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Unspecific peroxygenases (UPOs, EC 1.11.2.1) are fungal enzymes that catalyze the oxyfunctionalization of non-activated hydrocarbons, making them valuable biocatalysts. Despite the increasing interest in UPOs that has led to the identification of thousands of putative UPO genes, only a few of these have been successfully expressed and characterized.
There is currently no universal expression system in place to explore their full potential. Cell-free protein synthesis has proven to be a sophisticated technique for the synthesis of difficult-to-express proteins.
In this work, we aimed to establish an insect-based cell-free protein synthesis (CFPS) platform to produce UPOs. CFPS relies on translationally active cell lysates rather than living cells.
The system parameters can thus be directly manipulated without having to account for cell viability, thereby making it highly adaptable.
The insect-based lysate contains translocationally active, ER-derived vesicles, called microsomes.
These microsomes have been shown to allow efficient translocation of proteins into their lumen, promoting post-translational modifications such as disulfide bridge formation and N-glycosylations.
In this study the ability of a redox optimized, vesicle-based, eukaryotic CFPS system to synthesize functional UPOs was explored. The influence of different reaction parameters as well as the influence of translocation on enzyme activity was evaluated for a short UPO from Marasmius rotula and a long UPO from Agrocybe aegerita.
The capability of the CFPS system described here was demonstrated by the successful synthesis of a novel UPO from Podospora anserina, thus qualifying CFPS as a promising tool for the identification and evaluation of novel UPOs and variants thereof.
Dielektrophorese ist die Manipulation polarisierbarer Partikel durch inhomogene elektrische Wechselfelder. In dieser Arbeit wurden drei verschiedene Enzyme durch Dielektrophorese immobilisiert und anschließend hinsichtlich ihrer katalytischen Aktivität untersucht: Meerrettichperoxidase, Cholinoxidase aus Alcaligenes sp. und Glucoseoxidase aus Aspergillus niger. Die Immobilisierung erfolgte durch Dielektrophorese auf nano-Elektrodenarrays aus Wolfram-Zylindern mit 500 nm Durchmesser oder aus Titannitrid-Ringen mit 20 nm Breite. Die Immobilisierung der Enzyme konnte fluoreszenzmikroskopisch entweder anhand der intrinsischen Fluoreszenz oder aufgrund einer Fluoreszenzmarkierung vor oder nach der Immobilisierung für alle getesteten Enzyme nachgewiesen werden. Die Messung der Enzymaktivität erfolgte quantitativ durch den direkten oder indirekten Nachweis des gebildeten Produktes oder, im Falle der Cholinoxidase, durch Beobachtung der intrinsischen Fluoreszenz des Cofaktors FAD, die vom Oxidationszustand dieses Enzyms abhängt. Für die Meerrettichperoxidase konnte so eine hohe erhaltene Enzymaktivität nach der Immobilisierung nachgewiesen werden. Die Aktivität der permanent immobilisierten Fraktion der Meerrettichperoxidase entsprach bis zu 47 % der höchstmöglichen Aktivität einer Monolage dieses Enzyms auf den Elektroden des Chips. Diese Aktivität kann als aktive, aber zufällig gegenüber der Oberfläche ausgerichtete Enzymschicht interpretiert werden. Für die permanent immobilisierte Glucoseoxidase wurde nur eine Aktivität entsprechend <1,3 % der Aktivität einer solchen Enzymschicht detektiert, während für die immobilisierte Cholinoxidase gar keine Aktivität nachgewiesen werden konnte. Die Aktivität der durch DEP immobilisierten Enzyme konnte somit quantitativ bestimmt werden. Der Anteil an erhaltener Aktivität hängt dabei stark vom verwendeten Enzym ab.
Class IIa histone deacetylases (HDACs) show extremely low enzymatic activity and no commonly accepted endogenous substrate is known today. Increasing evidence suggests that these enzymes exert their effect rather through molecular recognition of acetylated proteins and recruiting other proteins like HDAC3 to the desired target location. Accordingly, class IIa HDACs like bromodomains have been suggested to act as “Readers” of acetyl marks, whereas enzymatically active HDACs of class I or IIb are called “Erasers” to highlight their capability to remove acetyl groups from acetylated histones or other proteins. Small-molecule ligands of class IIa histone deacetylases (HDACs) have gained tremendous attention during the last decade and have been suggested as pharmaceutical targets in several indication areas such as cancer, Huntington's disease and muscular atrophy. Up to now, only enzyme activity assays with artificial chemically activated trifluoroacetylated substrates are in use for the identification and characterization of new active compounds against class IIa HDACs. Here, we describe the first binding assay for this class of HDAC enzymes that involves a simple mix-and-measure procedure and an extraordinarily robust fluorescence lifetime readout based on [1,3]dioxolo[4,5-f]benzodioxole-based ligand probes. The principle of the assay is generic and can also be transferred to class I HDAC8.
Sortase A (SrtA) from Staphylococcus aureus has been often used for ligating a protein with other natural or synthetic compounds in recent years. Here we show that SrtA-mediated ligation (SML) is universally applicable for the linkage of two purely artificial building blocks. Silica nanoparticles (NPs), poly(ethylene glycol) and poly(N-isopropyl acrylamide) are chosen as synthetic building blocks. As a proof of concept, NP-polymer, NP-NP, and polymer-polymer structures are formed by SrtA catalysis. Therefore, the building blocks are equipped with the recognition sequence needed for SrtA reaction-the conserved peptide LPETG-and a pentaglycine motif. The successful formation of the reaction products is shown by means of transmission electron microscopy (TEM), matrix assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry (MALDI-ToF MS), and dynamic light scattering (DLS). The sortase catalyzed linkage of artificial building blocks sets the stage for the development of a new approach to link synthetic structures in cases where their synthesis by established chemical methods is complicated.
The heterogeneous nature of non-cellulosic polysaccharides, such as arabinoxylan, makes it difficult to correlate molecular structure with macroscopic properties. To study the impact of specific structural features of the polysaccharides on crystallinity or affinity to other cell wall components, collections of polysaccharides with defined repeating units are required. Herein, a chemoenzymatic approach to artificial arabinoxylan polysaccharides with systematically altered branching patterns is described. The polysaccharides were obtained by glycosynthase-catalyzed polymerization of glycosyl fluorides derived from arabinoxylan oligosaccharides. X-ray diffraction and adsorption experiments on cellulosic surfaces revealed that the physicochemical properties of the synthetic polysaccharides strongly depend on the specific nature of their substitution patterns. The artificial polysaccharides allow structure-property relationship studies that are not accessible by other means.
In this work, different strategies for the construction of biohybrid photoelectrodes are investigated and have been evaluated according to their intrinsic catalytic activity for the oxidation of the cofactor NADH or for the connection with the enzymes PQQ glucose dehydrogenase (PQQ-GDH), FAD-dependent glucose dehydrogenase (FAD-GDH) and fructose dehydrogenase (FDH). The light-controlled oxidation of NADH has been analyzed with InGaN/GaN nanowire-modified electrodes. Upon illumination with visible light the InGaN/GaN nanowires generate an anodic photocurrent, which increases in a concentration-dependent manner in the presence of NADH, thus allowing determination of the cofactor. Furthermore, different approaches for the connection of enzymes to quantum dot (QD)-modified electrodes via small redox molecules or redox polymers have been analyzed and discussed. First, interaction studies with diffusible redox mediators such as hexacyanoferrate(II) and ferrocenecarboxylic acid have been performed with CdSe/ZnS QD-modified gold electrodes to build up photoelectrochemical signal chains between QDs and the enzymes FDH and PQQ-GDH. In the presence of substrate and under illumination of the electrode, electrons are transferred from the enzyme via the redox mediators to the QDs. The resulting photocurrent is dependent on the substrate concentration and allows a quantification of the fructose and glucose content in solution. A first attempt with immobilized redox mediator, i.e. ferrocenecarboxylic acid chemically coupled to PQQ-GDH and attached to QD-modified gold electrodes, reveal the potential to build up photoelectrochemical signal chains even without diffusible redox mediators in solution. However, this approach results in a significant deteriorated photocurrent response compared to the situation with diffusing mediators. In order to improve the photoelectrochemical performance of such redox mediator-based, light-switchable signal chains, an osmium complex-containing redox polymer has been evaluated as electron relay for the electronic linkage between QDs and enzymes. The redox polymer allows the stable immobilization of the enzyme and the efficient wiring with the QD-modified electrode. In addition, a 3D inverse opal TiO2 (IO-TiO2) electrode has been used for the integration of PbS QDs, redox polymer and FAD-GDH in order to increase the electrode surface. This results in a significantly improved photocurrent response, a quite low onset potential for the substrate oxidation and a broader glucose detection range as compared to the approach with ferrocenecarboxylic acid and PQQ-GDH immobilized on CdSe/ZnS QD-modified gold electrodes. Furthermore, IO-TiO2 electrodes are used to integrate sulfonated polyanilines (PMSA1) and PQQ-GDH, and to investigate the direct interaction between the polymer and the enzyme for the light-switchable detection of glucose. While PMSA1 provides visible light excitation and ensures the efficient connection between the IO-TiO2 electrode and the biocatalytic entity, PQQ-GDH enables the oxidation of glucose. Here, the IO-TiO2 electrodes with pores of approximately 650 nm provide a suitable interface and morphology, which is required for a stable and functional assembly of the polymer and enzyme. The successful integration of the polymer and the enzyme can be confirmed by the formation of a glucose-dependent anodic photocurrent. In conclusion, this work provides insights into the design of photoelectrodes and presents different strategies for the efficient coupling of redox enzymes to photoactive entities, which allows for light-directed sensing and provides the basis for the generation of power from sun light and energy-rich compounds.
Mononuclear molybdoenzymes catalyze a broad range of redox reactions and are highly conserved in all kingdoms of life. This study addresses the question of how the Mo cofactor (Moco) is incorporated into the apo form of human sulfite oxidase (hSO) by using site-directed spin labeling to determine intramolecular distances in the nanometer range. Comparative measurements of the holo and apo forms of hSO enabled the localization of the corresponding structural changes, which are localized to a short loop (residues 263-273) of the Moco-containing domain. A flap-like movement of the loop provides access to the Moco binding-pocket in the apo form of the protein and explains the earlier studies on the in vitro reconstitution of apo-hSO with Moco. Remarkably, the loop motif can be found in a variety of structurally similar molybdoenzymes among various organisms, thus suggesting a common mechanism of Moco incorporation.
Die sensorisch einwandfreie, konstant gute Qualität von Backprodukten, die beim Verbraucher einen hohen Stellenwert hat, wird maßgeblich durch den Gehalt endogener Getreideenzyme beeinflusst. Seit dem Auftreten züchtungsbedingter Enzymdefizite ist der Einsatz technischer Enzyme zur Gewährleistung dieser geforderten Qualität eine feste Größe in der Backwarenindustrie. Lebensmittelrechtlich werden technische Enzyme nicht als Zutat betrachtet, da sie theoretisch während des Backprozesses umgesetzt werden und im Endprodukt keine technologische Wirkung mehr zeigen. Vor allem in gebackenen Produkten bedarf es der Prüfung, dass die eingesetzten technischen Enzyme nicht mehr als Zutat vorliegen und sich somit einer potentiellen Deklarationspflicht entziehen. Zur Gewährleistung der Wirtschaftlichkeit muss der quantitative Einsatz technischer Enzyme in der Backwarenindustrie gesteuert werden, um optimale Effekte zu erzielen und Kosten zu sparen. Ziel dieser Arbeit war daher die Entwicklung eines Analysenverfahrens, das den simultanen Nachweis verschiedener technischer Enzyme und deren Quantifizierung im Spurenbereich auch in gebackenen Produkten ermöglicht.
Für die Einschätzung der Wirkung der technischen Enzyme Fungamyl (Novozymes), Amylase TXL (ASA Spezialenzyme GmbH) sowie Lipase FE-01 (ASA Spezialenzyme GmbH) wurden Backversuche durchgeführt, die zeigten, dass Fungamyl und Amylase TXL zu einer verbesserten Brotqualität (Volumenausbeute, Feuchtegehalt, Sensorik) beitrugen. Die Zugabe der Lipase FE-01 führte zu einer vermehrten Bildung freier Fettsäuren und wirkte sich negativ auf die sensorische Brotqualität aus. Dieser bisher nicht beschriebene Effekt konnte auf die Nutzung eines Spezialöls als Backzutat zurückgeführt werden, welches ausschließlich aus gesättigten Fettsäuren besteht. Dies bestätigt die Bedeutung der Auswahl eines geeigneten Fettes beim Zusatz technischer Lipase zum Backprozess.
Um die in Fungamyl und Lipase FE-01 enthaltenen Enzyme zu identifizieren, wurden SDS-PAGE und anschließender In-Gel-Verdau angewendet um die Analyse proteolytisch gespaltener Proteine mit MALDI-TOF-MS zu ermöglichen. Es konnte gezeigt werden, dass Fungamyl ein Gemisch aus 9,8 % alpha-Amylase (Aspergillus oryzae) und 5,2 % Endo-1,4-Xylanase (Thermomyces lanuginosus) enthält. Lipase FE-01 besteht aus der Lipase (Thermomyces lanuginosus), Amylase TXL wurde als alpha-Amylase (Aspergillus oryzae) identifiziert.
Zur Analyse der technischen Enzyme in Backwaren wurde aufgrund seiner Robustheit und Sensitivität das Verfahren der LC-MS/MS gewählt. Die Entwicklung einer solchen Methode zur Detektion spezifischer Peptide ermöglichte den qualitativen Nachweis der 3 Enzyme alpha-Amylase (Aspergillus oryzae), Endo-1,4-Xylanase (Thermomyces lanuginosus) und Lipase (Thermomyces lanuginosus). Durch eine lineare Kalibrierung aus synthetisch hergestellten Peptiden unter Einbeziehung eines Protein-Internen-Standards sowie isotopenmarkierter Peptidstandards erfolgte darüber hinaus die quantitative Bestimmung in selbst hergestellten Referenzmaterialien (Weizenmehl, Toastbrot und Biskuitkeks). In weniger als 20 Minuten Messzeit kann das Enzym alpha-Amylase ab einer Konzentration von 2,58 mg/kg (Mehl, Keks), bzw. 7,61 mg/kg (Brot) quantitativ nachgewiesen werden. Zeitgleich können die Enzyme Endo-1,4-Xylanase ab einer Konzentration von 7,75 mg/kg (Brot), 3,64 mg/kg (Keks) bzw. 15,60 mg/kg (Mehl) sowie Lipase ab einer Konzentration von 1,26 mg/kg (Mehl, Keks), bzw. 2,68 mg/kg (Brot) quantifiziert werden. Die Methode wurde nach allgemein verwendeten Richtlinien im Zuge einer Validierung statistisch geprüft und lieferte sehr robuste und reproduzierbare quantitative Werte mit Wiederfindungsraten zwischen 50 % und 122 %. Das primäre Ziel dieser Arbeit, die Entwicklung eines quantitativen Multiparameterverfahrens zum Nachweis technischer Enzyme in Backwaren, wurde somit erfolgreich umgesetzt.