@phdthesis{CalzadiazRamirez2020,
  author    = {Calzadiaz Ramirez, Liliana},
  title     = {Engineering highly efficient NADP-dependent formate dehydrogenases using a NADPH biosensor Escherichia coli strain},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {114},
  year      = {2020},
  abstract  = {NADPH is an essential cofactor that drives biosynthetic reactions in all living organisms. It is a reducing agent and thus electron donor of anabolic reactions that produce major cellular components as well as many products in biotechnology. Indeed, the engineering of metabolic pathways for the production of many products is often limited by the availability of NADPH. One common strategy to address this issue is to swap cofactor specificity from NADH to NADPH of enzymes. However, this process is time consuming and challenging because multiple parameters need to be engineered in parallel. Therefore, the first aim of this project is to establish an efficient metabolic biosensor to select enzymes that can reduce NADP+. An NADPH auxotroph strain was constructed by deleting major reactions involved in NADPH biosynthesis in E. coli's central carbon metabolism with the exception of 6-phosphogluconate dehydrogenase. To validate this strain, two enzymes were tested in the presence of several carbon sources: a dihydrolipoamide dehydrogenase variant of E. coli harboring seven mutations and a formate dehydrogenase (FDH) from Mycobacterium vaccae N10 harboring four mutations were found to support NADPH biosynthesis and growth. The strain was subjected to adaptive laboratory evolution with the goal of testing its robustness under different carbon sources. Our evolution experiment resulted in the random mutagenesis of the malic enzyme (maeA), enabling it to produce NADPH. The additional deletion of maeA rendered a more robust second-generation biosensor strain for NADP+ reduction. We devised a structure-guided directed evolution approach to change cofactor specificity in Pseudomonas sp. 101 FDH. To this end, a library of >106 variants was tested using in vivo selection. Compared to the best engineered enzymes reported, our best variant carrying five mutations shows 5-fold higher catalytic efficiency and 13-fold higher specificity towards NADP+, as well as 2-fold higher affinity towards formate. In conclusion, we demonstrate the potential of in vivo selection and evolution-guided approaches to develop better NADPH biosensors and to engineer cofactor specificity by the simultaneous improvement of multiple parameters (kinetic efficiency with NADP+, specificity towards NADP+, and affinity towards formate), which is a major challenge in protein engineering due to the existence of tradeoffs and epistasis.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Michaelis2022,
  author    = {Michaelis, Marcus},
  title     = {Molekulare Erkennung von Cellulose und Cellulose-Fragmenten durch Cellulose-Bindemodule \& Interaktionsstudien zwischen den zytoplasmatischen Dom{\"a}nen von Integrin-β1/β3 und dem fokalen Adh{\"a}sionsprotein Paxillin},
  doi       = {10.25932/publishup-55516},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-555162},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {VI, 171},
  year      = {2022},
  abstract  = {Proteine erf{\"u}llen bei einer Vielzahl von Prozessen eine essenzielle Rolle. Um diese Funktionsweisen zu verstehen, bedarf es der Aufkl{\"a}rung derer Struktur und deren Bindungsverhaltens mit anderen Molek{\"u}len wie Proteinen, Peptiden, Kohlenhydraten oder kleinen Molek{\"u}len. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden der Wildtyp und die Punktmutante N126W eines Kohlenhydrat-bindenden Proteins aus dem hitzestabilen Bakterium C. thermocellum untersucht, welches Teil eines Komplexes ist, der Kohlenhydrate wie Cellulose erkennen, binden und abbauen kann. Dazu wurde dieses Protein mit E.coli Bakterien hergestellt und durch Metallchelat- und Gr{\"o}ßenausschlusschromatographie gereinigt. Die Proteine konnten isotopenmarkiert mittels Kernspinresonanz-Spektroskopie (NMR) untersucht werden. H/D-Austauschexperimente zeigten leicht und schwer zug{\"a}ngliche Stellen im Protein f{\"u}r eine m{\"o}gliche Ligandenwechselwirkung. Anschließend konnte eine Interaktion beider Proteine mit Cellulosefragmenten festgestellt werden. Diese interagieren {\"u}ber zwischenmolekulare Kr{\"a}fte mit den Seitenketten von aromatischen Aminos{\"a}uren und {\"u}ber Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen mit anderen Resten. Weiterhin wurde die Calcium-Bindestelle analysiert und es konnte gezeigt werden, das diese nach der Proteinherstellung mit einem Calcium-Ion besetzt ist und dieses mit dem Komplexbildner EDTA entfernbar ist, jedoch wieder reversibel besetzt werden kann. Zum Schluss wurde mittels zweier Methoden versucht (grafting from und grafting to), das Protein mit einem temperatursensorischen Polymer (Poly-N-Isopropylacrylamid) zu koppeln, um so Eigenschaften wie L{\"o}slichkeit oder Stabilit{\"a}t zu beeinflussen. Es zeigte sich, das w{\"a}hrend die grafting from Methode (Polymer w{\"a}chst direkt vom Protein) zu einer teilweisen Entfaltung und Destabilisierung des Proteins f{\"u}hrte, bei der grafting to Methode (Polymer wird separat hergestellt und dann an das Protein gekoppelt) das Protein seine Stabilit{\"a}t behielt und nur wenige Polymerketten angebaut waren. Der zweite Teil dieser Arbeit besch{\"a}ftigte sich mit der Interaktion von zwei LIM-Dom{\"a}nen des Proteins Paxillin und der zytoplasmatischen Dom{\"a}ne der Peptide Integrin-β1 und Integrin-β3. Diese spielen eine wichtige Rolle bei der Bewegung von Zellen. Dabei interagieren sie mit einer Vielzahl an anderen Proteinen, um fokale Adh{\"a}sionen (Multiproteinkomplexe) zu bilden. Bei der Herstellung des Peptids Integrin-β3 zeigte sich durch Gr{\"o}ßenausschlusschromatographie und Massenspektrometrie ein Abbau, bei dem verschiedene Aminos{\"a}uregruppen abgespalten werden. Dieser konnte durch eine Zugabe des Serinprotease-Inhibitors AEBSF verhindert werden. Anschließend wurde die direkte Interaktion der Proteine untereinander mittels NMR untersucht. Dabei zeigte sich, das Integrin-β1 und Integrin-β3 an die gleiche Position binden, n{\"a}mlich an den flexiblen Loop der LIM3-Dom{\"a}ne von Paxillin. Die Dissoziationskonstanten zeigten, dass Integrin-β1 mit einer zirka zehnfach h{\"o}heren Affinit{\"a}t im Vergleich zu Integrin-β3 an Paxillin bindet. W{\"a}hrend Paxillins Bindestelle an Integrin-β1 in der Mitte des Peptids liegt, ist bei Integrin-β3 der C-Terminus essenziell. Daher wurden die drei C-terminalen Aminos{\"a}uren entfernt und erneut Bindungsstudien durchgef{\"u}hrt, welche gezeigt haben, das die Affinit{\"a}t dadurch fast vollst{\"a}ndig unterbunden wurde. Final wurde der flexible Loop der LIM3-Dom{\"a}ne in zwei andere Aminos{\"a}uresequenzen mutiert, um die Bindung auf der Paxillin-Seite auszul{\"o}schen. Jedoch zeigten sowohl Zirkulardichroismus-Spektroskopie als auch NMR-Spektroskopie, dass die Mutationen zu einer teilweisen Entfaltung der Dom{\"a}ne gef{\"u}hrt haben und somit nicht als geeignete Kandidaten f{\"u}r diese Studien identifiziert werden konnten.},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Kuecuekgoeze2019,
  author    = {K{\"u}{\c{c}}{\"u}kg{\"o}ze, G{\"o}khan},
  title     = {Purification and characterization of mouse aldehyde oxidases},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {xiv, 125},
  year      = {2019},
  abstract  = {Mouse aldehyde oxidases (mAOXs) have a homodimeric structure and belong to xanthine oxidase family of molybdo-flavoenzymes. In general, each dimer is characterized by three subdomains: a 20 kDa N-terminal 2x[2Fe2S] cluster containing domain, a 40 kDa central FAD-containing domain and an 85 kDa C-terminal molybdenum cofactor (Moco) containing domain. Aldehyde oxidases have a broad substrate specificity including the oxidation of different aldehydes and N-heterocyclic compounds. AOX enzymes are present in mainly all eukaryotes. Four different homologs of AOX were identified to be present with varying numbers among species and rodents like mice and rats contain the highest number of AOX isoenzymes. There are four identified homologs in mouse named mAOX1, mAOX3, mAOX2, and mAOX4. The AOX homologs in mice are expressed in a tissue-specific manner. Expression of mAOX1 and mAOX3 are almost superimposable and predominantly synthesized in liver, lung, and testis. The richest source of mAOX4 is the Harderian gland, which is found within the eye's orbit in tetrapods. Expression of mAOX2 is strictly restricted to the Bowman's gland, the main secretory organ of the nasal mucosa. In this study, the four catalytically active mAOX enzymes were expressed in a heterologous expression system in Escherichia coli and purified in a catalytically active form. Thirty different structurally related aromatic, aliphatic and N-heterocyclic compounds were used as substrates, and the kinetic parameters of all four mAOX enzymes were directly compared. The results showed that all enzymes can catalyze a broad range of substrates. Generally, no major differences between mAOX1, mAOX3 and mAOX2 were identified and the substrate specificity of mAOX1, mAOX3, and mAOX2 was broader compared to that of mAOX4 since mAOX4 showed no activity with substrates like methoxy-benzaldehydes, phenanthridine, N1-methyl-nicotinamide, and cinnamaldehyde and 4-(dimethylamino)cinnamaldehyde. We investigated differences at the flavin site of the mAOX enzymes by measuring the ability of the four mAOX enzymes to oxidize NADH in the absence of oxygen. NADH was able to reduce only mAOX3. The four mouse AOXs are also characterized by quantitative differences in their ability to produce superoxide radicals. mAOX2 is the enzyme generating the largest rate of superoxide radicals of around 40\% in relation to moles of substrate converted and it is followed by mAOX1 with a ratio of 30\%. To understand the factors that contribute to the substrate specificity of mAOX4, site-directed mutagenesis was applied to substitute amino acids in the substrate-binding funnel by the ones present in mAOX1, mAOX3, and mAOX2. The amino acids Val1016, Ile1018 and Met1088 were selected as targets. An increase in activity was obtained by the amino acid exchange M1088V in the active site identified to be specific for mAOX4, to the amino acid identified in mAOX3.},
  language  = {en}
}