Bachelorarbeiten 2020 Chemie - ZHAW
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Bachelorarbeiten
2020
Chemie
Zürcher Fachhochschule
Sie haben Freude am Verbinden von Theorie und Praxis. Wir vermitteln Ihnen das Verständnis für die Entwicklung und Analyse von Substanzen und Verfahren.
Inhaltsverzeichnis
Vorwort 5 Vincetic Marija 34
Die Diplomandinnen und Wyss Nicola 35
Diplomanden
Al-Godari Nassim 6
Ammann Julia 7 IAESTE-Praktikum 37
Balendran Sharujen 8 Institut für Chemie und
Biotechnologie (ICBT) 39
Bernet Martin 9
Perspektiven 40
Bickel Laure-Anne 10
Certificates of Advanced Studies
Blaser Linus 11 (CAS) am Coffee Excellence
Center 43
Brandenberger Alexandra 12
TEDD Competence Centre 44
Dellsperger Cédéric 13
Natural Products
Eberle Alexandra 14 Drug Discovery 45
Ehrle Timo Morris 15 ALUMNI ZHAW 46
Fischli Bianca 16 ZHAW LSFM 47
Gerguri Artan 17
Giger Mathias 18
Grolimund Jon 19
Hegner Benedikt 20
Heilig Salome 21
Imstepf Nicolas 22
Mathis Flurin 23
Montagne Cédric 24
Näf Stefan 25
Reiter Stefanie 26
Roulin Sébastien 27
Rütimann Marc 28
Schaub Daniela 29
Schutzbach Carys 30
Titelbild: Konfokalmikroskopische Aufnahme von Fettzellen
Schwyn Raphael Christian 31 (Adipozyten) differenziert aus humanen mesenchymalen
Stammzellen unter Macromolecular Crowding-Bedingungen;
Slanzi Yves 32 rot: Fibronektin, grün: in Adipozyten eingelagerte Fetttröpf-
Staub Michael 33 chen, blau: Zellkerne.
Bild: Nicole Kohli, MSc in Chemistry for the Life Sciences.
3
Die Absolventinnen und Absolventen des Bachelorjahrgangs CH 17 4
Vorwort
Wädenswil, August 2020
Liebe Leserin, lieber Leser!
Gerade in einem so ungewöhnlichen Jahr wie 2020 mit der Coronavirus-Krise, die
alles auf den Kopf zu stellen scheint, möchten wir an der Tradition festhalten und die
Abschlussarbeiten unseres Bachelorstudiengangs Chemie wieder in einem Booklet
zusammenstellen. Die Studierenden haben in Kooperation mit Industrie- und For-
schungspartnern eine beeindruckende Breite an Themen bearbeitet. Diese reichen
von der Entfernung von Mikroplastik aus Trinkwasser mittels Nano-Materialien über
2D-Polymere bis zur Biokatalyse und Biomarkern und spannen den Bogen der
Chemie von den Materialwissenschaften bis zur Biologie.
Liebe Diplomandinnen und Diplomanden, diese Bachelorarbeiten
haben Sie unter besonderen Bedingungen und zum Teil am Schreibtisch anstatt im
Labor angefertigt. Ihre Arbeiten stellen dennoch oder gerade deswegen den Höhe-
punkt Ihres Chemiestudiums dar. In jedem Fall können Sie sehr stolz darauf sein. Wir
sind auch dieses Jahr beeindruckt, was Sie mit Ihren Arbeiten geschaffen haben,
und gratulieren Ihnen herzlich zum erfolgreichen Abschluss Ihres Chemiestudiums.
Wir freuen uns mit Ihnen!
Ihr Achim Ecker
Studiengangleiter Chemie
Institut für Chemie und Biotechnologie
5
Charakterisierung indigoider Gleitschichten auf
UHMWPE
Diplomand Nassim Al-Godari
Korrektor ZHAW PD. Dr. Dominik Brühwiler
Korrektorin extern Dr. Susanne Widmer
Gegenwärtig ist Indigo bekannt als Farbstoff Aufgrund ihrer Hydrophobizität sind Fluor-
unserer Blue Jeans. Das organische und wachse im Leistungs- und Spitzensport sehr
hydrophobe Pigment zeigt Eigenschaften, die beliebt. Wegen ihrer Persistenz und Toxizität
sogar für die Verwendung als Halbleiter nütz- sind diese Fluorwachse seit 2020 jedoch ver-
lich sein können. Dieses breite Anwendungs- boten. Da indigoide Gleitmittel in Feldtests
spektrum kann auf die molekulare Struktur vergleichbare Gleiteigenschaften zeigten, ste-
und die daraus resultierenden Eigenschaften hen diese als natürliche und biologisch abbau-
zurückgeführt werden, insbesondere die Aus- bare Alternative im Fokus. Es wird vermutet,
bildung von inter- und intramolekularen Was- dass das Auftreten intermolekularer Wechsel-
serstoffbrücken. Das Auftreten und die Stärke wirkungen mit den Gleiteigenschaften korre-
der Wechselwirkungen sind verantwortlich liert. In dieser Arbeit wurden mikroskopische
für die Leitfähigkeit und Hydrophobizität von (Abb. 1), spektroskopische und tribologische
Indigo-Schichten. Methoden verwendet, um die Schichtbildung
von Indigo auf UHMWPE zu untersuchen und
Die Firma Isantin GmbH hat ein ökologisches Struktur-Eigenschaftsbeziehungen abzuleiten.
Gleitmittel für Langlaufski und andere Winter
sportgeräte auf Basis indigoider Pigmente
entwickelt. Bei Kontakt der Wintersport-
laufflächen (aus ultra-high-molecular-weight
polyethylene, UHMWPE) mit Schnee bildet
sich ein Gleitfilm. Dieser besteht aus einem
Gemisch von flüssigem Wasser und Eiskristal-
len. Die hydrophoben Eigenschaften von Indigo
sind ideal, um die Anziehung zwischen der
Abb. 1: Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahme eines
Lauffläche und dem Gleitfilm zu senken und UHMWPE-Belags mit und ohne Indigo-Schicht. Rechts
so den Belag gleitfähiger zu machen. oben: Fotografische Aufnahme eines UHMWPE-Belags mit
Indigo-Schicht.
6
Untersuchung der Tropfeninokulation zur
Besiedelung von Kühlschmierstoffen
Diplomandin Julia Ammann
Korrektor ZHAW Prof. Dr. Walter Krebs
Korrektor extern Dr. Rolf Stettler
In der Fertigungstechnik sind viele Prozesse Die Ziele waren die Beobachtung der Einflüsse
auf den Einsatz von Kühlschmierstoffen (KSS) der Organismen auf die KSS-Emulsionen und
angewiesen. Die Anforderungen an Kühl- aufeinander.
schmierstoffen sind hoch. Ausserdem sollte der Einfluss des pH-Werts
und die Zugabe von Eisensalzen auf das
Häufig kommen aufgrund der guten Kühlleis- Wachstum der Mikroorganismen untersucht
tung wassermischbare Kühlschmierstoffe zum werden.
Einsatz. Diese sind jedoch anfällig für eine Während der Dauer der Versuche wurden
Kontamination mit Bakterien [1]. zu verschiedenen Zeitpunkten die Tempera-
tur, die Kühlschmierstoff-Konzentration, der
Die Firma Blaser Swisslube AG steht für pH-Wert der Emulsionen und die Anzahl kolo-
hochwertige Kühlschmierstoffe für Industrie niebildender Einheiten pro Milliliter (KBE/mL)
und Gewerbe. Sie setzt sich seit jeher auch überprüft.
für sichere, human- und umweltverträgliche Um die Einflüsse der verwendeten Organis-
Produkte ein. Eine Methode, mit der die Firma men untereinander und auf die KSS-Emulsio-
Blaser Swisslube AG seit 40 Jahren Erfolg hat, nen zu untersuchen, wurden die Organismen
ist das sogenannte Blasocut Bio-Konzept. sowohl als Reinkulturen als auch als Mischkul-
Durch die kontrollierte Besiedelung der Kühl- turen untersucht.
schmierstoffemulsion mit einem harmlosen
Wasserkeim werden unerwünschte, potenziell
pathogene Keime aus der Emulsion verdrängt.
Durch diese Schutzkultur kann gänzlich auf
die Zugabe von Bioziden verzichtet werden [2].
In dieser Arbeit wird die Besiedelung von
Abb. 1: Mischkultur von P. oleovorans (gelb), C. amalonati-
Kühlschmierstoff-Emulsionen mit verschiede- cus (rot) und S. maltophilia (blau) auf einer mit Bromthymol
nen Mikroorganismen mittels der Methode der blau gefärbten TSA-Platte, aufgetragen mit dem Spiralplat-
tierer.
Tropfeninokulation beschrieben.
[1] T. Koch, Mikrobiologie der Kühlschmierstoffe, Renningen:
Expert Verlag, 2015
Die bereits in einer vorhergehenden Bachelor- [2] Firma Blaser Swisslube AG, Das 1×1 des Blasocut
arbeit gewonnenen Erkenntnisse werden mit Bio-Konzepts, 2004
dieser Arbeit erweitert.
7
Membranbasierte, kontinuierliche Flüssigphasen-
trennung für die Herstellung eines pharmazeuti-
schen Wirkstoffes
Diplomand Sharujen Balendran
Korrektoren ZHAW Prof. Dr. Achim Ecker, Dr. Peter Riedlberger
Korrektorin extern Dipl. Chem. Ing. Franziska Morganti
Nach chemischen Synthesen muss das Rekti- ser Technologie auch die Absetzzeiten, die für
onsprodukt meist noch aufgearbeitet werden, die Phasentrennung nötig sind.
egal ob es sich um kontinuierliche Verfahren
der Mikroreaktionstechnik oder um Batchver- In dieser Arbeit wurde für ein pharmazeuti-
fahren handelt. Für die Aufarbeitung spielen sches Zwischenprodukt ein kontinuierlicher
die Extraktion und die Separation (Phasentren- Extraktionsprozess unter Verwendung des
nung) eine grosse Rolle. Es gibt verschiedene neuen Membranseparators in Zusammen-
kontinuierlich arbeitende Extraktoren, diese arbeit mit einem Industriepartner entwickelt.
sind jedoch stets von den Dichteunterschie- Der kontinuierliche Aufarbeitungsprozess
den der beiden zu trennenden Phasen abhän- wurde mit der bereits etablierten batchweisen
gig. Für die Mikroreaktionstechnik wurde vor Extraktion verglichen. Der direkte Vergleich
kurzem von der Firma Zaiput Flow Technolo- zeigte, dass die kontinuierliche Extraktion
gies ein kontinuierlich arbeitender Membran- bezüglich der extrahierten Menge an Produkt
separator für die Flüssig-Flüssig-Trennung und bezüglich der Entfernung unerwünschter
entwickelt, der Zweiphasengemische aufgrund Nebenkomponenten mit der Batchextraktion
der unterschiedlichen Benetzung der Mem- vergleichbar war. Es wurden zudem Optimie-
bran trennen kann. Bei der Separation spielt rungsversuche durchgeführt, um die optimale
die meist vorherrschende Pfropfenströmung Mischstrecke vor dem Membranseparator zu
mit interner Zirkulation in den Mikrokanälen bestimmen.
eine entscheidende Rolle, wodurch die Ext-
raktion enorm verbessert wird. Diese Mem- Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkennt-
brantechnologie arbeitet unabhängig von der nisse zeigen, dass der kontinuierliche Aufar-
Dichte und somit können auch Emulsionen beitungsprozess mit dem neuen Membran-
getrennt werden. Ausserdem entfallen mit die- separator enormes Potenzial besitzt, um die
batchweise Extraktion in Zukunft zu ersetzen.
Abb. 1: Verfahrensfliessschema der kontinuierlichen
Extraktion mit zwei Spritzenpumpen Abb. 2: Membranseparator
8
Optimierung ausgewählter Schritte des Verfahrens
zur Herstellung von Polyethylenfuranoat PEF
Diplomand Martin Bernet
Korrektoren ZHAW Prof. Dr. Achim Ecker, Dr. Peter Riedlberger
Korrektorin extern Dipl. Chem. Ing. Franziska Morganti
Die Umstellung von fossilen Rohstoffen auf Verfahren wird entgegen den üblichen Metho-
nachwachsende Rohstoffe ist eine der gröss- den mit einer möglichst kleinen Konzentra
ten Herausforderungen für unsere Gesellschaft. tion gearbeitet. Dadurch entsteht eine andere
In diesem Kontext ist es erstrebenswert, die Gleichgewichtszusammensetzung, welche
heutigen, auf fossilen Rohstoffen basierenden Produkte, die bisher als Nebenprodukte ent-
Kunststoffe, aus Biomasse herzustellen. Ein standen sind, zu den Hauptprodukten macht.
heute alltäglicher und ausserordentlich gross- W. H. Carothers beschrieb diese Methode
volumiger Kunststoff ist Polyethylenterephtha bereits 1933.
lat (PET). Als nachhaltige Alternative kommt
Polyethylenfuranoat (PEF) infrage, das schon Mit der DA-CDP konnten aus linearen Oligo-
seit geraumer Zeit im Gespräch ist. meren zyklische Oligomere synthetisiert wer-
den. Diese lassen sich dann mittels Ringöff-
Um PEF jedoch in einer Qualität herzustellen, nungspolymerisation zum Gebrauchspolymer
die eine Verwendung als Werkstoff erlaubt, verarbeiten. PEF kann damit in der gewünsch-
wurde erst vor Kurzem ein neues dreistufiges ten Qualität und Menge sowohl in ökologisch
Verfahren entwickelt, das auf dem Prinzip der als auch ökonomisch sinnvoller Art hergestellt
Destillations-unterstützten Zyklodepolymerisie- werden.
rung (DA-CDP, engl.: Distillation assissted
cyclo depolymerization) beruht. Bei diesem
Abb. 1: Schema des neuen Verfahrens zur Herstellung von PEF
9
Konzeption für das Engineering der Wirtsspezifität
in E. coli Bakteriophagen
Diplomandin Laure-Anne Bickel
Korrektor/-in ZHAW Dr. Sabina Gerber, Prof. Dr. Lars Fieseler
Antibiotika werden in der Humanmedizin Da Phagen unterschiedliche Arten dieser TSPs
sowie in der Lebensmittelindustrie und Land- aufweisen können, ist ein Engineering der TSP-
wirtschaft zur Bekämpfung von Bakterien ein- Ausstattung notwendig, um die Spezifität zu
gesetzt. Durch deren intensiven Einsatz nimmt kontrollieren (s. Abb. 2). Um die Komplexbil-
die Häufigkeit von multiresistenten Krankheits- dung bei einer Modifikation des TSP-Arsenals
erregern stark zu. Weltweit wird intensiv nach an der Basalplatte nicht zu beinträchtigen,
alternativen Therapien gesucht. Bakteriopha- müssen alle beteiligten Proteine hinsichtlich
gen (Phagen) sind eine vielversprechende Primärstrukturen, Faltungsmuster und deren
Alternative für die Behandlung von lebensbe- Konservierung untersucht und verglichen wer-
drohlichen Infektionskrankheiten, da sie Bak- den. In dieser Arbeit wurden TSPs in einem
terien meist mit hoher Spezifität befallen und ausgewählten Phagen Genus bioinformatisch
lysieren. Phagen werden heutzutage schon untersucht. Durch Sequenz- und Strukturver-
zur Detektion, Identifikation und Bekämpfung gleiche und anhand der Analyse von Binde
von Bakterien in der Lebensmittelindustrie ein- interaktionen wurden konservierte Regionen
gesetzt. Sie besitzen Tailspike Proteine (TSPs), identifiziert und dadurch der modulare Aufbau
welche an der Basalplatte gebunden sind. der Proteine beschrieben sowie ein Konzept
Diese binden und hydrolysieren die extrazel- zur Entfernung und zum Austausch von TSPs
lulären Polysaccharide (O-Antigene) des Wirts erstellt.
als einer der ersten Schritte der Infektion und
tragen somit zur Wirtszellspezifität bei (Abb. 1).
Abb. 2: Kristallstrukturen der vier Tailspike Proteine des
Bakteriophagen CBA120 [2].
[1] Knecht, L. E., Veljkovic, M., & Fieseler, L., Diversity and
Function of Phage Encoded Depolymerases. Frontiers in
Microbiology, 9 (3), 1–16, 2020.
[2] Plattner, M., Shneider, M., Arbatsky, N., Shashkov, A.,
Chizhov, A., Nazarov, S., Leiman, P., Structure and Function
Abb. 1: Elektronenmikroskopische Aufnahme und schemati- of the Branched Receptor-Binding Complex of Bacteriophage.
sche Darstellung des Bakteriophagen CBA120 [2]. Journal of Molecular Biology, 431(19), 3718–3739, 2019.
10Synthese chiraler Oxirane
Diplomand Linus Blaser
Korrektor ZHAW Prof. Dr. Jürgen Stohner
Korrektor extern Prof. Dr. Robert Berger
Chirale Moleküle sind für Forschungsarbeiten Ziel dieser Arbeit war die Erarbeitung einer
vieler verschiedener Fachrichtungen von gros- Syntheseroute für isotopenchirales Deutero
ser Bedeutung. Dementsprechend wichtig oxiran in racemischer und enantiomerenreiner
sind effiziente Syntheserouten für deren Her- Form. Ausgehend von Diethylbrommalonat
stellung. Die Bestimmung der absoluten Kon- wurde racemische Deutero-Bromessigsäure
figuration erfolgt üblicherweise mittels Rönt- hergestellt und anschliessend mit verschie-
genstrukturanalyse und erfordert das Züchten denen Phenolen derivatisiert. Durch eine
von Einkristallen. Ist das Züchten von Kristal- Reduktion und anschliessender Epoxidierung
len keine Option, lässt sich die Konfiguration konnten diese zum racemischen Zielmolekül
indirekt mittels Messung eines Vibrationscir- umgesetzt werden.
culardichroismus-Spektrums und Vergleichen
[1] R. Dörner et. al., «Cold Target Recoil Ion Momentum
mit Referenzspektren oder ab-inito berechne-
Spectroscopy a ‘momentum microscope’ to view atomic col-
ten Spektren bestimmen. Die direkte Bestim- lision dynamics», Phys. Rep., vol. 330, pp. 95–192, 2000.
mung der absoluten Konfiguration ist mittels
Cold Target Recoil-Ion Momentum Spectros-
copy (COLTRIMS) möglich. Dabei werden die
Moleküle in einer laserionisationsinduzierten
Coulomb-Explosion fragmentiert, zeit- und
ortsaufgelöst detektiert und anschliessend
die Struktur des Moleküls zum Zeitpunkt der
Fragmentierung rekonstruiert [1].
Abb. 1: Abbildung der beiden Enantiomere von Deuterooxiran
11Modifizierung eines 3D-Druckers zur Extrusion
von nanofaserhaltigen Hydrogelen
Diplomandin Alexandra Brandenberger
Korrektor ZHAW Prof. Dr. Christian Adlhart
Korrektor extern Dr. Markus Läubli
Tissue Engineering erlaubt die Regeneration wurde festgestellt, dass Pasten aus präoxi-
von defektem Gewebe mit körpereigenen diertem Polyacrylnitril (pPAN), Xanthan und
Zellen. Dadurch lassen sich Nachteile der Or- Polyethylenoxid die besten Resultate lieferten.
gan- und Gewebetransplantation, wie limitierte Ausserdem wurde erkannt, dass das Ein-
Verfügbarkeit von Organen oder die Notwen- frieren der Paste bei –20 °C über Nacht und
digkeit der Einnahme von Immunsuppressiva, anschliessendes Mahlen die Extrudierbarkeit
überwinden [1]. Oft werden extern angefer- verbesserte. Die NF aus Polyacrylnitril (PAN)
tigte Gerüste eingesetzt, welche in vivo oder und pPAN wurden mit verschiedenen Metho-
in vitro mit den benötigten Zellen besiedelt den charakterisiert. Die PAN-NF hatten den
werden [2]. Insbesondere Nanofasern (NF) kleineren Durchmesser, waren aber länger als
mit Durchmessern von einigen hundert Nano- die pPAN-NF. Der Kontaktwinkel war bei den
metern erweisen sich als praktikabel. Diese pPAN-NF tiefer als bei den PAN-NF. Daraus
werden durch Elektrospinnen erhalten [3]. In wurde geschlossen, dass pPAN-NF hydro-
mehreren Schritten ist es möglich, aus diesen philer als PAN-NF sind und sich aufgrund der
poröse 3D-Gerüste für die Zellbesiedlung zu höheren Benetzbarkeit und dem kleineren
erzeugen, sogenannte Nanofaser-Aerogele Verhältnis von NF-Länge zu -Durchmesser
(NFA) [4]. besser einarbeiten und drucken lassen.
[1] R. S. Boneva et al., Clin. Microbiol. Rev., 14, 1–14, 2001.
Ziel dieser Arbeit war es, mittels 3D-Druck
[2] J. P. Vacanti et al., in «Principles of Tissue Engineering»,
NFA für die Anwendung im Tissue Enginee- 3. Ed., Elsevier, 3–4, 2007.
ring herzustellen. Dazu wurde ein 3D-Drucker [3] A. Greiner et al., Angew. Chem. Ger. Edit., 119,
5770–5805, 2007.
umgebaut, um Pasten zu extrudieren. Mit die- [4] W. Chen et al., Mater. Des., 179, 1–10, 2019.
sem wurden verschiedene Pasten aus nano-
faserhaltigen Hydrogelen gedruckt. Dabei
Abb. 1: Herstellungsprozess von nanofaserhaltigen
Gerüsten für das Tissue Engineering; adaptiert nach [4].
12Herstellung und Optimierung eines Intermediats
für einen API
Diplomand Cédéric Dellsperger
Korrektor ZHAW PD Dr. Christian Frech Nabold
Korrektor extern Dr. Roman Gerber
Die arterielle Hypertonie oder umgangssprach- Mit der erfolgreichen Durchführung der ersten
lich auch Bluthochdruck genannt, ist eine beiden Stufen und der Entwicklung einer funk-
Volkskrankheit, welche vor allem in unseren tionierenden Analysestrategie, kann in einem
Breitengraden weit verbreitet ist. In Deutsch- nächsten Schritt begonnen werden, die letzte
land beispielsweise kann bei jedem fünften Stufe so zu optimieren, dass das gewünschte
Bürger eine Hypertonie diagnostiziert werden. Enantiomerenpaar im Überschuss gebildet
Die Erkrankung wird meist erst relativ spät ent- wird.
deckt, da sie lange Zeit keine Beschwerden
[1] M. Middeke, K. Völker, C. Laupert-Deick: «Bluthoch-
verursacht. Jedoch ist Bluthochdruck eine der
druck senken ohne Medikamente», 7. vollst. überarb. Aufl.,
häufigsten Ursachen für Invalidität und kann TRIAS, Stuttgart, 2011.
sogar bis zum Tod führen [1].
Das Ziel dieser Arbeit war es, ein wichtiges
Intermediat für die Synthese eines Active
Pharmaceutical Ingredients (API) zur Behand-
lung von Bluthochdruck herzustellen. Die Syn-
these des Intermediats wird dreistufig durch-
geführt, wovon insbesondere die dritte Stufe
optimiert werden sollte. Da das Intermediat
mehrere Stereozentren besitzt, jedoch nicht
UV-aktiv ist, entwickelte sich insbesondere die
Analytik des gewünschten Produkts als eine
der Kernaufgaben dieser Arbeit. Wie bei APIs
üblich, kann nämlich nur ein Enantiomer für
das Medikament eingesetzt werden.
Schlussendlich gelang es, eine HPLC-Methode
zu entwickeln, mit der das Produkt aufge-
trennt und die exakten Anteile der jeweiligen
Stereoisomere ermittelt werden konnten.
Durch das Verwenden einer präparativen
HPLC war es zudem möglich, Substanzen
einzeln zu sammeln und weitere Rückschlüsse
über die Synthesen zu ziehen.
13In vitro-Herzmuskelsystem für die Medikamenten-
testung
Diplomandin Alexandra Eberle
Korrektoren ZHAW Dr. Markus Rimann, Prof. Dr. Michael Raghunath
Die Kardiotoxizität ist eine bekannte uner- der eingebauten Pfosten in einer 24-Well-Platte.
wünschte Nebenwirkung einiger Medikamente Das neu entwickelte in vitro-System sollte die-
und eine der Hauptverursacher für den Zulas- se Analyse und auch den Bioprinting-Ansatz
sungsentzug von Medikamenten. In der Kar- übernehmen. Folgende Rahmenbedingungen
diotoxizität ist vor allem der Ether-a-go-go wurden für das Herzmuskelsystem definiert:
Related Gene (hERG) Ionenkanal von grossem 1) ein zellkompatibles und druckbares Hydro-
Interesse, da die Blockierung dieses Kanals zu gel, das positive Eigenschaften auf die Dif
einer Herzrhythmusstörung führen kann. ferenzierung zu Kardiomyozyten hat und zur
In dieser Arbeit wurde in schriftlicher Abhand- Befestigung der Pfosten und Unterstützung
lung ein in vitro-Herzmuskelsystem entwickelt, der gedruckten Gewebe dient, 2) humane,
das auf Informationen eines abgeschlosse- induzierte pluripotente Stamm zellen (iPSCs),
nen Skelettmuskelprojekts und dem heuti- welche in Kardiomyozyten differenzieren kön-
gen Stand von Herzmuskelsystemen basiert. nen, 3) ein Druckprozess, welcher das Hydro-
Dabei werden gedruckte 3D-Zellkultur-Modelle gel mittels Extrusion und die Zellen, suspendiert
verwendet, welche die in vivo-Situation bes- in Medium, mittels Inkjet-Printing abwechselnd
ser widerspiegeln als 2D-Modelle. In einem in hantelförmiger Struktur um die Pfosten
vorangegangenen Projekt wurde eine Appa- druckt. Zur anschliessenden Überprüfung der
ratur entwickelt, die eine Kultivierung, elektri- erfolgreichen Differenzierung wurden Histolo-
sche Stimulation und Datenauslesung für ein gie, Messung des Calciumstroms sowie die
in vitro-Skelettmuskelmodell ermöglicht. Die Blockierung des hERG-Kanals vorgeschlagen.
Datenauslesung der Kontraktionskraft basierte Es wird sich in Zukunft zeigen, ob das vorge-
dabei auf der Aufzeichnung der Auslenkung schlagene Projekt so durchführbar ist.
Abb. 1: Inserts mit flexiblen Pfosten, Einbau in die Multiwell-Platte und Einbettung in Hydrogel.
Abb. 2: Differenzierung zu Kardiomyozyten mittels elektrischer Stimulation und anschliessender Messung der Kontraktions-
kraft, ausgehend von hantelförmig gedruckten iPSCs.
14Mikrobieller Abbau von Industriechemikalien und
Identifizierung von möglichen Transformations-
produkten mittels Massenspektrometrie
Diplomand Timo Morris Ehrle
Korrektorin ZHAW Dr. Susanne Kern
Korrektor extern Dr. Markus Läubli
Durch den weltweit steigenden Verbrauch an Proben wurden anschliessend chromatogra-
Chemikalien werden Oberflächen- und Grund- phisch getrennt (HPLC) und mit hochaufgelös-
wasser zunehmend verschmutzt. Organische ter Massenspektrometrie (HR-MS) analysiert.
Mikroverunreinigungen liegen im Spurenbe- Für eine Identifizierung musste die Retentions-
reich vor und können negative Effekte auf die zeit der Verbindung, die exakte Masse, das
Umwelt haben. Der biologische Abbau orga- Isotopenmuster und die Fragment-Ionen des
nischer Mikroverunreinigungen, welche häufig HR-MS/MS-Spektrums stimmen. Von den 348
via Abwasserreinigungsanlagen (ARA) in die vorhergesagten TPs konnte eine Verbindung
Umwelt gelangen, führt nicht immer zur voll- identifiziert werden. Dabei handelt es sich um
ständigen Mineralisierung, stattdessen wer- 2-Benzothiazolsulfonsäure, ein TP der Indus-
den intermediäre Transformationsprodukte triechemikalie 2-Mercaptobenzothiazol, wel-
(TP) gebildet. Der Abbau und die Langzeit- ches erst seit kurzem als Mikroverunreinigung
wirkung von gesetzlich nicht überwachten im Abwasser in der Literatur beschrieben ist.
Chemikalien, wie z. B. Industriechemikalien
und deren TPs, auf den Menschen und das
Ökosystem sind weitgehend unerforscht.
Ziel dieser Bachelorarbeit war es, für 22 aus-
gewählte Industriechemikalien mögliche TPs
mit geeigneten Computerprogrammen vor-
herzusagen und nach diesen in Abwasserpro-
ben mittels hochaufgelöster Massenspektro-
metrie zu screenen. Für die Analytik wurden
in der ARA Rietliau im Kanton Zürich 24-Stun- Abb. 1: Vorhersage von Transformationsprodukten (TP) durch
das Eawag-PPS-Computerprogramm: hier dargestellt für die
den-Sammelproben entnommen. Mit dem
Industriechemikalie 2-Mercaptobenzothiazol (1), welche zur
EAWAG-PPS-Computerprogramm konnten für TP 2-Benzothiazolsulfonsäure (6) umgewandelt werden kann
die 22 ausgewählten Industriechemikalien und in der Abwasserprobe der ARA Rietliau mittels Retentions-
zeit, exakter Masse, Isotope und MS/MS-Spektrum bestätigt
mögliche TPs unter aeroben Reaktionsbedin- wurde.
gungen vorhergesagt werden. Dies ergab eine
Screening-Liste mit insgesamt 348 möglichen
Verbindungen. Zur Aufkonzentrierung dieser
Mikroverunreinigungen in den Abwasserpro
ben wurde eine Festphasenanreicherung
durchgeführt und validiert. Die aufgearbeiteten
15Vergleich der Pluripotenz-Genexpression von
humanen Knochenmarkstammzellen in 2D- und
3D-Kultur
Diplomandin Bianca Fischli
Korrektoren ZHAW Prof. Dr. Michael Raghunath, Prof. Dr. Jack Rohrer
Sphäroidkultursysteme (3D-Kultur) gewinnen damin-Farbstoff aus Hong Kong getestet, der
in den Bereichen Krebsforschung, Arznei- zwischen pluripotenten und somatischen Zel-
mittelentdeckung und Toxikologie derzeit an len unterscheiden soll. Die Resultate der rela-
Bedeutung. Als in vitro-Modell ahmt die Sphä- tiven Genexpression und der Rhodamin-Fär-
roidkultur in vivo-Prozesse wie Embryo- und bung bestätigten, dass sich die Expression
Morphogenese besser nach. Als kugelförmige der Pluripotenz-Gene teilweise stark erhöht,
Zellaggregate zeigen Sphäroide häufigere und wenn derselbe Zelltyp als Sphäroid statt als
komplexere Zell-Zell-Interaktionen, die in ein- Monolayer kultiviert wird. Plattenspezifische
schichtigen 2D-Kulturen nicht vorkommen. Unterschiede in der Expression der Pluripo-
tenz-Gene weisen auf eine unterschiedliche
In einer gemeinsamen Publikation des ICBT Mechanobiologie der Sphäroidbildung hin
mit der Chinese University of Hong Kong wur- (geführt in der SP5D versus nicht-geführt in
de kürzlich gezeigt, dass bei als Sphäroide kul- der BRAND-Platte). Sphäroidplatten könnten
tivierten humanen Hautfibroblasten und mesen- somit ein wichtiges Werkzeug in der indu
chymalen Nabelschnurstammzellen spontan zierten pluripotenten Stammzelltechnologie
Gene hochreguliert werden, die sonst nur werden.
bei der Reprogrammierung von somatischen
Zellen im pluripotenten Zustand auftreten. Es
stellte sich die Frage, ob man mesenchymale
Zellen in Sphäroidform für das Verfahren der
induzierten Pluripotenz besser vorbereiten
und die Effizienz der Reprogrammierung ver-
bessern könnte.
Daher wurde hier untersucht, ob humane
mesenchymale Knochenmarkstammzellen
(hBM-MSC) in Sphäroid-Konfiguration spon-
tan Pluripotenz-Gene exprimieren im Vergleich
zur klassischen Monolayerkultur (2D). Zudem
sollte untersucht werden, ob sich die Pluri-
potenzgenexpression in zwei verschiedenen
Kultivierungsplatten, der BRANDplate® und Abb. 1: Rhodamin-Färbung von mesenchymalen Stamm
zellen als Sphäroid in der BRANDplate®
der Spherical Plate 5D (SP5D, Kugelmeiers
AG), unterscheidet. Daneben wurde ein Rho-
16Synthese eines Fluoreszenzfarbstoffes mit
grosser Stokes-Verschiebung für die Herstellung
neuartiger True Tracer Pigmente
Diplomand Artan Gerguri
Korrektor ZHAW Prof. Dr. Achim Ecker
Korrektor extern Dr. Denis Planchenault
Ziel dieses Projektes war es, ein True Tracer
Pigment (TTP) herzustellen, welches auf einem
Fluoreszenzfarbstoff (FFS) basiert. Dazu sollte
zunächst ein neuartiges organisches Fluores-
zenzpigment mit möglichst grosser Reinheit
synthetisiert und fluoreszenzspektroskopisch
charakterisiert werden. Zielmolekül dieser Abb. 2: Reaktionsschema
Arbeit war 2,5-Bis(6-aminobenzoxazol-2-yl)
thiophen (BBTA). Für die Synthese von BBTA wurden zwei
Ansätze verfolgt. Der zunächst bevorzugte
Bei TTPs handelt es sich um Wirt-Gast-Sys Ansatz bestand in einer 2-stufigen Reaktion.
teme vom True Color Pigment-Typ für die spe- Hierfür wurde in einer Cyclokondensationsre-
zielle Anwendung als Markierungssubstanz aktion 2,5-Dicarbonsäurethiophen (DCT) mit
(Tracer), bei denen Farbstoffmoleküle in Nano- 2-Amino-5-nitrophenol (ANP) zum Zwischen-
kanäle von Zeolithen interkaliert werden. produkt 2,5-Bis(6-nitrobenzoazol-2-yl)thiophen
(BNBT) umgesetzt (I). In einem zweiten Schritt
sollten die Nitrogruppen von BNBT zu Aminen
reduziert werden, um BBTA zu erhalten (II).
Da die direkte Cyclokondensation von ANP
und DCT jedoch nicht funktionierte, wurde
auf eine alternative Syntheseroute ausge
wichen, bei der in einer Aminolyse DCT mit
ANP zunächst zum Zwischenprodukt TDA
Abb. 1: Herstellung von True Color Pigmenten (TCP) umgesetzt wurde. TDA konnte bereits erfolg-
reich synthetisiert und charakterisiert werden.
Durch die Interkalation von Fluoreszenz- Trotz verschiedener Versuche konnte zwar
farbstoffen entstehen im Idealfall fluoreszie- noch kein geeignetes Cyclisierungsmittel für
rende Pigmente mit hoher Quantenausbeute die Umsetzung von TDA zu BNBT identifiziert
und mit hoher chemischer Stabilität. Die TTPs und infolgedessen BBTA auch noch nicht
sollen als Tracer für die Applikation von Pflan- synthetisiert werden. Doch mit dem in dieser
zenschutzmitteln verwendet werden, um die Arbeit eingeschlagenen Weg gelang es, eine
Effizienz der Sprühverteilung qualitativ und vielversprechende Synthesestrategie zu erar-
quantitativ zu bestimmen. beiten.
17Aufreinigung und Analyse von Indigo
Diplomand Mathias Giger
Korrektor ZHAW PD. Dr. Dominik Brühwiler
Korrektorin extern Dr. Susanne Widmer
Indigo tauchte schon vor 4000 Jahren in der grossem Interesse. Dabei müssen vor allem
Geschichte der Menschheit auf. Damals wur- die Strukturisomere Indirubin und Isoindigo
de es zum Färben oder als Heilmittel in der Tra- entfernt werden (Abb. 1). Des Weiteren sollte
ditionellen Chinesischen Medizin verwendet. In der Gehalt an toxischen aromatischen Aminen
der 2. Hälfte des 20. Jahrhunderts wurde ent- (Anilin und N-Methylanilin, Abb. 2) möglichst
deckt, dass sich Indigo-Moleküle durch supra- klein sein.
molekulare Selbstanordnung zu 2D-Schichten
zusammenlagern können. Durch diese Eigen- In dieser Arbeit wurde ein ökologischer Aufrei-
schaft ergeben sich diverse neue Anwendun- nigungsprozess für Indigo mit anschliessender
gen für Indigo, wie z. B. als Halbleitermaterial in Quantifizierung erarbeitet. Dieser Prozess lie-
der Elektrotechnik oder als Gleitmittel für Win- ferte Indigo mit einer Reinheit von 99.2 %.
tersportgeräte. Für eine stabile Schichtausbil-
dung wird eine Reinheit von mindestens 98 %
benötigt, da ansonsten die supramolekulare
Organisation gestört wird, was zu weichen
und instabilen Schichten führt. Die Entwick-
lung eines ökologischen Verfahrens, das Indi-
go mit hoher Reinheit liefert, ist deshalb von Abb. 2: Die Verunreinigungen Anilin (links) und N-Methylanilin
(rechts). Ist ihr Massenanteil kleiner als 0.1 %, dann ist
Indigo kennzeichnungsfrei.
Abb. 1: Lösungen von Indigo (links), Indirubin (Mitte) und
Isoindigo (rechts) in DMSO.
18Erweiterung der Datenbank für kovalente
Modifikationen von Proteinen/Peptiden für die
Web-App Prot pi
Diplomand Jon Grolimund
Korrektor/-in ZHAW Prof. Dr. Christiane Zaborosch, Roland Josuran
Prot pi ist eine bioinformatische Toolbox für durch kovalente Modifikationen beeinflusst
die Berechnung und Simulation physiko- werden können, ermöglicht Prot pi durch die
chemischer Parameter von Proteinen und Berücksichtigung der in einer Datenbank hin-
Peptiden. Kenntnisse über die theoretischen terlegten Modifikationen die Berechnung kor-
physikochemischen Eigenschaften von Protei- rekter theoretischer physikochemischer Para-
nen werden für die Planung und Auswertung meter von Proteinen und Peptiden.
bioanalytischer Experimente benötigt. Mit der
Web-App Prot pi, die von Roland Josuran Zu Beginn dieser Arbeit lag in Prot pi eine
entwickelt wurde, kann die Berechnung des Datenbank für 15 verschiedene Protein-/Pep-
isoelektrischen Punktes, der Nettoladung von tid-Modifikationen vor. Für die Erweiterung
Proteinen und Peptiden sowie der genau- der Datenbank wurden 16 weitere kovalente
en Masse und des Absorptionskoeffizienten Modifikationen basierend auf ihrer Häufigkeit
anhand der Aminosäuresequenz vorgenom- und Eignung für die Implementierung in Prot
men werden. Proteine unterliegen in vivo einer pi ausgewählt (Abb. 1).
Vielzahl von möglichen posttranslationalen
Modifikationen oder werden in vitro durch die Für jede dieser Modifikationen wurden der
Probenvorbereitung oder während Stresstests Reaktionsmechanismus (Abb. 2), die betroffe-
kovalent verändert. In Prot pi können diese ne(n) Aminosäure(n), die ggf. vorhandene Kon-
verschiedenen kovalenten Modifikationen in sensus-Sequenz, die durch die Modifikation
der Aminosäuresequenz an den jeweiligen bedingte Massendifferenz, die Änderung der
Positionen definiert werden. Da der isoelektri- Hydrophobizität, des Absorptionskoeffizienten
sche Punkt, die Masse und die Retentionszeit im UV-Bereich zwischen 240 und 320 nm und
ggf. der pKa-Wert der Aminosäureseitenkette
mittels Literaturrecherche ermittelt. Diese wur-
den in der Datenbank hinterlegt und sind nun
in der Web-App verfügbar.
Abb. 1: Häufigkeit experimentell beobachteter post-transla-
tionaler Modifikationen (Swiss-Prot: 2011_07). Farbcode zur
Implementierung in Prot pi: Grün: bereits vorhanden;
Orange: in dieser Arbeit implementiert; Rot: nicht eindeutig
definierbar (DOI: 10.1038/srep00090) Abb. 2: Reaktionsmechanismus der Citrullinierung
19Pharmakophormodelle für Matrix-Metallo
proteinasen
Diplomand Benedikt Hegner
Korrektor ZHAW Prof. Dr. Rainer Riedl
Korrektor extern Dr. Samuel Derrer
Matrixmetalloproteasen (MMPs) sind zinkhalti- In dieser Arbeit wurde – ausgehend von
ge Proteasen, welche Bestandteile der extra- Kristallstrukturen von MMP-2, MMP-9 und
zellulären Matrix, wie Kollagen, abbauen kön- MMP-13 – ein Pharmakophor, ein 3D-Gebilde,
nen, indem sie die Peptidbindung innerhalb welches die chemische Umgebung im aktiven
eines Proteins enzymatisch spalten. Zudem Zentrum des Enzyms beschreibt, erstellt, um
können die MMPs sich selbst und andere mit diesem dann aus einer Bibliothek von über
Enzyme in der extrazellulären Matrix aktivie- 10’000 Substanzen zu screenen. Zudem wur-
ren oder auch abbauen. Mit diesen Funktio- den Strategien entwickelt, um die Aktivität von
nen spielen sie eine massgebende Rolle beim einem schon existierenden Inhibitor, einem
Wachstum verschiedener Tumore wie bei Peptidmimetika, gegenüber MMP-13 zu ver-
Brust- und Hautkrebs und deren Metastasie- bessern. Im Labor wurde ein solcher Inhibitor
rung. Weitere Krankheiten, welche bei einer synthetisiert und aufgereinigt.
Überexpression bestimmter MMPs ausgelöst
werden können, sind Krankheiten wie Arthritis
oder Herz-Kreislauf-Erkrankungen.
Um diese Krankheiten zu heilen, müssen
die überexprimierten MMPs kontrolliert wer-
den. Dies kann durch Inhibitoren (sogenannte
Liganden) geschehen. Da die Vielfalt an
MMPs gross ist, müssen die Liganden selek-
tiv gegenüber einem bestimmten MMP sein.
In verschiedenen Arbeiten wurden dafür viele
Liganden getestet, die im aktiven Zentrum, in
der S1-Tasche oder in einer Seitentasche der Abb. 1: Das Pharmakophor eines Cyclopeptids in der Active
S1’-Tasche binden. Site von MMP-13
20Untersuchungen zur Entfernung von Pestiziden
aus CBD-Ölen
Diplomandin Salome Heilig
Korrektor ZHAW Dr. Jürgen Ebert
Korrektor extern Dr. Christoph Jansen
Das Interesse am Cannabinoid Cannabidiol nenswerte Reduktion erreicht werden. Aller-
(CBD) und seine Verwendung als medizini- dings zeigte die Quantifizierung von CBD und
sches Heilmittel hat in den letzten Jahren CBDa, dass durch das Aktivkohlepulver auch
rasant zugenommen. Um sicherzustellen, die Konzentrationen dieser Stoffe markant
dass die auf dem Markt erhältlichen CBD-Pro- reduziert wurden.
dukte frei von Pestizidverunreinigungen sind, Im Gegensatz dazu wurden in gespikten,
muss ein Prozess entwickelt werden, mit dem ethanolischen und wässrigen Lösungen die
Pestizide während des Herstellungsverfahrens Pestizide durch nahezu alle getesteten Filter
effizient aus dem Hanfextrakt entfernt werden medien/-mittel signifikant (bis vollständig) ent-
können. In dieser Arbeit wurden verschie fernt.
dene Tiefenfilterschichten, Filterhilfsmittel und Fazit: Eine selektive Entfernung von Pestizi-
Adsorptionsmittel auf ihr Potential zur Ent- den neben CBD/CBDa aus ethanolischem
fernung von Pestiziden aus dem Hanfextrakt Hanfextrakt ist aufgrund von ähnlichen che-
untersucht. mischen Strukturen, Matrixeffekten und kon-
Das ethanolische Hanfextrakt sowie Ethanol kurrenzierenden Adsorptionen sehr schwierig.
und Reinstwasser wurden mit den Pestiziden
Abb. 1: Chemische
Atrazin, Boscalid, DEET, Diazinon, Dimethoat, Struktur von Canna-
Metalaxyl und Propamocarb gespikt. Die bidiol (CBD) bzw.
Cannabidiolsäure
Lösungen wurden über verschiedene Tiefen- (CBDa)
filterschichten und über Schüttungen diverser
Filterhilfs-/Adsorptionsmittel wie Aktivkohle,
Abb. 2: Pestizid
Ionenaustauscher, Kunststofffasern etc. filtriert. reduktion durch
Anschliessend wurde die Konzentration Adsorption an Aktiv-
kohlepulver. Die
der Pestizide mittels LC-MS/MS im Filtrat roten Striche zeigen
bestimmt und die prozentuale Reduktion die maximal mess-
bare Reduktion bei
berechnet. Ausserdem wurden mit Ultra High einer Bestimmungs-
Performance Liquid Chromatographie (UHPLC) grenze von 50 µgl–¹.
die Konzentrationsänderungen von Cannabi-
diol (CBD) bzw. der Cannabidiolsäure (CBDa)
durch die Filtration quantifiziert.
Die Pestizide konnten lediglich mit dem Aktiv-
kohlepulver aus dem ethanolischen Hanfext-
Abb. 3: Quantifizierung von CBD und CBDa im ethanolischen
rakt entfernt werden. Durch die Filterschichten Hanfextrakt und im Filtrat des Adsorptionsversuches mit
und übrigen Filterhilfsmittel konnte keine nen- Aktivkohlepulver.
21Bioinformatische Identifikation neuer Halogenasen
Diplomand Nicolas Imstepf
Korrektorinnen ZHAW Prof. Dr. Rebecca Buller, Dr. Christin Peters
Die regio- und stereoselektive Halogenierung Halogenasen validiert. Mit Hilfe dieser Identifi-
von niedermolekularen Verbindungen ist von kations-Strategie konnten bisher unbekannte,
grossem Wert für die pharmazeutische und potenzielle Halogenasen möglichen Substra-
agrochemische Industrie. Die Derivatisierung ten zugeordnet werden.
von nicht aktivierten C-H-Bindungen ist jedoch
häufig eine Herausforderung für existierende
organisch-chemische Methoden, besonders
in der industriellen Produktion. In diesem
Zusammenhang gewinnen daher Biokataly-
satoren an Bedeutung, da sie im Vergleich zu
konventionellen Katalysatoren häufig selekti-
ver und ökologischer sind. Die Identifikation
von neuen Halogenasen, Biokatalysatoren,
welche die regio- und stereoselektive Haloge-
nierung von niedermolekularen Verbindungen Abb. 1: Workflow zur Identifikation von Halogenasen durch
die Kombination einer halbautomatischen Literatursuche
ermöglichen, ist daher sowohl von akademi-
nach halogenierten Metaboliten und der Genomanalyse der
schem als auch industriellem Interesse. implizierten Organismen.
Bildquellen:
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ausgehend Flaticon, the largest database of free vector icons. Flaticon.
von halogenierten Metaboliten in silico nach https://www.flaticon.com (2020)
potenziellen Halogenasen gesucht. Spezi Dartmouth College. https://home.dartmouth.edu (2020).
elle Beachtung wurde dabei Substraten
Sayers, E. W. et al. Database resources of the National
geschenkt, welche nicht in das Substrat-
Center for Biotechnology Information. Nucleic Acids Res.
spektrum bekannter Halogenasen fallen. Mit 47, D23–D28 (2019).
der Analyse von massenspektrometrischen
Metabolom-Daten konnten zwar halogenierte
Verbindungen in Mikroorganismen identifiziert,
diese Metabolite aber nicht mit potenziellen
Halogenasen verknüpft werden. Deshalb
wurde ein alternativer Ansatz aus der Kom-
bination einer halbautomatischen Literaturre-
cherche und einer Genom-Analyse entwickelt
(Abb. 1). Die Methode wurde mit bekannten
22Enzymatischer Abbau von Chlorparaffinen mit der
Haloalkan-Dehalogenase LinB aus S. indicum
Diplomand Flurin Mathis
Korrektorin ZHAW Dr. Susanne Kern
Korrektor extern Dr. Markus Läubli
Betreuung extern Dr. Norbert Heeb und Marco Knobloch, Empa
Technische Chlorparaffine (CPs) sind komple- Es konnten einfach- und zweifach-hydroxy
xe Mischungen aus mehrfach chlorierten n-Al- lierte Transformationsprodukte massenspek-
kanen. Die Mischungen enthalten, was weni- trometrisch und chromatographisch nachge-
ger bekannt ist, neben Chlorparaffinen (CPs) wiesen werden. Die Anteile an ungesättigten
auch Chlorolefine (COs) und Chlordiolefine Verbindungen hatten sich durch die LinB-Ex-
(CdiOs). CPs werden als Flammschutzmittel position nicht verändert. Somit konnte gezeigt
und Weichmacher in der Kunststoffindustrie werden, dass CPs durch LinB enzymatisch
eingesetzt. Kurzkettige CPs (SCCPs) weisen dehalohydroxyliert werden können. Von den
eine hohe Toxizität gegenüber bestimmten entstandenen hydroxylierten CP-Transforma-
Wasserorganismen auf, sind schlecht abbau- tionsprodukten ist sehr wenig bekannt. Es gilt
bar und bioakkumulierend. 2017 wurden herauszufinden, welchen Umwelteinfluss diese
SCCPs in die Liste der persistenten organi- Stoffe haben.
schen Schadstoffe (POPs) der Stockholmer
Konvention aufgenommen.
Es wurde untersucht, ob C11-, C12- und C13-CPs
mittels des Enzyms LinB aus dem Bakterium
Sphingobium indicum abgebaut werden kön-
nen. LinB ist eine Haloalkan-Dehalogenase
und ist in der Lage, verschiedene halogenierte,
cyclische POPs zu hydroxylierten Transforma-
tionsprodukten umzuwandeln. Die Isotopen-
cluster der Chlorparaffine und deren postu-
lierten Abbauprodukte interferieren mit den Abb. 1: LinB-katalysierter Abbau von paraffinischen und
linearen Halogenverbindungen.
homologen Chlorolefinen im Massenspektrum.
Daher müssen die gemessenen Isotopenclus-
ter mittels eines mathematischen Verfahrens,
der Dekonvolution, in die Isotopencluster der
einzelnen Verbindungen aufgetrennt werden.
Die Auswertung der Expositionsexperimente
zeigte eine deutliche Abnahme der CP-Signa-
le. Der CP-Abbau konnte mit einer zweiphasi-
gen Reaktionskinetik modelliert werden.
23Design von Hemopexindomänenbindern zur
Modulierung des Matrix-Metalloproteinase-Netz-
werks
Diplomand Cédric Montagne
Korrektoren ZHAW Prof. Dr. Rainer Riedl, Dr. Stefan Höck
Korrektor extern Dr. Samuel Derrer
Die extrazelluläre Matrix ist zuständig für die könnte somit die Ausbreitung von Zellen
Erhaltung der mechanischen sowie bioche- inhibieren und dadurch auch Metastasen ein-
mischen Funktionalität von Zellen. Sie besteht schränken.
dabei zum grossen Teil aus Kollagenen, wel-
che für die Stabilität und Form von Gewebe Das Ziel der Arbeit war es, neuartige HPX-
und Organen sorgen. Der Abbau von Kolla- MMP-9-Modulatoren mittels in silico-Docking
genen ist ein wichtiger Prozess für die Bildung zu identifizieren und anhand von Molekülen,
von neuem bzw. Reparatur von beschädigtem die in vitro-Eigenschaften aufweisen, welche
Gewebe. Dieser ist von verschiedensten Pro- für eine Bindung an der HPX-Domäne von
teasen abhängig, wobei die Matrix-Metallopro- MMP-9 sprechen, weitere Moleküle zu syn-
teinasen (MMPs) als besonders interessante thetisieren.
Vertreter identifiziert wurden, da sie an vielen
pathogenen Abläufen beteiligt sind. Eine Fehl-
regulierung der MMPs kann der Auslöser für
Fibrose oder Arthritis sein. Zudem fördern eini-
ge MMPs die Zell-Migration und somit auch
die Metastasierung von Krebszellen.
Die Modulation von Matrix-Metalloproteina-
sen (MMPs) wird seit über 50 Jahren als
vielversprechender Ansatz zur Krebstherapie Abb. 1: Homodimer von HPX-MMP-9.
angesehen. Aufgrund verschiedener Neben-
wirkungen konnte jedoch noch kein tragbarer
MMP-Inhibitor auf den Markt gebracht wer-
den. Bislang wurde immer auf das kata
lytische Zentrum der Zielproteine fokussiert.
Eine neuartige Strategie zur Modulation von
MMPs ist die Interaktion an der Hämopexin-
domäne (HPX-Domäne), welche in 20 von 23
im Menschen vorkommenden MMPs existiert.
In MMP-9 ist die HPX-Domäne an der Homo- Abb. 2: Ligand im Zentrum von HPX-MMP-9.
dimerisierung beteiligt, welche wiederum eine
Signalkaskade auslöst und so die Zellmigra-
tion fördert. Die Modulation an HPX-MMP-9
24Chirale Selektoren für die Enantiomerentrennung
kleiner chiraler Moleküle
Diplomand Stefan Näf
Korrektor ZHAW Prof. Dr. Jürgen Stohner
Korrektor extern Prof. Dr. Robert Berger
Chirale Halomethane stellen ideale Modellver- Dazu wurden chirale Selektoren auf Basis von
bindungen für Experimente zur Chiralität dar. α-Cyclodextrin oder Cycloinulohexaose syn-
Mit ihnen lässt sich die molekulare Paritätsver- thetisiert (s. Abb. 1). Mit bereits vorhandenen
letzung untersuchen [1], die absolute Konfigu- und selbst hergestellten Kapillarsäulen und
ration von Bromchlorfluormethan (CHBrClF) präparativen Säulen wurden verschiedene
mittels Coulomb-Explosion Imaging (CEI) chirale stationäre Phasen getestet, wobei die
bestimmen [2] oder die Photodissoziation Enantiomerentrennung von CHBrFI im präpa-
von Bromfluoriodmethan (CHBrFI) mittels rativen Massstab gelang und für die Sammlung
Time-resolved photoelectron circular dichro- verwendet wurde. Die gesammelte Fraktion
ism (TR-PECD) verfolgen [3]. des ersten Enantiomers wies 88 %ee und die
des zweiten 95 %ee auf (Abb. 2).
Ziel dieser Arbeit war es, die Enantiomere von
CHBrClF und CHBrFI mithilfe chiraler Selek-
toren gaschromatographisch zu trennen und
bei ausreichender Trennleistung präparativ mit
einem Fraktionensammler (von B. Spenger [4])
zu sammeln. Die gesammelten Enantiomere
sollten dabei einen Enantiomerenüberschuss Abb. 2: Chromatogramme (rot und blau) der gesammelten
Fraktionen der beiden Enantiomere von CHBrFI.
von mehr als 90 %ee aufweisen.
Anmerkung: ee steht für enantiomeric excess und gibt in
der Stereochemie den Überschuss eines Enantiomers in
[1] R. Berger und J. Stohner, «Parity violation», WIREs.
einem Enantiomerengemisch an.
Comput. Mol. Sci., 2019, 9.
[2] M. Pitzer et.al., «Investigating Absolute Stereochemical
Configuration with Coulomb Explosion Imaging», CHIMIA,
2018, 72, 384–388.
[3] V. Svoboda, N. B. Ram, D. Baykusheva, D. Zindel,
B. Spenger, M. Ochsner, H. Herburger, J. Stohner und
H. J. Wörner, «Femtosecond photoelectron circular
dichroism of chemical reactions», 2020* (eingereicht).
[4] B. Spenger, «Enantiomerentrennung kleiner chiraler
Moleküle und Bestimmung der absoluten Konfiguration
mittels Schwingungsdichroismus», Masterarbeit, ZHAW
Wädenswil, 2013.
Abb. 1: Beispiel eines potentiellen chiralen Selektors.
25Charakterisierung und Strukturaufklärung von
rSAM abhängigen Epimerasen
Diplomandin Stefanie Reiter
Korrektor/-in ZHAW Prof. Dr. Rebecca Buller, Dr. Lukas Neutsch
Mikroorganismen können Resistenzen gegen strukturelle und biochemische Informationen
antimikrobielle Wirkstoffe ausbilden, was eine jedoch sehr wichtig.
Gefahr für die globale medizinische Versor-
gung darstellt. Die Suche nach neuen Anti- Um eine röntgenkristallographische Untersu-
biotika ist ein Weg, um dieser Gefährdung chung der Struktur von rSAM abhängigen Epi-
entgegenzutreten. In diesem Zusammenhang merasen zu ermöglichen, wurden Kristallisati-
stellen antimikrobielle Peptide (AMPs) mög- onsplatten mit insgesamt 960 verschiedenen
liche neue Therapeutika dar. Eine Herausfor- Pufferbedingungen angesetzt. Nach 25 Tagen
derung in ihrer Entwicklung ist jedoch, dass konnte noch keine Kristallbildung beobachtet
Peptide schnell durch körpereigene Proteasen werden, jedoch waren bei einigen Bedingun-
abgebaut werden. Durch die Modifikation der gen lokale Präzipitationen zu erkennen. Diese
Peptide, zum Beispiel durch die Installation Bedingungen werden als Startpunkt für wei
von D-Aminosäuren, könnte dieser Abbau tere Kristallisationsversuche dienen.
verlangsamt und so der Anwendungsbereich
von AMPs stark ausgeweitet werden.
Abb. 2: Entwicklung von lokalen Präzipitationen bei einer
Kristallisationsbedingung über den Zeitraum von 25 Tagen.
Abb. 1: Antimikrobielle Peptide als mögliche Alternative zu Mittels in vitro Biokatalysen wurden die Sub-
traditionellen Antibiotika. stratspezifitäten von zwei neu beschriebenen
Epimerasen analysiert. Die durchgeführten
rSAM abhängige Epimerasen sind Enzyme, Experimente zeigten die Empfindlichkeit von
welche anspruchsvolle posttranslationale Epi- rSAM abhängigen Epimerasen auf: In Abhän-
merisierungen von Aminosäuren in Peptiden gigkeit der verwendeten Peptidpräparation
durchführen. Seit ihrer Entdeckung zu Beginn konnten enzymatische Aktivitäten festgestellt
des 21. Jahrhunderts wurden mehrere Stu- werden. Die Resultate weisen auf eine Inhibie-
dien zur Aufklärung ihres Wirkmechanismus rung oder Aktivierung der Epimerasen durch
sowie der Substratspezifität unternommen. eine noch nicht identifizierte Komponente der
Zum heutigen Zeitpunkt konnte jedoch noch Reaktionsmischung hin.
keine Proteinstruktur dieser Enzyme aufgeklärt
werden. Mit dem Ziel, Epimerasen mechanis-
tisch besser zu verstehen und für die Erken-
nung potenter AMPs zur Optimierung, sind
26Nanofaser-Aerogele zur CO²-Adsorption
Diplomand Sébastien Roulin
Korrektor ZHAW Dr. Prof. Christian Adlhart
Korrektor extern Dr. Markus Läubli
Der Klimawandel beschäftigt die Menschheit In dieser Arbeit wurden Pullulan / Polyvinyl
seit Jahren, wobei Kohlendioxid (CO²) als alkohol / Natriumpolyacrylat-Nanofaser-Aero-
Treibhausgas eine wichtige Rolle spielt. Die gele einerseits mit Polyamidoamin-Dendrimer,
CO²-Emissionen, die zum grossen Teil aus der anderseits mit Polyethylenimin mittels Imprä-
Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen, gnierung funktionalisiert und charakterisiert.
werden aufgrund der industriellen Entwick- Weiter wurden die Adsorptionseigenschaften
lung, vor allem in den Schwellenländern, in dieser Nanofaser-Aerogele, wie Adsorptions
naher Zukunft nicht reduziert werden können. kapazität und Adsorptionswärme, mittels
Deshalb sind das Abscheiden und die indus- thermogravimetrischer Analyse (TGA) und
trielle Verwertung von CO², z. B. als Dünger dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC) unter-
oder synthetischer Treibstoff, eine interessante sucht. Anschliessend wurde das gezeigte Pro-
Alternative zur Reduktion der CO²-Emissionen. zessschema (Abb. 2) umgesetzt und der Grad
Die Absorption von CO² mittels Aminlösun- an CO²-Anreicherung mittels Online-Massen
gen ist heute der Stand der Technik bezüglich spektrometrie bestimmt.
CO²-Sequestration. Das Verfahren ist aller-
dings sehr energieaufwändig. Deshalb gilt die
Adsorption mit fester Phase als vielverspre-
chende Alternative und die Entwicklung neu-
er Adsorbenzien stellt einen entscheidenden
Schritt in Richtung Optimierung der Technik
bzw. in der Senkung von CO²-Emissionen dar.
Abb. 2: Adsorptions- bzw. Desorptionsprozess von CO²
mittels Temperaturschaukel an einer mit Amin funktionali-
sierten Nanofaser-Aerogel-Säule.
Abb. 1: Reaktion von CO² mit sekundären Aminen unter
Bildung von Carbamat und Hydrogencarbonat.
27Identifikation von SENP1-Inhibitoren durch
virtuelles Screening
Diplomand Marc Rütimann
Korrektor ZHAW Prof. Dr. Rainer Riedl
Korrektor extern Dr. Samuel Derrer
Die Sentrin-spezifischen Proteasen (SENPs) Soll ein SUMO entfernt werden, spalten die
sind für die posttranslationale Addition und SENPs die Amid-Bindung zur Lysin-Seiten
Entfernung von Small Ubiquitin-like Modifiers kette [6].
(SUMOs) auf Zielproteinen zuständig [1]. Eine
veränderte SENP-Expression wurde in diver- Das Ziel dieser Arbeit war es, die Subs
sen Krankheiten festgestellt, darunter auch tratspezifität der SENPs bezüglich der
Krebs. SENP1 erhöht die Transkriptionsaktivi- SUMOs – basierend auf Affinitätsanalysen im
tät des Androgen-Rezeptors, welcher mit Pro- SENP-SUMO-Komplex – zu untersuchen. Für
statakrebs korreliert [2]. Zusätzlich sind erhöh- die Bereiche, welche für die SENP-SUMO-
te Konzentrationen von SENP1 und SENP3 Komplexierung bedeutend sind, wurde ein
in Darm-, Lungen-, Prostata- und Eierstock- in silico Screening durchgeführt, um neue
krebs nachgewiesen worden [3]. Eine erhöhte SENP1-Inhibitoren zu identifizieren.
Konzentration von SENP5 ist ein Indikator
für Brustkrebs [4]. Im Menschen sind von der
SENP-Familie sechs Vertreter exprimiert. Die-
se unterscheiden sich in ihrer zellulären Posi-
tion und der Substrat-Spezifität bezüglich der
drei SUMO-Isoformen [5]. Die SUMO-Isofor-
men liegen in der Zelle als inaktives proSUMO
vor. Soll ein Protein SUMOyliert werden, wird
von den SENPs der proSUMO-Rest abgespal- Abb. 2: SENP1-SUMO1-Komplex (PDB: 2g4d). SUMO1
(orange) befindet sich auf einer elektronenarmen und
ten. Das SUMO wird anschliessend mittels -reichen Fläche. Das Ende des SUMOs geht oben in das
drei Enzymen an das Zielprotein gebunden. aktive Zentrum des SENP1.
[1] U. Lindenmann, M. Brand, F. Gall, D. Frasson, L. Hunzi-
ker, I. Kroslakova, M. Sievers, R. Riedl, ChemMedChem
2020, cmdc.202000067.
[2] S. Kaikkonen et. al., Mol. Endocrinol. 2009, 23, 292–307.
[3] J.-S. Seeler, A. Dejean, Nat. Rev. Cancer 2017, 17,
184–197.
[4] R. Cashman, H. Cohen, R. Ben-Hamo, A. Zilberberg,
S. Efroni, Oncotarget 2014, 5, DOI 10.18632/oncotarget.
1783.
[5] C. M. Hickey, N. R. Wilson, M. Hochstrasser, Nat. Rev.
Mol. Cell Biol. 2012, 13, 755–766.
Abb. 1: SENPs wandeln proSUMOs in SUMOs um. Diese
[6] Y. Jia, L. A. Claessens, A. C. O. Vertegaal, H. Ovaa, ACS
werden an das Zielprotein mit den Enzymen E1, -2 und -3
Chem. Biol. 2019, 14, 2389–2395.
gebunden. Die SENPs spalten die SUMOs ebenfalls vom
Zielprotein [6].
28Sie können auch lesen
