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Proteinmultischichten und Proteinmutanten für neuartige empfindliche Superoxidbiosensoren

Protein Multilayers and Protein Mutants for novel sensitive Superoxide Biosensors

  • Das Superoxidradikal kann mit fast allen Bestandteilen von Zellen reagieren und diese schädigen. Die medizinische Forschung stellte eine Beteiligung des Radikals an Krebs, Herzinfarkten und neuraler Degeneration fest. Ein empfindlicher Superoxidnachweis ist daher zum besseren Verständnis von Krankheitsverläufen wichtig. Dabei stellen die geringen typischen Konzentrationen und seine kurze Lebensdauer große Anforderungen. Ziel dieser Arbeit war es zum einen, zwei neuartige Proteinarchitekturen auf Metallelektroden zu entwickeln und deren elektrochemisches Ansprechverhalten zu charakterisieren. Zum anderen waren diese Elektroden zur empfindlichen quantitativen Superoxiddetektion einzusetzen. Im ersten Teil der Arbeit wurde eine Protein-Multischichtelektrode aus Cytochrom c und dem Polyelektrolyten Poly(anilinsulfonsäure) nach dem Layer-by-layer-Verfahren aufgebaut. Für zwei bis 15 Schichten an Protein wurde eine deutliche Zunahme an elektrodenaktivem Cytochrom c mit jedem zusätzlichen Aufbringungsschritt nachgewiesen. Die Zunahme verliefDas Superoxidradikal kann mit fast allen Bestandteilen von Zellen reagieren und diese schädigen. Die medizinische Forschung stellte eine Beteiligung des Radikals an Krebs, Herzinfarkten und neuraler Degeneration fest. Ein empfindlicher Superoxidnachweis ist daher zum besseren Verständnis von Krankheitsverläufen wichtig. Dabei stellen die geringen typischen Konzentrationen und seine kurze Lebensdauer große Anforderungen. Ziel dieser Arbeit war es zum einen, zwei neuartige Proteinarchitekturen auf Metallelektroden zu entwickeln und deren elektrochemisches Ansprechverhalten zu charakterisieren. Zum anderen waren diese Elektroden zur empfindlichen quantitativen Superoxiddetektion einzusetzen. Im ersten Teil der Arbeit wurde eine Protein-Multischichtelektrode aus Cytochrom c und dem Polyelektrolyten Poly(anilinsulfonsäure) nach dem Layer-by-layer-Verfahren aufgebaut. Für zwei bis 15 Schichten an Protein wurde eine deutliche Zunahme an elektrodenaktivem Cytochrom c mit jedem zusätzlichen Aufbringungsschritt nachgewiesen. Die Zunahme verlief linear und ergab bei 15 Schichten eine Zunahme der redoxaktiven Proteinmenge um deutlich mehr als eine Größenordnung. Während das formale Potential im Multischichtsystem sich im Vergleich zur Monoschichtelektrode nicht veränderte, wurde für die Kinetik eine Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Elektronentransfers von der Zahl der Proteinschichten beobachtet. Mit zunehmender Scangeschwindigkeit trat ein reversibler Kontaktverlust zu den äußeren Schichten auf. Die lineare Zunahme an elektroaktivem Protein mit steigender Zahl an Depositionsschritten unterscheidet sich deutlich von in der Literatur beschriebenen Protein/Polyelektrolyt-Multischichtelektroden, bei denen ab etwa 6-8 Schichten keine Zunahme an elektroaktivem Protein mehr festgestelltwurde. Auch ist bei diesen die Zunahme an kontaktierbaren Proteinmolekülen auf das Zwei- bis Fünffache limitiert. Diese Unterschiede des neu vorgestellten Systems zu bisherigen Multischichtassemblaten erklärt sich aus einem in dieser Arbeit für derartige Systeme erstmals beschriebenen Elektronentransfermechanismus. Der Transport von Elektronen zwischen der Elektrodenoberfläche und den Proteinmolekülen in den Schichten verläuft über einen Protein-Protein-Elektronenaustausch. Dieser Mechanismus beruht auf dem schnellen Selbstaustausch von Cytochrom c-Molekülen und einer verbleibenden Rotationsflexibilität des Proteins im Multischichtsystem. Die Reduzierung des Proteins durch das Superoxidradikal und eine anschließende Reoxidation durch die Elektrode konnten nachgewiesen werden. In einem amperometrischen Messansatz wurde das durch Superoxidradikale hervorgerufene elektrochemische Signal in Abhängigkeit von der Zahl an Proteinschichten gemessen. Ein maximales Ansprechverhalten auf das Radikal wurde mit 6-Schichtelektroden erzielt. Die Empfindlichkeit der 6-Schichtelektroden wurde im Vergleich zum Literaturwert der Monoschichtelektrode um Faktor 14, also mehr als eine Größenordnung, verbessert. Somit konnte eine Elektrode mit 6 Schichten aus Cytochrom c und Poly(anilinsulfonsäure) als neuartiger Superoxidsensor mit einer 14-fachen Verbesserung der Empfindlichkeit im Vergleich zum bislang benutzten System entwickelt werden. Der zweite Teil dieser Arbeit beschreibt die Auswahl, Gewinnung und Charakterisierung von Mutanten des Proteins Cu,Zn-Superoxiddismutase zur elektrochemischen Quantifizierung von Superoxidradikalen. Monomere Mutanten des humanen dimeren Enzyms wurden entworfen, die durch Austausch von Aminosäuren ein oder zwei zusätzliche Cysteinreste besaßen, mit welchem sie direkt auf der Goldelektrodenoberfläche chemisorbieren sollten. 6 derartige Mutanten konnten in ausreichender Menge und Reinheit in aktiver Form gewonnen werden. Die Bindung der Superoxiddismutase-Mutanten an Goldoberflächen konnte durch Oberflächen-plasmonresonanz und Impedanzspektroskopie nachgewiesen werden. Alle Mutanten wiesen einen quasi-reversiblen Elektronentransfer zwischen SOD und Elektrode auf. Durch Untersuchung von kupferfreien SOD-Mutanten sowie des Wildtyps konnte nachgewiesen werden, das die Mutanten über die eingefügten Cysteinreste auf der Elektrode chemisorptiv gebunden wurden und der Elektronentransfer zwischen der Elektrode und dem Kupfer im aktiven Zentrum der SOD erfolgte. Die Superoxiddismutase katalysiert die Zersetzung von Superoxidmolekülen durch Oxidation und durch Reduktion der Radikale. Somit sind beide Teilreaktionen von analytischem Interesse. Zyklovoltammetrisch konnte sowohl die Oxidation als auch die Reduktion des Radikals durch die immobilisierten Superoxiddismutase-Mutanten nachgewiesen werden. In amperometrischen Messanordnungen konnten beide Teilreaktionen zur analytischen Quantifizierung von Superoxidradikalen genutzt werden. Im positiven Potentialfenster wurde die Empfindlichkeit um einen Faktor von etwa 10 gegenüber der Cytochrom c–Monoschichtelektrode verbessert.show moreshow less
  • The superoxide radical can react with almost all components of a cell and thus damage them. Enzymatic and non-enzymatic scavengers remove it from the body. An implication of the radical in cancer, heart disease, and neuronal degredation has been found in medical research. Therefore, a sensitive quantification of superoxide is necessary for a better understanding of diseases as well as for the study of biological degradation processes. The aim of this work was to develop two new protein architectures on metal electrodes and to characterize their electrochemical behavior. Secondly, both electrodes were to be applied as superoxide biosensors. In the first part of the work, a protein multilayer electrode consisting of cytochrome c and the polyelectrolyte poly(aniline sulfonated acid) was built up by the layer-by-layer procedure. SPR experiments proved the formation of multilayers. For 2 to 15 protein layers, a significant increase in electroactive protein was found with every deposition step in a linear fashion. For 15 layers, thisThe superoxide radical can react with almost all components of a cell and thus damage them. Enzymatic and non-enzymatic scavengers remove it from the body. An implication of the radical in cancer, heart disease, and neuronal degredation has been found in medical research. Therefore, a sensitive quantification of superoxide is necessary for a better understanding of diseases as well as for the study of biological degradation processes. The aim of this work was to develop two new protein architectures on metal electrodes and to characterize their electrochemical behavior. Secondly, both electrodes were to be applied as superoxide biosensors. In the first part of the work, a protein multilayer electrode consisting of cytochrome c and the polyelectrolyte poly(aniline sulfonated acid) was built up by the layer-by-layer procedure. SPR experiments proved the formation of multilayers. For 2 to 15 protein layers, a significant increase in electroactive protein was found with every deposition step in a linear fashion. For 15 layers, this increase was found to be more than one order of magnitude. While the formal potential did not change for the proteins in the layers, the rate of electron transfer was found to be dependent on the number of layers deposited. With increased scanning speed, a reversible loss of contact to the outer layers was noted. The linear increase in electroactive protein loading differed significantly from protein/polyelectrolyte electrodes described in the literature, where after 6-8 layers no further increase was found. Additionally, these systems increase the number of electroactive protein molecules only by a factor of 2 to 5. These differences can be explained by an electron transfer mechanism which was demonstrated in this work for the first time. The transport of electrons between the electrode surface and the proteins in the layers takes place by a protein-protein electron transfer. This mechanism relies on the fast self-exchange of cytochrome c and a residual rotational flexibility of the protein molecules inside the structure. The reduction of the protein by the radical and its subsequent reoxidation by the electrode could be shown. In the amperometric mode, the sensor signal was determined for 2 to 15 layer electrodes. A maximum signal was found for 6 layers, where the sensitivity was improved by a factor of 14, compared to monolayer sensors. The second part of this work describes the selection, production and characterization of mutants of the protein Cu,Zn-superoxide dismutase and their application as superoxide sensors. Monomeric mutants of the human dimeric enzyme were designed, which contained one ore two additional cysteines in order to chemisorb directly onto gold surfaces. 6 such mutants were gained in sufficient amount and purity. The binding to gold was characterized by surface plasmon resonance studies. All mutants showed quasi-reversible electrochemistry on gold electrodes. Experiments with copper-free mutants and the wildtype enzyme proved that the mutants bind to gold via the additional cysteines, while the electron transfer takes place between the electrode and the active site copper. Superoxide dismutases catalyze the removal of superoxide by both oxidation and reduction. Thus, both partial reactions are of analytical interest. In cyclic voltammetry, both oxidation and reduction of the radical could be proved. In amperometric experiments, both reactions were used for a quantification of superoxide concentrations. In the positive potential window, the sensitivity was found to be increased by about one order of magnitude, as compared to the cytochrome c monolayer electrode. ----------- <b>Hinweis zum Copyright:</b>Einige Abbildungen dieser Arbeit sind in Artikeln des Verfassers in den Zeitschriften Angewandte Chemie, Angewandte Chemie International Edition, Analytical Chemisty und Elektroanalysis erschienen. Ihre Darstellung im Rahmen dieser Arbeit erfolgt auch online mit ausdrücklicher Genehmigung der Verlage.show moreshow less

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Metadaten
Author:Moritz Karl Beissenhirtz
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-5661
Advisor:Frieder W. Scheller
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2005
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2005/08/04
Release Date:2005/08/24
Tag:Biosensor; Cytochome c; Multilayers; Mutations; Superoxide Dismutase
GND Keyword:Biosensor; Superoxiddismutasen; Hyperoxide; Mutation; Cytochrom c; Polyelektrolyt
RVK - Regensburg Classification:WC 3429
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Biochemie und Biologie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie