@phdthesis{Foerste2022,
  author    = {F{\"o}rste, Stefanie},
  title     = {Assemblierung von Proteinkomplexen in vitro und in vivo},
  doi       = {10.25932/publishup-55074},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-550742},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {x, 143, xxxviii},
  year      = {2022},
  abstract  = {Proteine sind an praktisch allen Prozessen in lebenden Zellen maßgeblich beteiligt. Auch in der Biotechnologie werden Proteine in vielf{\"a}ltiger Weise eingesetzt. Ein Protein besteht aus einer Kette von Aminos{\"a}uren. H{\"a}ufig lagern sich mehrere dieser Ketten zu gr{\"o}ßeren Strukturen und Funktionseinheiten, sogenannten Proteinkomplexen, zusammen. K{\"u}rzlich wurde gezeigt, dass eine Proteinkomplexbildung bereits w{\"a}hrend der Biosynthese der Proteine (co-translational) stattfinden kann und nicht stets erst danach (post-translational) erfolgt. Da Fehlassemblierungen von Proteinen zu Funktionsverlusten und adversen Effekten f{\"u}hren, ist eine pr{\"a}zise und verl{\"a}ssliche Proteinkomplexbildung sowohl f{\"u}r zellul{\"a}re Prozesse als auch f{\"u}r biotechnologische Anwendungen essenziell. Mit experimentellen Methoden lassen sich zwar u.a. die St{\"o}chiometrie und die Struktur von Proteinkomplexen bestimmen, jedoch bisher nicht die Dynamik der Komplexbildung auf unterschiedlichen Zeitskalen. Daher sind grundlegende Mechanismen der Proteinkomplexbildung noch nicht vollst{\"a}ndig verstanden. Die hier vorgestellte, auf experimentellen Erkenntnissen aufbauende, computergest{\"u}tzte Modellierung der Proteinkomplexbildung erlaubt eine umfassende Analyse des Einflusses physikalisch-chemischer Parameter auf den Assemblierungsprozess. Die Modelle bilden m{\"o}glichst realistisch die experimentellen Systeme der Kooperationspartner (Bar-Ziv, Weizmann-Institut, Israel; Bukau und Kramer, Universit{\"a}t Heidelberg) ab, um damit die Assemblierung von Proteinkomplexen einerseits in einem quasi-zweidimensionalen synthetischen Expressionssystem (in vitro) und andererseits im Bakterium Escherichia coli (in vivo) untersuchen zu k{\"o}nnen. Mit Hilfe eines vereinfachten Expressionssystems, in dem die Proteine nur an die Chip-Oberfl{\"a}che, aber nicht aneinander binden k{\"o}nnen, wird das theoretische Modell parametrisiert. In diesem vereinfachten in-vitro-System durchl{\"a}uft die Effizienz der Komplexbildung drei Regime - ein bindedominiertes Regime, ein Mischregime und ein produktionsdominiertes Regime. Ihr Maximum erreicht die Effizienz dabei kurz nach dem {\"U}bergang vom bindedominierten ins Mischregime und f{\"a}llt anschließend monoton ab. Sowohl im nicht-vereinfachten in-vitro- als auch im in-vivo-System koexistieren je zwei konkurrierende Assemblierungspfade: Im in-vitro-System erfolgt die Komplexbildung entweder spontan in w{\"a}ssriger L{\"o}sung (L{\"o}sungsassemblierung) oder aber in einer definierten Schrittfolge an der Chip-Oberfl{\"a}che (Oberfl{\"a}chenassemblierung); Im in-vivo-System konkurrieren hingegen die co- und die post-translationale Komplexbildung. Es zeigt sich, dass die Dominanz der Assemblierungspfade im in-vitro-System zeitabh{\"a}ngig ist und u.a. durch die Limitierung und St{\"a}rke der Bindestellen auf der Chip-Oberfl{\"a}che beeinflusst werden kann. Im in-vivo-System hat der r{\"a}umliche Abstand zwischen den Syntheseorten der beiden Proteinkomponenten nur dann einen Einfluss auf die Komplexbildung, wenn die Untereinheiten schnell degradieren. In diesem Fall dominiert die co-translationale Assemblierung auch auf kurzen Zeitskalen deutlich, wohingegen es bei stabilen Untereinheiten zu einem Wechsel von der Dominanz der post- hin zu einer geringen Dominanz der co-translationalen Assemblierung kommt. Mit den in-silico-Modellen l{\"a}sst sich neben der Dynamik u.a. auch die Lokalisierung der Komplexbildung und -bindung darstellen, was einen Vergleich der theoretischen Vorhersagen mit experimentellen Daten und somit eine Validierung der Modelle erm{\"o}glicht. Der hier pr{\"a}sentierte in-silico Ansatz erg{\"a}nzt die experimentellen Methoden, und erlaubt so, deren Ergebnisse zu interpretieren und neue Erkenntnisse davon abzuleiten.},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Winkler2013,
  author    = {Winkler, Henning},
  title     = {Synthese von thermoplastisch verarbeitbaren Fetts{\"a}ure-Acylderivaten der St{\"a}rke und Proteine},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-71089},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2013},
  abstract  = {In den vergangenen Jahren wurden stetig wachsende Produktionskapazit{\"a}ten von Biokunststoffen aus nachwachsenden Rohstoffe nverzeichnet. Trotz großer Produktionskapazit{\"a}ten und einem geeigneten Eigenschaftsprofil findet St{\"a}rke nur als hydrophile, mit Weichmachern verarbeitete thermoplastische St{\"a}rke (TPS) in Form von Blends mit z. B. Polyestern Anwendung. Gleiches gilt f{\"u}r Kunststoffe auf Proteinbasis. Die vorliegende Arbeit hat die Entwicklung von Biokunststoffen auf St{\"a}rkebasis zum Ziel, welche ohne externe Weichmacher thermoplastisch verarbeitbar und hydrophob sind sowie ein mechanisches Eigenschaftsprofil aufweisen, welches ein Potenzial zur Herstellung von Materialien f{\"u}r eine Anwendung als Verpackungsmittel bietet. Um die Rohstoffbasis f{\"u}r Biokunststoffe zu erweitern, soll das erarbeitete Konzept auf zwei industriell verf{\"u}gbare Proteintypen, Zein und Molkenproteinisolat (WPI), {\"u}bertragen werden. Als geeignete Materialklasse wurden Fetts{\"a}ureester der St{\"a}rke herausgearbeitet. Zun{\"a}chst fand ein Vergleich der S{\"a}urechlorid-Veresterung und der Umesterung von Fetts{\"a}urevinylestern statt, woraus letztere als geeignetere Methode hervorging. Durch Variation der Reaktionsparameter konnte diese optimiert und auf eine Serie der Fetts{\"a}urevinylester von Butanoat bis Stearat f{\"u}r DS-Werte bis zu 2,2-2,6 angewandt werden. M{\"o}glich war somit eine systematische Studie unter Variation der veresterten Fetts{\"a}ure sowie des Substitutionsgrades (DS). S{\"a}mtliche Produkte mit einem DS ab 1,5 wiesen eine ausgpr{\"a}gte L{\"o}slichkeit in organischen L{\"o}sungsmitteln auf wodurch sowohl die Aufnahme von NMR-Spektren als auch Molmassenbestimmung mittels Gr{\"o}ßenausschlusschromatographie mit gekoppelter Mehrwinkel-Laserlichtstreuung (GPC-MALLS) m{\"o}glich waren. Durch dynamische Lichtstreuung (DLS) wurde das L{\"o}slichkeitsverhalten veranschaulicht. S{\"a}mtliche Produkte konnten zu Filmen verarbeitet werden, wobei Materialien mit DS 1,5-1,7 hohe Zugfestigkeiten (bis zu 42 MPa) und Elastizit{\"a}tsmodule (bis 1390 MPa) aufwiesen. Insbesondere St{\"a}rkehexanoat mit DS <2 sowie St{\"a}rkebutanoat mit DS >2 hatten ein mechanisches Eigenschaftsprofil, welches insbesondere in Bezug auf die Festigkeit/Steifigkeit vergleichbar mit Verpackungsmaterialien wie Polyethylen war (Zugfestigkeit: 15-32 MPa, E-Modul: 300-1300 MPa). Zugfestigkeit und Elastizit{\"a}tsmodul nahmen mit steigender Kettenl{\"a}nge der veresterten Fetts{\"a}ure ab. Ester l{\"a}ngerkettiger Fetts{\"a}uren (C16-C18) waren spr{\"o}de. {\"U}ber Weitwinkel-R{\"o}ntgenstreuung (WAXS) und Infrarotspektroskopie (ATR-FTIR) konnte der Verlauf der Festigkeiten mit einer zunehmenden Distanz der St{\"a}rke im Material begr{\"u}ndet werden. Es konnten von DS und Kettenl{\"a}nge abh{\"a}ngige Glas{\"u}berg{\"a}nge detektiert werden, die kristallinen Strukturen der langkettigen Fetts{\"a}uren zeigten einen Schmelzpeak. Die Hydrophobie der Filme wurde anhand von Kontaktwinkeln >95° gegen Wasser dargestellt. Blends mit biobasierten Polyterpenen sowie den in der Arbeit hergestellten Zein-Acylderivaten erm{\"o}glichten eine weitere Verbesserung der Zugfestigkeit bzw. des Elastizit{\"a}tsmoduls hochsubstituierter Produkte. Eine thermoplastische Verarbeitung mittels Spritzgießen war sowohl f{\"u}r Produkte mit hohem als auch mittlerem DS-Wert ohne jeglichen Zusatz von Weichmachern m{\"o}glich. Es entstanden homogene, transparente Pr{\"u}fst{\"a}be. Untersuchungen der H{\"a}rte ergaben auch hier f{\"u}r St{\"a}rkehexanoat und -butanoat mit Polyethylen vergleichbare Werte. Ausgew{\"a}hlte Produkte wurden zu Fasern nach dem Schmelzspinnverfahren verarbeitet. Hierbei wurden insbesondere f{\"u}r hochsubstituierte Derivate homogenen Fasern erstellt, welche im Vergleich zur Gießfolie signifikant h{\"o}here Zugfestigkeiten aufwiesen. St{\"a}rkeester mit mittlerem DS ließen sich ebenfalls verarbeiten. Zun{\"a}chst wurden f{\"u}r eine {\"U}bertragung des Konzeptes auf die Proteine Zein und WPI verschiedene Synthesemethoden verglichen. Die Veresterung mit S{\"a}urechloriden ergab hierbei die h{\"o}chsten Werte. Im Hinblick auf eine gute L{\"o}slichkeit in organischen L{\"o}sungsmitteln wurde f{\"u}r WPI die Veresterung mit carbonyldiimidazol (CDI)-aktivierten Fetts{\"a}uren in DMSO und f{\"u}r Zein die Veresterung mit S{\"a}u-rechloriden in Pyridin bevorzugt. Es stellte sich heraus, dass acyliertes WPI zwar hydrophob, jedoch ohne Weichmacher nicht thermoplastisch verarbeitet werden konnte. Die Erstellung von Gießfolien f{\"u}hrte zu Spr{\"o}dbruchverhalten. Unter Zugabe der biobasierten {\"O}ls{\"a}ure wurde die Anwendung von acyliertem WPI als thermoplastischer Filler z. B. in Blends mit St{\"a}rkeestern dargestellt. Im Gegensatz hierzu zeigte acyliertes Zein Glas{\"u}berg{\"a}nge <100 °C bei ausreichender Stabilit{\"a}t (150-200 °C). Zeinoleat konnte ohne Weichmacher zu einer transparenten Gießfolie verarbeitet werden. S{\"a}mtliche Derivate erwiesen sich als ausgepr{\"a}gt hydrophob. Zeinoleat konnte {\"u}ber das Schmelzspinnverfahren zu thermoplastischen Fasern verarbeitet werden.},
  language  = {de}
}