellbasierten Systemen zu untersuchen. Hierf{\"u}r wurden zwei Tumorzelllinien des Auges verwendet, und zwar benigne Pterygiumzellen und maligne Aderhautmelanom 92.1 Zellen. In diesen Studien wurde die Interaktion zwischen den nativ {\"u}berexprimierten transient-receptor-potential-Ionenkan{\"a}len (TRPs) wie TRP Vanilliod 1 (TRPV1) (Capsaicinrezeptor) und TRP Melastatin 8 (TRPM8) (Mentholrezeptor) in diesen Tumorzellen nach Zugabe von verschiedenen Medikamenten und Hormonen untersucht. Das zweite Ziel dieser Arbeit war es, den Calcium-Mechanismus von GPCRs in den Zellen zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde Mas, ein GPCR und Angiotensin (1-7) -Hormonrezeptor, aus dem renin-angiotensin-aldosteron-system (RAAS) in der Human Embryonic Kidney-293 (HEK293) Zelllinie {\"u}berexprimiert. In dieser Studie wurden insbesondere die Aktivierung klassischer GPCR-Signalwege wie Phospholipase C und Proteinkinase C durch Angiotensin-(1-7) {\"u}ber Mas und die Beteiligung von TRP-Kan{\"a}len nachgewiesen. Die zellbasierte-Calcium-Imaging-Methode f{\"u}r chemische Calcium-Indikatoren ließ sich aufgrund der Anwesenheit einer großen Menge cytosolischer Carboxylesterasen gut anwenden. Carboxylesterase ist das wichtigste Enzym in der Calcium Imaging Methode, das die Verarbeitung chemischen Calcium-Farbstoffe behandelt. Dieses Enzym fehlt jedoch in Mikrosomen, die als Basismembran f{\"u}r die Integration synthetisierter Ionenkan{\"a}le in eukaryontischen zellfreien Systemen verwendet werden. Das dritte Ziel dieser Forschungsarbeit war die Umsetzung der zellbasierten Calcium-Imaging Methode und der Calcium-Signalwege in zellfreie Systeme. Hier wurde die zellfrei synthetisierte Carboxylesterase in Mikrosomen von Spodoptera frugiperda (Sf21) als praktikables Calcium-Imaging-Werkzeug etabliert, um sowohl native ionenpermeable Proteine als auch zellfrei-synthetisierte Ionenkan{\"a}le zu untersuchen. Die Enzymaktivit{\"a}t der zellfrei-synthetisierten Carboxylesterase in Mikrosomen wurde durch Esterase-Assays und den Calcium-Fluoreszenzfarbstoff Fluo-5N Acetoxymethylester (Fluo-5N AM) Belastungstests nachgewiesen. Das Calcium-Imaging der nativ vorhandenen Ca2+-ATPase des sarkoplasmatischen/endoplasmatischen Retikulums (SERCA) und der Ryanodin-Rezeptoren (RyR) in den Mikrosomen sowie der zell-frei exprimierten TRP-Ionenkan{\"a}le wurden mit dem Fura-5N-AM- Fluoreszenzfarbstoff in mit Carboxylesterase vorsynthetisierten Mikrosomen nachgewiesen. Zusammenfassend l{\"a}sst sich sagen, dass das Prinzip der zellbasierten Calcium-Imaging -Methode vielversprechend an das eukaryotische zellfreie Sf21-System angepasst werden konnte, um Ionenkan{\"a}le zu analysieren. Nach entsprechender Forschung k{\"o}nnte die etablierte Methode in Zukunft auch auf andere Membranproteine ausgeweitet werden. Dies umfasst die Untersuchung anderer zell-frei exprimierte GPCRs oder anderer Ionenkan{\"a}le wie Kalium-, Natrium- und Chlorid-Ionenkan{\"a}le.}, language = {de} } @article{SchlosshauerCavakZemellaetal.2022, author = {Schloßhauer, Jeffrey and Cavak, Ni{\~n}o and Zemella, Anne and Thoring, Lena and Kubick, Stefan}, title = {Cell engineering and cultivation of chinese hamster ovary cells for the development of orthogonal eukaryotic cell-free translation systems}, series = {Frontiers in molecular biosciences}, volume = {9}, journal = {Frontiers in molecular biosciences}, publisher = {Frontiers Media}, address = {Lausanne}, issn = {2296-889X}, doi = {10.3389/fmolb.2022.832379}, pages = {13}, year = {2022}, abstract = {The investigation of protein structures, functions and interactions often requires modifications to adapt protein properties to the specific application. Among many possible methods to equip proteins with new chemical groups, the utilization of orthogonal aminoacyl-tRNA synthetase/tRNA pairs enables the site-specific incorporation of non-canonical amino acids at defined positions in the protein. The open nature of cell-free protein synthesis reactions provides an optimal environment, as the orthogonal components do not need to be transported across the cell membrane and the impact on cell viability is negligible. In the present work, it was shown that the expression of orthogonal aminoacyl-tRNA synthetases in CHO cells prior to cell disruption enhanced the modification of the pharmaceutically relevant adenosine A2a receptor. For this purpose, in complement to transient transfection of CHO cells, an approach based on CRISPR/Cas9 technology was selected to generate a translationally active cell lysate harboring endogenous orthogonal aminoacyl-tRNA synthetase.}, language = {en} } @article{HaueisStechKubick2022, author = {Haueis, Lisa and Stech, Marlitt and Kubick, Stefan}, title = {A Cell-free Expression Pipeline for the Generation and Functional Characterization of Nanobodies}, series = {Frontiers in Bioengineering and Biotechnology}, volume = {10}, journal = {Frontiers in Bioengineering and Biotechnology}, publisher = {Frontiers Media}, address = {Lausanne}, issn = {2296-4185}, doi = {10.3389/fbioe.2022.896763}, pages = {11}, year = {2022}, abstract = {Cell-free systems are well-established platforms for the rapid synthesis, screening, engineering and modification of all kinds of recombinant proteins ranging from membrane proteins to soluble proteins, enzymes and even toxins. Also within the antibody field the cell-free technology has gained considerable attention with respect to the clinical research pipeline including antibody discovery and production. Besides the classical full-length monoclonal antibodies (mAbs), so-called "nanobodies" (Nbs) have come into focus. A Nb is the smallest naturally-derived functional antibody fragment known and represents the variable domain (VHH, similar to 15 kDa) of a camelid heavy-chain-only antibody (HCAb). Based on their nanoscale and their special structure, Nbs display striking advantages concerning their production, but also their characteristics as binders, such as high stability, diversity, improved tissue penetration and reaching of cavity-like epitopes. The classical way to produce Nbs depends on the use of living cells as production host. Though cell-based production is well-established, it is still time-consuming, laborious and hardly amenable for high-throughput applications. Here, we present for the first time to our knowledge the synthesis of functional Nbs in a standardized mammalian cell-free system based on Chinese hamster ovary (CHO) cell lysates. Cell-free reactions were shown to be time-efficient and easy-to-handle allowing for the "on demand" synthesis of Nbs. Taken together, we complement available methods and demonstrate a promising new system for Nb selection and validation.}, language = {en} } @phdthesis{Zemella2019, author = {Zemella, Anne}, title = {Fluoreszenzmarkierung und Modifizierung von komplexen Proteinen in eukaryotischen zellfreien Systemen durch die Etablierung von orthogonalen tRNA/Aminoacyl-tRNA-Synthetase-Paaren}, doi = {10.25932/publishup-44236}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-442361}, school = {Universit{\"a}t Potsdam}, pages = {XI, 141}, year = {2019}, abstract = {Die funktionelle Charakterisierung von therapeutisch relevanten Proteinen kann bereits durch die Bereitstellung des Zielproteins in ad{\"a}quaten Mengen limitierend sein. Dies trifft besonders auf Membranproteine zu, die aufgrund von zytotoxischen Effekten auf die Produktionszelllinie und der Tendenz Aggregate zu bilden, in niedrigen Ausbeuten an aktivem Protein resultieren k{\"o}nnen. Der lebende Organismus kann durch die Verwendung von translationsaktiven Zelllysaten umgangen werden- die Grundlage der zellfreien Proteinsynthese. Zu Beginn der Arbeit wurde die ATP-abh{\"a}ngige Translation eines Lysates auf der Basis von kultivierten Insektenzellen (Sf21) analysiert. F{\"u}r diesen Zweck wurde ein ATP-bindendes Aptamer eingesetzt, durch welches die Translation der Nanoluziferase reguliert werden konnte. Durch die dargestellte Applizierung von Aptameren, k{\"o}nnten diese zuk{\"u}nftig in zellfreien Systemen f{\"u}r die Visualisierung der Transkription und Translation eingesetzt werden, wodurch zum Beispiel komplexe Prozesse validiert werden k{\"o}nnen. Neben der reinen Proteinherstellung k{\"o}nnen Faktoren wie posttranslationale Modifikationen sowie eine Integration in eine lipidische Membran essentiell f{\"u}r die Funktionalit{\"a}t des Membranproteins sein. Im zweiten Abschnitt konnte, im zellfreien Sf21-System, f{\"u}r den G-Protein-gekoppelten Rezeptor Endothelin B sowohl eine Integration in die endogen vorhandenen Endoplasmatisch Retikulum-basierten Membranstrukturen als auch Glykosylierungen, identifiziert werden. Auf der Grundlage der erfolgreichen Synthese des ET-B-Rezeptors wurden verschiedene Methoden zur Fluoreszenzmarkierung des Adenosin-Rezeptors A2a (Adora2a) angewandt und optimiert. Im dritten Abschnitt wurde der Adora2a mit Hilfe einer vorbeladenen tRNA, welche an eine fluoreszierende Aminos{\"a}ure gekoppelt war, im zellfreien Chinesischen Zwerghamster Ovarien (CHO)-System markiert. Zus{\"a}tzlich konnte durch den Einsatz eines modifizierten tRNA/Aminoacyl-tRNA-Synthetase-Paares eine nicht-kanonische Aminos{\"a}ure an Position eines integrierten Amber-Stopcodon in die Polypeptidkette eingebaut und die funktionelle Gruppe im Anschluss an einen Fluoreszenzfarbstoff gekoppelt werden. Aufgrund des offenen Charakters eignen sich zellfreie Proteinsynthesesysteme besonders f{\"u}r eine Integration von exogenen Komponenten in den Translationsprozess. Mit Hilfe der Fluoreszenzmarkierung wurde eine ligandvermittelte Konformations{\"a}nderung im Adora2a {\"u}ber einen Biolumineszenz-Resonanzenergietransfer detektiert. Durch die Etablierung der Amber-Suppression wurde dar{\"u}ber hinaus das Hormon Erythropoetin pegyliert, wodurch Eigenschaften wie Stabilit{\"a}t und Halbwertszeit des Proteins ver{\"a}ndert wurden. Zu guter Letzt wurde ein neues tRNA/Aminoacyl-tRNA-Synthetase-Paar auf Basis der Methanosarcina mazei Pyrrolysin-Synthetase etabliert, um das Repertoire an nicht-kanonischen Aminos{\"a}uren und den damit verbundenen Kopplungsreaktionen zu erweitern. Zusammenfassend wurden die Potenziale zellfreier Systeme in Bezug auf der Herstellung von komplexen Membranproteinen und der Charakterisierung dieser durch die Einbringung einer positionsspezifischen Fluoreszenzmarkierung verdeutlicht, wodurch neue M{\"o}glichkeiten f{\"u}r die Analyse und Funktionalisierung von komplexen Proteinen geschaffen wurden.}, language = {de} } @article{DondapatiLuebberdingZemellaetal.2019, author = {Dondapati, Srujan Kumar and L{\"u}bberding, Henning and Zemella, Anne and Thoring, Lena and W{\"u}stenhagen, Doreen Anja and Kubick, Stefan}, title = {Functional Reconstitution of Membrane Proteins Derived From Eukaryotic Cell-Free Systems}, series = {Frontiers in pharmacology}, volume = {10}, journal = {Frontiers in pharmacology}, publisher = {Frontiers Research Foundation}, address = {Lausanne}, issn = {1663-9812}, doi = {10.3389/fphar.2019.00917}, pages = {9}, year = {2019}, abstract = {Cell-free protein synthesis (CFPS) based on eukaryotic Sf21 lysate is gaining interest among researchers due to its ability to handle the synthesis of complex human membrane proteins (MPs). Additionally Sf21 cell-free systems contain endogenous microsomal vesicles originally derived from the endoplasmic reticulum (ER). After CFPS, MPs will be translocated into the microsomal vesicles membranes present in the lysates. Thus microsomal membranes offer a natural environment for de novo synthesized MPs. Despite the advantage of synthesizing complex MPs with post translational modifications directly into the microsomal membranes without any additional solubilization supplements, batch based Sf21 cell-free synthesis suffers from low yields. The bottleneck for MPs in particular after the synthesis and incorporation into the microsomal membranes is to analyze their functionality. Apart from low yields of the synthesized MPs with batch based cell-free synthesis, the challenges arise in the form of cytoskeleton elements and peripheral endogenous proteins surrounding the microsomes which may impede the functional analysis of the synthesized proteins. So careful sample processing after the synthesis is particularly important for developing the appropriate functional assays. Here we demonstrate how MPs (native and batch synthesized) from ER derived microsomes can be processed for functional analysis by electrophysiology and radioactive uptake assay methods. Treatment of the microsomal membranes either with a sucrose washing step in the case of human serotonin transporter (hSERT) and sarco/endoplasmic reticulum Ca2+/ATPase (SERCA) pump or with mild detergents followed by the preparation of proteoliposomes in the case of the human voltage dependent anionic channel (hVDAC1) helps to analyze the functional properties of MPs.}, language = {en} }