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Rubisco catalyses the first step of CO2 assimilation into plant biomass. Despite its crucial role, it is notorious for its low catalytic rate and its tendency to fix O2 instead of CO2, giving rise to a toxic product that needs to be recycled in a process known as photorespiration. Since almost all our food supply relies on Rubisco, even small improvements in its specificity for CO2 could lead to an improvement of photosynthesis and ultimately, crop yield. In this work, we attempted to improve photosynthesis by decreasing photorespiration with an artificial CCM based on a fusion between Rubisco and a carbonic anhydrase (CA).
A preliminary set of plants contained fusions between one of two CAs, bCA1 and CAH3, and the N- or C-terminus of RbcL connected by a small flexible linker of 5 amino acids. Subsequently, further fusion proteins were created between RbcL C-terminus and bCA1/CAH3 with linkers of 14, 23, 32, and 41 amino acids. The transplastomic tobacco plants carrying fusions with bCA1 were able to grow autotrophically even with the shortest linkers, albeit at a low rate, and accumulated very low levels of the fusion protein. On the other hand, plants carrying fusions with CAH3 were autotrophic only with the longer linkers. The longest linker permitted nearly wild-type like growth of the plants carrying fusions with CAH3 and increased the levels of fusion protein, but also of smaller degradation products.
The fusion of catalytically inactive CAs to RbcL did not cause a different phenotype from the fusions with catalytically active CAs, suggesting that the selected CAs were not active in the fusion with RbcL or their activity did not have an effect on CO2 assimilation. However, fusions to RbcL did not abolish RbcL catalytic activity, as shown by the autotrophic growth, gas exchange and in vitro activity measurements. Furthermore, Rubisco carboxylation rate and specificity for CO2 was not altered in some of the fusion proteins, suggesting that despite the defect in RbcL folding or assembly caused by the fusions, the addition of 60-150 amino acids to RbcL does not affect its catalytic properties. On the contrary, most growth defects of the plants carrying RbcL-CA fusions are related to their reduced Rubisco content, likely caused by impaired RbcL folding or assembly. Finally, we found that fusions with RbcL C-terminus were better tolerated than with the N-terminus, and increasing the length of the linker relieved the growth impairment imposed by the fusion to RbcL. Together, the results of this work constitute considerable relevant findings for future Rubisco engineering.
Hintergrund: Etablierte Protein- und Nukleinsäure-basierte Methoden für den spezifischen Pathogennachweis sind nur unter standardisierten Laborbedingungen von geschultem Personal durchführbar und daher mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand verbunden. In der Nukleinsäure-basierten Diagnostik kann durch die Einführung der isothermalen Amplifikation eine schnelle und kostengünstige Alternative zur Polymerase-Kettenreaktion (PCR) verwendet werden. Die Loop-mediated isothermal amplification (LAMP) bietet aufgrund der hohen Amplifikationseffizienz vielfältige Detektionsmöglichkeiten, die sowohl für Schnelltest- als auch für Monitoring-Anwendungen geeignet sind.
Ein wesentliches Ziel dieser Arbeit war die Verbesserung der Anwendbarkeit der LAMP und die Entwicklung einer neuen Methode für den einfachen, schnellen und günstigen Nachweis von Pathogenen mittels alternativer DNA- oder Pyrophosphat-abhängiger Detektionsverfahren. Hier wurden zunächst direkte und indirekte Detektionsmethoden untersucht und darauf aufbauend ein Verfahren entwickelt, mit dem neue Metallionen-abhängige Fluoreszenzfarbstoffe für die selektive Detektion von Pyrophosphat in der LAMP und anderen enzymatischen Reaktionen identifiziert werden können. Als Alternative für die DNA-basierte Detektion in der digitalen LAMP sollten die zuvor etablierten Farbstoffe für den Pyrophosphatnachweis in einer Emulsion getestet werden. Abschließend wurde ein neuer Reaktionsmechanismus für die effiziente Generierung hochmolekularer DNA unter isothermalen Bedingungen als Alternative zur LAMP entwickelt.
Ergebnisse: Für den Nachweis RNA- und DNA-basierter Phythopathogene konnte die Echtzeit- und Endpunktdetektion mit verschiedenen Farbstoffen in einem geschlossenen System etabliert werden. Hier wurde Berberin als DNA-interkalierender Fluoreszenzfarbstoff mit vergleichbarer Sensitivität zu SYBR Green und EvaGreen erfolgreich in der LAMP mit Echtzeitdetektion eingesetzt. Ein Vorteil von Berberin gegenüber den anderen Farbstoffen ist die Toleranz der DNA-Polymerase auch bei hohen Farbstoffkonzentrationen. Berberin kann daher auch in der geschlossenen LAMP-Reaktion ohne zusätzliche Anpassung der Reaktionsbedingungen für die Endpunktdetektion verwendet werden. Darüber hinaus konnte Hydroxynaphtholblau (HNB), das für den kolorimetrischen Endpunktnachweis bekannt ist, erstmals auch für die fluorimetrische Detektion der LAMP in Echtzeit eingesetzt werden. Zusätzlich konnten in der Arbeit weitere Metallionen-abhängige Farbstoffe zur indirekten Detektion der LAMP über das Pyrophosphat identifiziert werden. Dafür wurde eine iterative Methode entwickelt, mit der potenzielle Farbstoffe hinsichtlich ihrer Enzymkompatibilität und ihrer spektralen Eigenschaften bei An- oder Abwesenheit von Manganionen selektiert werden können. Mithilfe eines kombinatorischen Screenings im Mikrotiterplattenformat konnte die komplexe Konzentrationsabhängigkeit zwischen den einzelnen Komponenten für einen fluorimetrischen Verdrängungsnachweis untersucht werden. Durch die Visualisierung des Signal-Rausch-Verhältnis’ als Intensitätsmatrix (heatmap) konnten zunächst Alizarinrot S und Tetrazyklin unter simulierten Reaktionsbedingungen selektiert werden. In der anschließenden enzymatischen LAMP-Reaktion konnte insbesondere Alizarinrot S als günstiger, nicht-toxischer und robuster Fluoreszenzfarbstoff identifiziert werden und zeigte eine Pyrophosphat-abhängige Zunahme der Fluoreszenzintensität. Die zuvor etablierten Farbstoffe (HNB, Calcein und Alizarinrot S) konnten anschließend erfolgreich für die indirekte, fluorimetrische Detektion von Pyrophosphat in einer LAMP-optimierten Emulsion eingesetzt werden. Die Stabilität und Homogenität der generierten Emulsion wurde durch den Zusatz des Emulgators Poloxamer 188 verbessert. Durch die fluoreszenzmikroskopische Analyse der Emulsion war eine eindeutige Diskriminierung der positiven und negativen Tröpfchen vor allem bei Einsatz von Calcein und Alizarinrot S möglich. Aufgrund des komplexen Primer-Designs und der hohen Wahrscheinlichkeit unspezifischer Amplifikation in der LAMP wurde eine neue Bst DNA-Polymerase-abhängige isothermale Amplifikationsreaktion entwickelt. Durch die Integration einer spezifischen Linkerstruktur (abasische Stelle oder Hexaethylenglykol) zwischen zwei Primersequenzen konnte ein bifunktioneller Primer die effiziente Regenerierung der Primerbindungsstellen gewährleisten. Der neue Primer induziert nach der spezifischen Hybridisierung auf dem Templat die Rückfaltung zu einer Haarnadelstruktur und blockiert gleichzeitig die Polymeraseaktivität am Gegenstrang, wodurch eine autozyklische Amplifikation trotz konstanter Reaktionstemperatur möglich ist. Die Effizienz der „Hinge-initiated Primer dependent Amplification“ (HIP) konnte abschließend durch die Verkürzung der Distanz zwischen einem modifizierten Hinge-Primer und einem PCR-ähnlichen Primer verbessert werden.
Schlussfolgerung: Die LAMP hat sich aufgrund der hohen Robustheit und Effizienz zu einer leistungsfähigen Alternative für die klassische PCR in der molekularbiologischen Diagnostik entwickelt. Unterschiedliche Detektionsverfahren verbessern die Leistungsfähigkeit der qualitativen und quantitativen LAMP für die Feldanwendungen und für die Diagnostik, da die neuen DNA- und Pyrophosphat-abhängigen Nachweismethoden in einer geschlossenen Reaktion eingesetzt werden können und so eine einfache Pathogendiagnostik ermöglichen. Die gezeigten Methoden können darüber hinaus zu einer Kostensenkung und Zeitersparnis gegenüber den herkömmlichen Methoden beitragen. Ein attraktives Ziel stellt die Weiterentwicklung der HIP für den Pathogennachweis als Alternative zur LAMP dar. Hierbei können die neuen LAMP-Detektionsverfahren ebenfalls Anwendung finden. Die Verwendung von Bst DNA-Polymerase-abhängigen Reaktionen ermöglicht darüber hinaus die Integration einer robusten isothermalen Amplifikation in mikrofluidische Systeme. Durch die Kombination der Probenvorbereitung, Amplifikation und Detektion sind zukünftige Anwendungen mit kurzer Analysezeit und geringem apparativen Aufwand insbesondere in der Pathogendiagnostik möglich.
Natural products and their derivatives have always been a source of drug leads. In particular, bacterial compounds have played an important role in drug development, for example in the field of antibiotics. A decrease in the discovery of novel leads from natural sources and the hope of finding new leads through the generation of large libraries of drug-like compounds by combinatorial chemistry aimed at specific molecular targets drove the pharmaceutical companies away from research on natural products. However, recent technological advances in genetics, bioinformatics and analytical chemistry have revived the interest in natural products. The ribosomally synthesized and post-translationally modified peptides (RiPPs) are a group of natural products generated by the action of post-translationally modifying enzymes on precursor peptides translated from mRNA by ribosomes. The great substrate promiscuity exhibited by many of the enzymes from RiPP biosynthetic pathways have led to the generation of hundreds of novel synthetic and semisynthetic variants, including variants carrying non-canonical amino acids (ncAAs). The microviridins are a family of RiPPs characterized by their atypical tricyclic structure composed of lactone and lactam rings, and their activity as serine protease inhibitors. The generalities of their biosynthetic pathway have already been described, however, the lack of information on details such as the protease responsible for cleaving off the leader peptide from the cyclic core peptide has impeded the fast and cheap production of novel microviridin variants. In the present work, knowledge on leader peptide activation of enzymes from other RiPP families has been extrapolated to the microviridin family, making it possible to bypass the need of a leader peptide. This feature allowed for the exploitation of the microviridin biosynthetic machinery for the production of novel variants through the establishment of an efficient one-pot in vitro platform. The relevance of this chemoenzymatic approach has been exemplified by the synthesis of novel potent serine protease inhibitors from both rationally-designed peptide libraries and bioinformatically predicted microviridins. Additionally, new structure-activity relationships (SARs) could be inferred by screening microviridin intermediates. The significance of this technique was further demonstrated by the simple incorporation of ncAAs into the microviridin scaffold.