TY - THES A1 - Wegerich, Franziska T1 - Engineered human cytochrome c : investigation of superoxide and protein-protein interaction and application in bioelectronic systems T1 - Gentechnisch verändertes humanes Cytochrom c :Untersuchungen von Superoxid und Protein-Protein-Interaktionen sowie der Anwendung in bioelektronischen Systemen N2 - The aim of this thesis is the design, expression and purification of human cytochrome c mutants and their characterization with regard to electrochemical and structural properties as well as with respect to the reaction with the superoxide radical and the selected proteins sulfite oxidase from human and fungi bilirubin oxidase. All three interaction partners are studied here for the first time with human cyt c and with mutant forms of cyt c. A further aim is the incorporation of the different cyt c forms in two bioelectronic systems: an electrochemical superoxide biosensor with an enhanced sensitivity and a protein multilayer assembly with and without bilirubin oxidase on electrodes. The first part of the thesis is dedicated to the design, expression and characterization of the mutants. A focus is here the electrochemical characterization of the protein in solution and immobilized on electrodes. Further the reaction of these mutants with superoxide was investigated and the possible reaction mechanisms are discussed. In the second part of the work an amperometric superoxide biosensor with selected human cytochrome c mutants was constructed and the performance of the sensor electrodes was studied. The human wild-type and four of the five mutant electrodes could be applied successfully for the detection of the superoxide radical. In the third part of the thesis the reaction of horse heart cyt c, the human wild-type and seven human cyt c mutants with the two proteins sulfite oxidase and bilirubin oxidase was studied electrochemically and the influence of the mutations on the electron transfer reactions was discussed. Finally protein multilayer electrodes with different cyt form including the mutant forms G77K and N70K which exhibit different reaction rates towards BOD were investigated and BOD together with the wild-type and engineered cyt c was embedded in the multilayer assembly. The relevant electron transfer steps and the kinetic behavior of the multilayer electrodes are investigated since the functionality of electroactive multilayer assemblies with incorporated redox proteins is often limited by the electron transfer abilities of the proteins within the multilayer. The formation via the layer-by-layer technique and the kinetic behavior of the mono and bi-protein multilayer system are studied by SPR and cyclic voltammetry. In conclusion this thesis shows that protein engineering is a helpful instrument to study protein reactions as well as electron transfer mechanisms of complex bioelectronic systems (such as bi-protein multilayers). Furthermore, the possibility to design tailored recognition elements for the construction of biosensors with an improved performance is demonstrated. N2 - Ziel dieser Arbeit ist es genetisch veränderte Formen von humanem Cytochrom c herzustellen und diese einerseits hinsichtlich der Reaktion mit dem Sauerstoff-Radikal Superoxid aber auch mit anderen Proteinen zu untersuchen. Zusätzlich sollen die verschiedenen Protein-Mutanten in neuartige bioelektronische Systeme eingebracht werden. Es wurden insgesamt 20 Cytochrome c Mutanten designt, rekombinant exprimiert und aufgereinigt. Es konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass sich die Reaktion von Cytochrom c mit dem negativ geladenen Superoxid durch gezielte Mutationen, die zusätzliche positive Ladungen in das Molekül bringen, um bis zu 30 % erhöhen lässt. Es wurde aber auch deutlich, dass andere Eigenschaften des Proteins sowie dessen Struktur durch die Mutationen geändert werden können. Cytochrom c Mutanten mit einer erhöhten Reaktionsrate mit Superoxid konnten erfolgreich in einen Superoxid-Biosensor mit erhöhter Sensitivität eingebracht werden. Weiterhin wurde einige Mutanten hinsichtlich Ihrer Interaktion mit den zwei Enzymen Sulfitoxidase und Bilirubinoxidase untersucht. Hier konnten ebenfalls unterschiedliche Reaktivitäten festgestellt werden. Schließlich wurden ausgewählte Protein-Varianten mit und ohne den zuvor untersuchten Enzymen in ein Multischicht-Elektroden-System eingebettet und dessen kinetisches Verhalten untersucht. Es wurde gefunden, dass die Schnelligkeit mit der Cytochrom c mit sich selbst Elektronen austauschen kann, eine Limitierung der Größenordnung der katalytischen Ströme darstellt. Diese Selbstaustausschrate wurde durch die eingeführten Mutationen verändert. So verdeutlicht diese Arbeit, dass „Protein-Engineering“ ein gutes Hilfsmittel sein kann, um einerseits Proteinreaktionen und komplexe Elektronentransferreaktionen in Multischichten zu untersuchen, aber auch ein potentes Werkzeug darstellt mit dem zugeschnittene Biokomponenten für Sensoren mit erhöhter Leistungsfähigkeit generiert werden können. KW - Cytochrom c KW - Protein-Engineering KW - Elektrochemie KW - Biosensor KW - Superoxid KW - cytochrome c KW - protein engineering KW - electrochemistry KW - biosensor KW - superoxide Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-50782 ER - TY - THES A1 - Brechun, Katherine E. T1 - Development and application of genetic networks for engineering photo-controlled proteins T1 - Die Entwicklung und Anwendung von genetischen Netzwerken zur Konstruktion von licht-schaltbaren Proteinen N2 - Light-switchable proteins are being used increasingly to understand and manipulate complex molecular systems. The success of this approach has fueled the development of tailored photo-switchable proteins, to enable targeted molecular events to be studied using light. The development of novel photo-switchable tools has to date largely relied on rational design. Complementing this approach with directed evolution would be expected to facilitate these efforts. Directed evolution, however, has been relatively infrequently used to develop photo-switchable proteins due to the challenge presented by high-throughput evaluation of switchable protein activity. This thesis describes the development of two genetic circuits that can be used to evaluate libraries of switchable proteins, enabling optimization of both the on- and off-states. A screening system is described, which permits detection of DNA-binding activity based on conditional expression of a fluorescent protein. In addition, a tunable selection system is presented, which allows for the targeted selection of protein-protein interactions of a desired affinity range. This thesis additionally describes the development and characterization of a synthetic protein that was designed to investigate chromophore reconstitution in photoactive yellow protein (PYP), a promising scaffold for engineering photo-controlled protein tools. N2 - Licht ist eins der wichtigsten Impulse für Lebewesen, denn es dient Energie- und Informationsquelle. Folglich haben Organismen verschiedene Mechanismen entwickelt, um Licht wahrzunehmen und darauf zu reagieren. Pflanzen zum Beispiel haben Proteine, die auf Licht reagieren und dabei einen Prozess auslösen, der dazu führt, dass die Pflanze in Richtung der Sonne wächst. Es wurde Anfang 2000 gezeigt, dass solche licht-reagierende Proteine als wertvolle molekulare Werkzeuge in der Biotechnologie benutzt werden können. Wenn man Licht benutzten kann, um einen molekularen Prozess zu aktivieren (beziehungsweise zu inaktivieren), kann dessen Prozess mit sehr genauer Kontrolle untersucht werden. Manche natürlich vorhandene licht-reagierende Proteine können direkt als licht-schaltbare Werkzeuge benutzt werden, aber häufig müssen solche Proteine geändert werden, um ihre Funktion anzupassen. Eine sehr erfolgreiche Herangehensweise, um die Funktion eines Proteins zu ändern, ist die Herstellung und anschließende Auswertung von Protein-Bibliotheken. Diese Methode nennt sich gerichtete Evolution (engl.: directed evolution). Eine Protein-Bibliothek wird durch die ungezielte Einführung von Mutationen im Gen eines Proteins hergestellt. Die daraus entstandene Sammlung von Proteinen (in der Regel Millionen oder Milliarden) wird danach ausgewertet, um verbesserte Mutanten des Proteins zu identifizieren. Die Auswertung erfolgt mithilfe eines Hochdurchsatz-Screening- oder Selektionssystems. Ein solches System ermöglicht es, Zellen mit Proteinen, die eine gewünschte Funktion trägen, zu identifizieren. Die Entwicklung und Optimierung von licht-schaltbaren Proteinen stellt eine besondere Herausforderung dar; die Aktivität des Proteins muss in einem Zustand (zum Beispiel unter Licht) verbessert werden und im entgegengesetzten Zustand (Dunkelheit) verhindert werden. Darüber hinaus mangelt es an Methoden, die die Hochdurchsatz-Auswertung von schaltbaren Proteinfunktion ermöglichen, welches die Anwendung von gerichteter Evolution verhindert. Das Forschungsgebiet der licht-schaltbaren Proteine würde von der Entwicklung von Systemen profitieren, die die Hochdurchsatz-Auswertung von schaltbaren Proteinfunktion ermöglicht. Diese Dissertation beschreibt die Entwicklung und Optimierung von zwei Systemen, die die Hochdurchsatz-Auswertung von schaltbaren Proteinfunktion ermöglicht. Das erste System verbindet die Produktion eines fluoreszierenden Proteins mit der Aktivität eines licht-schaltbaren Proteins, sodass Information über die Aktivität des Proteins erhalten wird. Das zweite System ermöglicht die Selektion von Protein-Protein-Interaktionen mit gezielter Affinität. Diese Dissertation beschreibt zusätzlich die Untersuchung vom licht-reagierenden Protein Photoactive Yellow Protein (PYP). Auf Grund der großen licht-induzierten strukturellen Veränderungen, ist PYP ein nützliches Proteingerüst zur Entwicklung von licht-schaltbaren Proteinen. In dieser Arbeit wurde die enzymatische Synthese vom PYP Chromophormolekül optimiert. Darüber hinaus wurde die Wiederherstellung von PYP-basierten synthetischen Proteinen zum ersten Mal mit enzymatisch-produziertem Chromophor gezeigt. KW - genetic circuits KW - protein engineering KW - photoactive proteins KW - photoactive yellow protein (PYP) KW - genetische Netzwerke KW - Protein-Engineering KW - licht-schaltbare Proteine Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-430924 ER -