Bachelorarbeiten 2021 Chemie - ZHAW
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Bachelorarbeiten
2021
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 Salim Maruan 35
Die Diplomandinnen und Schneiter Dominic Michiel 36
Diplomanden
Sgier Miguel 37
Bergamini Leandra 6
Stüssi Michael 38
Bilic Aleksandar 7
Syfrig Roman 39
Bion Lucien 8
Thayaparan Krishnavanan 40
Blatter Cindy 9
Thomann Stephan 41
Cadalbert Michelle Alexandra 10
Tobler Andreas 42
Eckl Matthias 11
Walther Fabian 43
Ehrler Rahel 12
Waser Chiara 44
Elsener Jonas 13
Wichtermann Fabienne 45
Frey Michèle 14
Gaberell Fabio 15 Institut für Chemie und
Biotechnologie (ICBT) 47
Gattiker Jan 16
Perspektiven 48
Ghilardelli Sara 17
Certificates of Advanced Studies
Grunwald Sarah 18 (CAS) am Coffee Excellence
Hutter Brian Hermann 19 Center 51
Hutter Jules 20 TEDD 52
Jäger Seraina 21 Natural Products
Drug Discovery 53
Jud Alex 22
ALUMNI ZHAW 54
Kammerer Astrid 23
ZHAW LSFM 55
Keusch Melanie 24
Kreuzer Jan 25
Laimbacher Timo 26
Lustenberger Simon 27
Mäder Pascal 28
Mettler Kamal 29
Mohammad Yar Kevin 30
Moretta Elvira Alessandra 31
Müller Lukas 32
Pereira Foutinho Daniel 33
Saladin Siriel 34 Titelbild: True Color Pigment – interkaliertes Thioindigo;
Foto: Chiara Waser, BSc-Absolventin Chemie.
3
Die Absolventinnen und Absolventen des Bachelorjahrgangs CH 18 4
Vorwort Wädenswil, September 2021 Liebe Leserin, lieber Leser! Wir sind sehr glücklich, dass unter den speziellen Bedingungen der Coronavirus-Krise die Chemiestudierenden des Abschlussjahrgangs wieder in gewohnter Manier in unseren Labors an ihren Bachelorarbeiten arbeiten konnten. In dieser Broschüre prä- sentieren wir Ihnen die gebündelten Ergebnisse der Absolventinnen und Absolventen, die sich sehen lassen können. Die Studierenden haben selbständig an angewandten Fragestellungen, meist in Zusammenarbeit mit der Industrie, geforscht und entwickelt. Ich wünsche Ihnen viel Spass beim Lesen. Liebe Diplomandinnen und Diplomanden, mit dieser Broschüre halten Sie alle Bachelorarbeiten, also quasi die kondensierte Mühe Ihres Jahrgangs, in den Händen. Sie haben damit Ihr Ziel erreicht! Für mich persönlich sind die Bachelorar- beiten und die beeindruckenden Ergebnisse ganz klar der Höhepunkt im Kalenderjahr. In jeder Arbeit steckt auch immer eine gehörige Portion der Charaktere der Studieren- den und das ist schön so. Ich bin sicher, dieses Booklet gefällt Ihnen ebenso gut wie mir. Bewahren Sie es gut auf, denn ich bin überzeugt, dass Sie es immer wieder brau- chen können. Vielleicht brauchen Sie es, um den Namen eines Mitstudierenden oder des betreuenden Dozierenden nachzuschlagen, oder auch, um nach Forschungsthe- men des Instituts zu suchen. Sie finden in jedem Fall die ganze Breite von biologischen bis zu chemischen und auch technischen Fragestellungen abgedeckt. Wir gratulieren Ihnen ganz herzlich zum erfolgreichen Abschluss Ihres Chemiestudiums und freuen uns mit Ihnen! Ihr Achim Ecker Studiengangleiter Chemie Institut für Chemie und Biotechnologie 5
Deponierung einer extrazellulären Matrix von
humanen Hepatomzellen als Sphäroide mithilfe
des «macromolecular crowding»
Diplomandin Leandra Bergamini
Korrektoren ZHAW Prof. Dr. Michael Raghunath, Prof. Dr. Jack Rohrer
Durch die Entwicklung von 3D in vitro-Zell- Für diese Untersuchungen wurde MMC auf
modellen, wie z. B. Sphäroide, können Zell- die sphäroidale Konfiguration von humanen
Zell-Kontakte wesentlich besser in Kultur dar- Hepatomzellen (Hep-G2) sowie auf Monlayer
gestellt werden. Allerdings wird den Zellen in kulturen angewendet. Die ECM Deposition
Kultur ihre natürliche Umgebung, bestehend wurde durch immunhistologische Färbungen
aus einem komplexen Netzwerk von Makro- von Fibronektin und Kollagen IV analysiert.
molekülen, der extrazellulären Matrix (ECM), Zudem wurde ein allfälliges Differenzierungs-
zunächst einmal genommen und durch ein verhalten durch Färbungen der Leberzell-spe-
wässriges Kulturmedium ersetzt. Durch die zifischen Moleküle Vitronektin und Carbamoyl-
Technologie des macromolecular crowding phosphat Synthetase I untersucht. Es konnte
(MMC) wird diese Umgebung durch Zugabe beobachtet werden, dass die Sphäroide unter
von Makromolekülen in das Kulturmedium dem Einfluss von negativ geladenem Dex-
simuliert. Somit werden biochemische Reak- transulfat Andeutungen einer Fibronektin
tionen wie die supramolekulare Aggregation Deposition zeigten. Die Monolayerkulturen
gefördert, was es den Zellen erlaubt, ihre verhielten sich weitaus anders und zeigten mit
eigene ECM in Kultur aufzubauen [1]. Dies Dextransulfat und dem neutralen Makromole-
wird bereits erfolgreich in der Pharmaindustrie kül FicollTM eine ECM Deposition und anders
angewendet [2, 3]. In dieser Arbeit wurde die als die Sphäroide auch ein Differenzierungs-
Anwendung dieser Technik auf 3D-Kulturen verhalten.
untersucht. Damit würde ein Werkzeug zur Diese unterschiedlichen Ergebnisse verdeutli-
Verfügung stehen, welches zur Wirkstoffent- chen die Notwendigkeit eines Kultursystems,
wicklung und als Alternative zu Tiermodellen welches die natürliche Physiologie der Zelle in
eingesetzt werden könnte. vitro exakt darstellen kann. Um dies zu errei-
chen, sind noch weitere Versuche und Ansätze
nötig.
[1] Rashid et al., Novel Use for Polyvinylpyrrolidone as a
Macromolecular Crowder for Enhanced Extracellular Matrix
Deposition and Cell Proliferation. Tissue Engineering Part C:
Methods, 2014, 20, 994 – 1002.
[2] Chen et al., The Scar-in-a-Jar: Studying Potential Antifi-
brotic Compounds from the Epigenetic to Extracellular Level
in a Single Well, British Journal of Pharmacology, 2009,
158, 1196 – 1209.
Abb. 1: Kollagen IV (rot) und Fibronektin (grün) Deposition [3] Rønnow et al., Prolonged Scar-in-a-Jar: an in vitro
der Hep-G2 als Monolayerkultur (links) und als Sphäroid in screening tool for anti-fibrotic therapies using biomarkers of
toto (rechts) nach fünf Tagen MMC mit Dextransulfat. extracellular matrix synthesis, Respiratory Research, 2020,
May 7, 21, 108.
6
Formulierung und Optimierung eines thixotropen
Gels zur Blutseparierung
Diplomand Aleksandar Bilic
Korrektor ZHAW Dr. Peter Riedlberger
Korrektorin extern Dipl. Chem. Ing. Franziska Morganti
Untersuchungen des Blutes gehören zu den bei der Wundheilung unterstützend wirken.
Standardverfahren der klinischen Eingangsdi- Sowohl anhand der Zellbestandteile wie
agnostik. Viele pathologische Veränderungen auch des Überstands können sehr hilfreiche
im Körper lassen sich bereits bei der Unter- Erkenntnisse über den Gesundheitszustand
suchung von Patientenblut feststellen. Dabei eines Menschen gewonnen werden. Um die
wird meist das Blut aus der Armvene des Trennung dieser beiden Bestandteile zu ver-
Menschen entnommen und mittels Zentrifu- einfachen und um eine Rückvermischung zu
gation behandelt. Dabei sinken die roten und verhindern, werden sogenannte Trenngele
weissen Blutzellen nach unten ab. Der Über- eingesetzt. Diese bilden eine undurchlässige
stand wird als Plasma bezeichnet. Im Plasma Schicht zwischen den beiden Phasen und ver-
befinden sich wichtige Proteine, Nährstoffe einfachen dadurch die Blutuntersuchung.
und Gerinnungsfaktoren, welche einen Ein- Unser Kooperationspartner ist ein mittelstän-
fluss auf die Blutgerinnung haben und somit disches Schweizer Unternehmen, das sich
auf die Entwicklung, das Design und die Her-
stellung von medizinischen Produkten spe-
zialisiert hat. Die Firma stellt beispielsweise
Teströhrchen mit solchen Trenngelen her, um
die Blutuntersuchung zu vereinfachen und
um die Wundheilung nach Operationen zu
beschleunigen.
Ziel dieser Arbeit war es – ausgehend von ihren
bisherigen Gelen – eine Zusammensetzung
zu finden, mit deren Hilfe sich die Proteine
des Plasmas besser abtrennen lassen. Ein Teil
dieser Proteine im Blutplasma sind auch Anti-
körper, über welche in der derzeitigen Pande-
mie medial wie auch wissenschaftlich enorm
viel berichtet wird.
Abb. 1: Verwendete Apparatur
7
In silico-Studie zur Wechselwirkung der Dehalo-
genase LinB und halogenierten Verbindungen
Diplomand Lucien Bion
Korrektor/-in ZHAW Dr. Susanne Kern, Prof. Dr. Rainer Riedl
Korrektor extern Dr. Markus Läubli
Betreuung extern Dr. Norbert Heeb, EMPA
Persistente organische Schadstoffe (POPs) silico-Modeling bzw. Docking-Experimenten
sind schwer abbaubare und toxische chemi- untersucht.
sche Verbindungen, die sich in der Umwelt Anhand der Position der Liganden und der
und in Lebewesen akkumulieren. Zu dieser entsprechenden Beurteilung von Geometrien
Kategorie von Verbindungen zählen auch wurden für einige Liganden Vorschläge für die
Hexabromcyclododecane (HBCDs). Bis 2013 Konfiguration der Transformationsprodukte
wurden davon 22 000 t/J produziert und gemacht. Ebenso konnte durch die in silico-
hauptsächlich als Flammschutzmittel in Poly Simulation beurteilt werden, welche Konfor-
styrol verwendet [1]. Ähnliches gilt für kurzket- mationen der Liganden geeignetere Geome-
tige Chlorparaffine (SCCPs), die als Additive in trien bezüglich einer möglichen SN2-Reaktion
Schmiermitteln und Schneideölen eingesetzt verursachen. Anhand der Docking-Experi-
werden [2]. Trotz der Persistenz dieser Verbin- mente konnte zudem die Stereo- und Regio-
dungen gibt es Funde von Mikroorganismen, selektivität der Dehalogenase LinB bestätigt
die mit bestimmten Enzymen diese Schad- und erweitert werden.
stoffe mit Halogen-Atomen metabolisieren
können. Zu diesen Mikroorganismen gehört
Sphingobium paucimobilis UT26, welches mit
dem Enzym LinB anhand einer postulierten
SN2-ähnlichen Transformationsreaktion die
Halogene Brom und Chlor der HBCDs bzw.
der SCCPs durch eine Alkoholgruppe subs-
tituiert.
Grundlegend für eine solche Transformation
ist die Positionierung der Liganden im akti-
ven Zentrum. Eine wichtige Rolle spielt ins-
besondere der Interaktionswinkel zwischen Abb. 1: SN2-ähnlicher Mechanismus zur Katalyse haloge-
nierter Verbindungen in LinB [3].
dem nukleophilen Aspartat-108 und dem
elektrophilen Kohlenstoff. Im selben Ausmass [1] N. V. Heeb et al., Chemosphere, vol. 207, pp. 118 – 129,
ist auch die Geometrie des substituierten 2018.
[2] S. Bayen et al., Environ. Int., vol. 32, no. 7, pp.
Halogen-Atoms an der Enzym-Bindestelle
915 – 929, 2006.
entscheidend. Die Art und Weise wie sich [3] N. V. Heeb et al., Chemosphere, vol. 90, no. 6, pp.
die Liganden HBCD und SCCP im aktiven 1911 – 1919, 2013.
Zentrum von LinB positionieren, wurde mit in
8
Einsatz der NIR-Spektroskopie für die Beurteilung
von Polyurethan-Recyclaten
Diplomandin Cindy Blatter
Korrektor ZHAW Dr. Marc Bornand
Korrektor extern Dr. Florian Schinle
Polyurethane wurden in den 1930er Jahren den Ausgangsmaterialien herzustellen. Es
von Otto Bayer erfunden, was als einer der sollten geeignete Messmethoden entwickelt
Meilensteine in der Entwicklung der Polymer- werden, mit denen diese Qualität quantifi-
chemie gilt [1]. Aufgrund ihrer Vielseitigkeit ziert und die Recyclate charakterisiert werden
konnten sie viele andere Materialien erset- können. Aufgrund ihrer vergleichsweise ein-
zen, was zur Entwicklung von Produkten für fachen Anwendung wurde dazu besonders
zahlreiche Anwendungen führte. Heutzutage die Einsatzmöglichkeit der Nahinfrarot-Spek-
finden Polyurethane im täglichen Leben breite troskopie (NIR) untersucht. Unter Einsatz von
Verwendung wie beispielsweise in Möbeln, chemometrischen Methoden konnte aus den
Autos, Kleidung und Matratzen [2]. NIR-Daten diverser Recyclate auf die mit
Aber die weltweit wachsende Produktion von anderen analytischen Methoden gemesse-
Polyurethanschäumen generiert zunehmende nen Qualitätsmerkmale geschlossen werden.
Mengen an Abfällen, deren Entsorgung nicht Durch weiteres Verfeinern der in dieser Arbeit
nur ein ökonomisches, sondern auch ein entwickelten Verfahren, könnte zukünftig eine
ökologisches Problem darstellt [3]. Da Polyur Qualitätsbeurteilung von Polyurethanrecyclaten
ethane nicht thermoplastisch sind, gewinnen nur mittels NIR-Spektroskopie möglich werden.
vor allem chemische Recyclingmethoden an
[1] D. Dieterich, «Polyurethane – nach 50 Jahren immer
Relevanz und werden auch wirtschaftlich inte- noch jung», Chemie in unserer Zeit, Bd. 24, Nr. 3, 135,
ressant. 1990.
[2] A. Cornille et al., «A perspective approach to sustainable
Diese Arbeit hatte das Ziel, verschiedene routes for non-isocyanate polyurethanes», Eur. Polym. J.,
Recyclingprozesse im Labor durchzuführen Bd. 87, 535, 2017.
[3] Y. Deng et al., «Reviewing the thermo-chemical recycling
und einen Zusammenhang zwischen der Qua- of waste polyurethane foam», J. Environ. Manage., Bd. 278,
lität verschiedener Recyclingprodukte und 111527, 2021.
Abb. 1: Hergestellte und untersuchte Recyclingprodukte
9
Analyse der Zusammensetzung und Morphologie
von Indigo-Partikeln
Diplomandin Michelle Alexandra Cadalbert
Korrektor ZHAW PD Dr. Dominik Brühwiler
Korrektorin extern Dr. Susanne Widmer
Indigo ist das wohl älteste bekannte Färbe- Das Bundesamt für Gesundheit schreibt einen
mittel, welches bereits 2800 v. Chr. verwen- Grenzwert von 0.1 Gew. % der toxischen
det wurde. Heutzutage wird das Pigment vor Amine vor. In dieser Arbeit wurden verschie-
allem zum Färben der Blue Jeans eingesetzt. dene Konzepte für die Aufreinigung von Indigo
Durch die Ausbildung von 2D-Schichten und getestet und die Amine anschliessend mittels
durch supramolekulare Selbstanordnung zeigt HPLC quantifiziert. Die aromatischen Amin-
Indigo ein hohes Potential für elektronische konzentrationen konnten um über 70 % redu-
Anwendungen wie der Photovoltaik und Feld- ziert werden.
effekttransistoren. Ausgehend von der Hydro- Um die Tribologie des Indigos zu untersuchen,
phobie, der schlechten Benetzbarkeit und wurden rastertransmissionselektronenmikros-
guten Leitfähigkeit der Indigo-Schichten wird kopische (STEM) Bilder aufgenommen.
im Rahmen eines aktuellen Innosuisse-Pro-
jekts ein Einsatz als Gleitmittel für Wintersport-
geräte untersucht.
Auf per- und polyfluorierten Alkylverbindungen
basierende Ski-Wachse zeigen die bislang
besten Gleiteigenschaften, sind jedoch auf-
grund ihrer Toxizität und der schlechten
Abbaubarkeit problematisch. Die Isantin
GmbH hat eine umweltschonende Alternative
auf Basis von Indigo entwickelt. Um die bes-
ten Gleiteigenschaften von Indigo zu erzielen,
ist es erforderlich, dessen Reinheit zu optimie- Abb. 2: STEM-Aufnahme von Indigo-Partikeln
ren. Bei der Indigosynthese entstehen Neben-
produkte wie die aromatischen Amine Anilin Es ist erkennbar, dass es sich bei den Primär-
und N-Methylanilin. partikeln um Plättchen handelt. Des Weiteren
wurde das Agglomerationsverhalten dieser
Primärpartikel untersucht. Die Resultate erlau-
ben wertvolle Rückschlüsse auf die Nano-
struktur der Indigo-Gleitflächen.
Abb. 1: Anilin und N-Methylanilin
10Chirale Selektoren für die Enantiomerentrennung
kleiner chiraler Moleküle
Diplomand Matthias Eckl
Korrektor ZHAW Prof. Dr. Jürgen Stohner
Korrektor extern Prof. Dr. Robert Berger
Die Bedeutsamkeit molekularer Chiralität für auch selbst hergestellte präparative Säu-
die Wissenschaft benötigt heutzutage kaum len auf ihre enantioselektiven Eigenschaften
noch eine Erklärung. Ein grosser Anteil von getestet. Die Sammlung der Enantiomere
bekannten Substanzen besteht aus chiralen mittels präparativer GC wurde über vier Tage
Molekülen und spätestens seit dem tragi- mit 20 Injektio nen durchgeführt. Der chro-
schen Contergan-Skandal sollte dies jedem/r matographisch bestimmte Enantiomerenüber-
Chemiker/in bekannt sein [1, 2]. Kleine chirale schuss der Fraktion Peak 1 betrug 95.8 % und
Moleküle wie das Halomethan Bromchlorflu- der chromatographisch bestimmte Enantio-
ormethan (CHBrClF) sind aufgrund ihres einfa- merenüberschuss der Fraktion Peak 2 betrug
chen Aufbaus ideale Verbindungen zur Unter- 97.1 %.
suchung der absoluten Konfiguration und der Des Weiteren wurde versucht, Bromchlorfluor-
molekularen Paritätsverletzung [3, 4]. methan in enantiomerenreiner Form über die
Derivatisierung einer Vorstufe, dessen Diaste
reomere anschliessend mittels Flash Chro-
matographie aufgetrennt wurden, herzustellen
[5, 6].
Hierbei konnte bei der Derivatisierung der
Bromchlorfluoressigsäure noch kein Produkt
isoliert werden, wodurch die Auftrennung der
Abb. 1: Enantiomere von CHBrClF. Diastereomere nicht getestet werden konnte.
[1] J. Gal in Differentiation of Enantiomers I, (Hrsg.: V.
Das Ziel dieser Bachelorarbeit war es, ein Schurig), Topics in Current Chemistry, Springer International
Racemat von Bromchlorfluormethan mithilfe Publishing, Cham, 2013, S. 1 – 20.
[2] H.-U. Blaser, “Chirality and its Implications for the
von präparativer Gaschromatographie (GC) Pharmaceutical Industry”, Rend. Fis. Acc. Lincei 2013, 24,
aufzutrennen und die einzelnen Enantiomeren 213 – 216.
[3] M. Pitzer et al., “Investigating Absolute Stereochemical
fraktionen zu sammeln. Hierbei wurden bereits Configuration with Coulomb Explosion Imaging”, Chimia
in der Forschungsgruppe vorhandene wie 2018, 72, 384 – 388.
[4] M. Quack, J. Stohner, “Parity Violation in Chiral Molecu-
les”, Chimia 2005, 59, 530 – 538.
[5] M. R. Mazenauer et al., “Synthetic Routes for a Variety of
Halogenated (Chiral) Acetic Acids from Diethyl Malonate”,
RSC Adv. 2017, 7, 55434 – 55440.
[6] J. A. Thoma, Synthese von neuartigen, chiralen Selekto-
ren und Enantiomerentrennung von kleinen, halogenierten
Molekülen mittels Gaschromatographie im analytischen und
Abb. 2: Chromatogramme zur Bestimmung der Enantio präparativen Massstab, Masterarbeit, ZHAW Wädenswil,
merenüberschüsse: Peak 1 (links), Peak 2 (rechts). 2019.
11Deposition einer extrazellulären Matrix in SAOS-2
Sphäroiden unter MMC
Diplomandin Rahel Ehrler
Korrektoren ZHAW Prof. Dr. Michael Raghunath, Prof. Dr. Jack Rohrer
In vivo befinden sich Zellen in einer makromo- 3D-Zellkonstrukte ähnlich der Wachstumsform
lekülreichen, gedrängten (crowded) Umge- vieler Tumore. Das Wachstum als Sphäroid
bung. Diese Bedingungen nehmen Einfluss auf beeinflusst die Biologie der Zellen und simuliert
enzymatische Reaktionen, Proteinfaltung und ein verbessertes Modell der in vivo-Situation
-Zusammenlagerung und führen daher zu einer gegenüber Monolayer-Kulturen. Mit der Osteo-
verbesserten Deposition einer extrazellulären sarkom-Zelllinie SAOS-2 wurden Sphäroide
Matrix (ECM). Im Gegensatz zu Zellen in vivo gezüchtet und während 14 Tagen in Medien mit
bilden sich in Zellkultur nur geringe Mengen dem negativ geladenen Glukosepolymer Dex
an ECM aus. Die makromolekular gedrängten transulfat 500 kDa unter MMC-Bedingungen
Bedingungen, welche Zellen in vivo erfahren, kultiviert. Zusätzlich wurde dem Kulturmedium
können in Zellkultur durch Zugabe von Makro- Ascorbinsäure (Vitamin C) zugesetzt, um die
molekülen in das Kulturmedium simuliert wer- Sekretion von Kollagenmonomeren zu fördern.
den. Dadurch wird eine verstärkte ECM Depo- Nach der MMC-Phase wurde mittels Immun-
sition erzielt. Man spricht vom Macromolecular fluoreszenzfärbung die Präsenz und Verteilung
Crowding (MMC). Durch die verstärkte Deposi- der ECM-Moleküle Kollagen I und Fibronektin
tion einer ECM mittels MMC können Gewebe dargestellt. Nach 14 Tagen Crowding konnte
besser nachgestellt werden, um sie beispiels- im Ansatz eine verstärkte Deposition von Fibro-
weise für die Medikamentenforschung, in der nektin und Kollagen I in SAOS-2 Sphäroiden
Wundheilung oder Krebstherapie zu nutzen. unter MMC gezeigt werden.
Der Effekt von MMC auf eine verstärkte Depo-
sition einer ECM wurde bislang nur in Mono-
layer-Zellkulturen getestet. Im Rahmen des vor-
liegenden Projektes wurde untersucht, ob eine
verstärkte Deposition einer ECM durch MMC
auch in Sphäroid-Kulturen nachgewiesen wer-
den kann. Bei Sphäroiden handelt es sich um
Abb. 2: Immunfärbung von Kollagen I und Fibronektin in
SAOS-2 Sphäroiden nach Kultivierung in Ascorbinsäure-halti-
gem Crowding-Medium mit unterschiedlichen Konzentratio-
nen an Dextransulfat 500 kDa (DxS). Bei 10 und 50 µg/ml
Abb. 1: SAOS-2 Osteosarkomzellen in Zellkultur: Monolayer- zeigte sich eine verstärkte Deposition an Fibronektin (rot) und
Kultur (links), Wachstum als Sphäroid (rechts). Kollagen I (grün).
12Bioprinting von Zellen zur Herstellung von
künstlichem Fleisch
Diplomand Jonas Elsener
Korrektoren ZHAW Dr. Markus Rimann, Prof. Dr. Michael Raghunath
Der weltweite Fleischkonsum steigt jährlich. Da Biotinten gedruckt: eine selbst hergestellte
mit rücken ethische und ökologische Aspekte Alginat-Gelatine-Biotinte und eine kommerzielle
wie die Massentierhaltung, Schlachtung von photopolymerisierbare Biotinte. Die gedruck-
Nutztieren, Tierseuchen, erhöhter Ressourcen- ten 3D-Gewebe wurden über die Dauer von
verbrauch und Anstieg der Methanemission 10 resp. 14 Tagen kultiviert und während und
immer mehr in den Fokus. Es ist mittlerweile nach dem Versuch die Vitalität des Gewebes
bekannt, dass eine Reduktion des persönlichen überprüft. Als Konzeptstudie geben die Resul-
Fleischkonsums für gewisse Klimaziele unum- tate aus den durchgeführten Experimenten
gänglich ist. Kultiviertes, im Labor gezüchtetes Aufschluss über die grundsätzliche Möglichkeit,
Fleisch bietet eine vielversprechende Alternative primäre Vorläuferzellen in 3D-Geweben zu dru-
neben den bereits existierenden fleischlosen cken, zu kultivieren und in spezifische Zelltypen,
Ersatzprodukten, um besagte Aspekte anzu- die im Fleisch enthalten sind, zu differenzieren.
gehen. Während Muskelzellen in grösseren
Mengen bereits erfolgreich zu Burgerpatties
zusammengesetzt werden konnten, sind noch
einige Hürden zu bewältigen, bevor man die
Textur eines konventionellen Fleischstücks im
Labor nachahmen kann.
In dieser Arbeit wurde mit zwei selbst isolierten
primären Zelllinien gearbeitet, welche essenzi-
elle Bestandteile von Muskelgewebe von Säu-
getieren sind und somit auch zu den Hauptbe- Abb. 1: Nahaufnahme des Druckprozesses
standteilen von Fleisch gehören: Präadipozyten
und Muskelvorläuferzellen (Satellitenzellen) von
Rindern. Isolierte und mittels FACS sortierte
Praädipozyten wurden zur Verfügung gestellt
und die Induktion der Adiopogenese mittels
freiem Fettsäure-Mix in 2D- und 3D-Kulturen
durchgeführt. Bovine Satellitenzellen wurden
im Labor aus Rindermuskelgewebe isoliert und
weiterkultiviert. Die Myogenese wurde mittels
Absenkung der Serumkonzentration in 2D- und
3D-Kulturen induziert. Die 3D-Kulturen wurden Abb. 2: Induktion der Myogenese in Satellitenzellen in 2D:
mittels Bioprinting und zwei unterschiedlichen Zellkerne (blau), Actin (Cytoskelett, grün).
13Herstellung von 3D-Gewebe durch Stapeln von
Nanofaser-Trägern
Diplomandin Michèle Frey
Korrektor ZHAW Prof. Dr. Christian Adlhart
Korrektor extern Dr. Markus Läubli
Die Herstellung von in vitro-3D-Hautmodellen Als kritisch erwies sich die Verbindung zwi-
ist seit den 1980er Jahren möglich und wird schen den Zellschichten, doch es wurden
ständig weiterentwickelt. Jedoch mangelte zwei Wege gefunden, um besiedelte NFM zu
es bisher an der Festigkeit von Gerüstmate- verbinden und dadurch mehrere Schichten
rialien und der Herstellung von Hautmodellen von Fibroblasten zu stapeln. So konnte die
innert kurzer Zeit, d. h. wenige Tage bis zwei Zucht der Dermis verkürzt werden. Ausser-
Wochen. dem wurde eine Grundlage geschaffen, um in
einem weiteren Schritt komplexe 3D-Hautmo-
In dieser Arbeit wurden unterschiedliche delle aus verschiedenen Zelltypen herzustellen.
Methoden eruiert, um Nanofasermatten (NFM) Durch Zugabe primärer Immunzellen könnten
aus Polyacrylnitril (PAN) oder einem Copolymer im Bereich der personalisierten Medizin, Test-
mit Methylacrylat P(AN-co-MA) als Gerüstma- substrate für Patienten mit profibrotischen
terial elektrisch auf Rahmen zu spinnen. Diese Autoimmunkrankheiten für den klinischen All-
wurden mit Zellen besiedelt und gestapelt. Die tag entwickelt werden.
Stapeltechnik ist in Abbildung 1 gezeigt.
Abb. 1: Besiedlungsprozess: links sind Nanofasermatten (NFM) auf Rahmen dargestellt – schematisch und darüber eine
REM-Aufnahme einer NFM aus 12 wt% P(AN-co-MA) in 10 000-facher Vergrösserung. Mittels Pipette wird die Zellsuspension
zugetropft. Rechts sind die besiedelten NFM auf den Rahmen zu sehen.
14Untersuchung der Beladung in mesoporösem
Silikat
Diplomand Fabio Gaberell
Korrektor ZHAW Dr. Andri Schütz
Korrektor extern Dr. Christian Trindle
In dieser Arbeit wurde die Beladung sowie Ramanspektren einer Probe aufgenommen
Desorption von klassischen Bestandteilen von und mit Lichtmikroskopaufnahmen (Abb. 1)
Epoxidklebstoffen in mesoporösem Silikat verglichen. Die Intensität einer molekülspezifi-
untersucht. Silikate sind anorganische Verbin- schen Bande kann dargestellt und so deren
dungen, die durch das Ausbilden komplexer dreidimensionale Verteilung im Partikel analy-
Gerüststrukturen eine Vielzahl an möglichen siert werden (Abb. 2).
Anwendungen in der Industrie finden. Durch
ihre poröse Struktur besitzen die Materialien
meistens eine sehr grosse Oberfläche von
über 500 m²/g, wovon die innere Porenober-
fläche den grössten Teil ausmacht. Durch
diese grosse innere Oberfläche eignen sich
Silikate ausgezeichnet zur Beladung mit orga-
nischen Molekülen. Eine Verkapselung kann
beispielsweise mittels Capillary Impregnation
durchgeführt werden, wobei das zu ver-
kapselnde Molekül (Adsorbat) als gesättigte
Lösung zum Silikat gegeben wird, passend
abgestimmt auf das Volumen der Silikatporen. Abb. 1: Lichtmikroskopische Aufnahme einer Ansammlung
von beladenen Silikatpartikeln.
Durch Kapillarkräfte wird diese Lösung in die
Poren gezogen und das Lösungsmittel kann
anschliessend abgedampft werden.
Die Beladungsmenge kann durch verschie-
dene Methoden bestimmt werden, wie etwa
durch Thermogravimetrie (TGA). Das orga-
nische Adsorbat zersetzt sich bei erhöhten
Temperaturen und diffundiert aus den Poren.
Durch die gemessene Massenabnahme kann
auf die Beladungsmenge der organischen
Moleküle geschlossen werden.
Eine Methode, um die Lokalisierung des
Adsorbats im Partikel zu bestimmen, bietet die
Abb. 2: Raman Bildgebung bestehend aus 320 000 Raman
konfokale Ramanmikrospkopie. Dabei wer- spektren, Darstellung der Intensität einer Adsorbat-spezifi-
den auf unterschiedliche Ebenen fokussierte schen Bande.
15Struktur-Wirkungsbeziehung eines Tailspike-
Proteins aus einem Escherichia-spezifischen
Bakteriophagen
Diplomand Jan Gattiker
Korrektor/-in ZHAW Dr. Sabina Gerber, Prof. Dr. Lars Fieseler
Die stark zunehmenden Antibiotikaresistenzen In einem der Assays wurde die Umsetzung
von pathogenen Bakterien hat in den letzten des O-Antigen-Substrats über einen Western
30 Jahren zu einem erneuten Interesse an der Blot analysiert.
Bekämpfung von Krankheitserregern mithilfe
von Bakteriophagen (Phagen) geführt. Die
enorme Fülle und Vielfalt von Phagen in der
Natur stellt eine wertvolle Ressource dar, die
für viele Anwendungen genutzt werden kann,
wie z. B. der Kontrolle von Pathogenen in
Lebensmitteln oder bei Infektionskrankheiten Abb. 1: Hydrolyseaktivität der 21 TSP-Varianten.
oder für die Detektion oder Diagnose. In der
Medizin schränkt die limitierte Verfügbarkeit Die zweite Analyse zeigte den indirekten Ein-
und Entwicklung neuer Antibiotika schon fluss der Varianten auf das Wirtszellsystem
heute die Behandlungsmöglichkeiten für zuvor und auf die Infektion durch den Phagen in
heilbare Infektionskrankheiten ein, weshalb Zellkulturen.
Phagen als attraktive Alternative zu klassi-
schen Antibiotika vermehrt erforscht werden.
Für einen regulierten Einsatz von Phagen in
der Medizin ist das Verständnis des moleku-
laren Mechanismus der Infektion notwendig.
In dieser Bachelorarbeit wurden 21 verkürzte
Varianten eines am Infektionsprozess beteilig-
ten Tailspike-Proteins (TSP) aus einem Bak- Abb. 2: Wachstum des Wirtsorganismus nach Zugabe der
Varianten und des Phagen.
teriophagen erfolgreich kloniert und rekombi-
nant exprimiert. Anschliessend wurden zwei
Assays für die Aktivitätsanalyse entwickelt. Die essenziellen Proteindomänen für Protein
stabilität und Aktivität konnten durch beide
Assays erfolgreich und übereinstimmend cha-
rakterisiert werden.
16Identifizierung von organischen Reifeninhalts
stoffen in Umweltproben mittels Massenspektro-
metrie
Diplomandin Sara Ghilardelli
Korrektorin ZHAW Dr. Susanne Kern
Korrektor extern Dr. Markus Läubli
In der Reifenindustrie werden viele Hilfsmittel 400 °C im Injektor ausgeheizt werden kann.
wie Vulkanisationsbeschleuniger, Weichma- Die flüchtigen Verbindungen gelangen so auf
cher, Füllstoffe, Alterungsschutz und Kunst- die GC-Säule, werden chromatographisch
stoffe eingesetzt [1]. Diese Reifenbestandteile getrennt und mittels hochauflösender Massen-
tragen zur Mikroplastikverschmutzung bei, spektrometrie analysiert. Mit dieser Technik
wobei ihnen jedoch bis vor Kurzem wenig konnten gemahlene Autoreifenproben semi-
Beachtung geschenkt wurde [2 – 4]. quantitativ auf die ausgewählten Reifenchemi-
Einige dieser Inhaltsstoffe können sich teilwei- kalien untersucht werden.
se in der Umwelt akkumulieren und toxische
Wirkungen hervorrufen. Durch Reifenabrieb
auf den Strassen gelangen sie durch den
Regen in den Boden und ins Abwasser.
Zur Analyse von solchen flüchtigen organi-
schen Stoffen ist die Gaschromatographie mit
Massenspektrometrie-Kopplung (GC-MS) die
Methode der Wahl, wie sie auch in dieser
Arbeit verwendet wurde. Da die erwarteten Abb. 1: Die vier untersuchten Reifeninhaltsstoffe Benzothia-
Konzentrationen in Umweltproben sehr nied- zol, 2-Morpholino-1,3-benzothiazol, N-Cyclohexyl-1,3-ben-
zothiazol-2-amin und Hexamethoxymethylmelamin sowie
rig waren, wurden die gesuchten Stoffe in die postulierte Chemikalie 1,2-Dihydro-2,2,4,-trimethylchi-
Strassenabwasserproben mittels Festpha- nolin, welche in Strassenabwasser- und Reifenproben
gefunden wurde.
senextraktion aufkonzentriert. Ausgewählte
Reifenchemikalien wurden durch Referenz- [1] H. Stumpf, Handbuch der Reifentechnik, Springer, Wien,
standards quantitativ bestimmt. Zudem 1997.
[2] T. Hüffer, S. Wagner, T. Reemtsma, T. Hofmann, Trends
konnten dank der hochauflösenden Massen
in Analytical Chemistry 2019, 113, 392 – 401.
spektrometrie auch bis jetzt noch nicht in der [3] L. J. Knight, F. N. F. Parker-Jurd, M. Al-Sid-Cheikh,
Literatur beschriebene Reifeninhaltsstoffe in R. C. Thompson, Environ Sci Pollut Res 2020, 27,
18345 – 18354.
einzelnen Umweltproben aufgespürt werden [4] B. Baensch-Baltruschat, B. Kocher, C. Kochleus,
(Abb. 1). Nebst der direkten Injektion von F. Stock, G. Reifferscheid, Science of The Total Environment
2021, 752, 141939.
Strassenabwasserproben ins GC-MS wurde
auch die Injektion mit Thermal Separation
Probe getestet, um feste und flüssige Pro-
ben ohne aufwändige Extraktion injizieren zu
können. Dabei wird eine Probe mit komplexer
Matrix in einen Tiegel gegeben, welcher bis
17Behandlung von Tintenfrass mit basischen
Nanopartikeln in organischen Lösemitteln
Diplomandin Sarah Grunwald
Korrektor ZHAW Dr. Bastian Brand
Korrektorin extern Carmen Effner
Tintenfrass beschreibt die Zersetzung der Cel- Das Ziel dieser Arbeit war es, eine weite-
lulose des Papiers. Ausgelöst wird er durch die re Methode zur Entsäuerung der Papiere zu
Verwendung von Eisengallustinte, in welcher entwickeln, welche auf organischen Löse-
Eisen(II)-Sulfat enthalten ist. Das Eisen verur- mitteln basiert. Kommerziell erhältliche Cal-
sacht einen oxidativen Abbau des organischen ciumhydroxid-Dispersionen mit Ethanol oder
Materials. Das Sulfat reagiert zusammen mit Isopropanol wurden dafür eingesetzt. Mit
Wasser und Sauerstoff zu Schwefelsäure, die dem Auftragen von Eisengallustinte und dem
eine saure Hydrolyse der Cellulosepolymere künstlichen Alterungsprozess wurde der Tin-
bewirkt. Infolge dieser beiden Reaktionen wer- tenfrass ausgelöst, was einer Imitation von
den die Cellulosepolymere zerstört und das historischen Dokumenten entsprach.
Papier zerfällt [1,2]. Betroffen sind beispiels- Mittels Titration wurde die benötigte Menge
weise Kompositionen von Johann Sebastian an basischen Nanopartikeln für die Neutralisa-
Bach oder Manuskripte von Galileo Galilei. Ein tion ermittelt. Aufbauend auf den Resultaten
Beispiel ist in Abbildung 1 zu sehen. Die weis- der Titration wurde die Menge Calciumhydro-
sen Stellen zeigen die Löcher, die durch den xid appliziert und es konnte eine Neutralisation
Tintenfrass entstanden sind [3]. der Papiere erreicht werden.
Quellen:
[1] Xu, Q.; Poggi, G.; Resta, C.; Baglioni, M.; Baglioni,
P., Grafted Nanocellulose and Alkaline Nanoparticles for the
Strengthening and Deacidification of Cellulosic Artworks.
Journal of Colloid and Interface Science, 2020, 576,
147 – 157.
[2] Potthast, A.; Henniges, U.; Banik, G., Iron Gall Ink-In-
duced Corrosion of Cellulose: Aging, Degradation and
Stabilization. Part 1: Model Paper Studies. Cellulose, 2008,
15, 849 – 859.
[3] Kolar, J.; Strlič, M.; Sim, J., STABILISATION OF COR-
Abb. 1: Von Tintenfrass befallenes Manuskript von Galileo
ROSIVE IRON GALL INKS. Acta Chim. Slov., 2003, 9.
Galilei [3].
[4] Andres, H.; Reist, M.; Beer, P.; Wälchli, M.; Vogelsanger,
B., papersave swiss Massenentsäuerungsanlage – Erkennt-
nisse und Erfahrungen aus 4 Jahren Betrieb. Internationales
Es existieren bereits verschiedene Methoden, Symposium für Informationswissenschaft, 2004, 65 – 83.
um dem Tintenfrass entgegenzutreten. Aber [5] Smith, A.W. Wässrige Entsäuerung von Papier. In Papier
und Wasser – Ein Lehrbuch für Restauratoren, Konservie-
bei diesen Verfahren kann die Tinte ausblu- rungswissenschaftler und Papiermacher; Banik, G.;
ten oder die Papierstruktur verändert werden Brückle, I., Eds.; Verlag Anton Siegl Fachbuchhandlung
GmbH: München, 2015; pp. 419 – 468.
[2,4,5].
18Aufbau eines Prozessinformationssystems mittels
Raspberry Pi®
Diplomand Brian Hermann Hutter
Korrektor/-in ZHAW Dr. Judith Krautwald, Prof. Dr. Achim Ecker
Mit Industrie 4.0 wurde ein neues Zeitalter port-(MQTT)-Protokolls auf einem Raspberry
für die Industrie eingeläutet. Durch Erfindun- Pi gesammelt werden. Diese wurden dann in
gen wie das Internet of Things (IoT) steigt der Open Source Datenbank InfluxDB abge-
das Interesse an Sensoren und Geräten, die speichert und mithilfe des Open Source Tools
miteinander kommunizieren und sich anhand Grafana in Echtzeit visualisiert. Durch eine
dieser ausgetauschten Informationen selbst graphische Benutzeroberfläche konnte die
konfigurieren und optimieren. Oft bieten aber Sollwertänderung und das Ein- und Ausschal-
Sensoren und Geräte im Labor keine Schnitt- ten an den Geräten realisiert werden. In einem
stelle zum Internet. Mithilfe eines Raspberry Pi zweiten Schritt konnte eine Schnittstelle zwi-
soll dies jedoch ermöglicht werden und so ein schen einer Laborsteuerung von HiTec Zang
IoT-Netzwerk in einer Laborumgebung einge- und einem Raspberry Pi eingerichtet werden
richtet werden. Der Raspberry Pi ist aufgrund und somit diese ins IoT-Netzwerk integriert
seines Preis-Leistungs-Verhältnisses die erste werden. In einem letzten Schritt wurde ein
Wahl. Partial Least Square (PLS) Regressionsmo-
In der vorliegenden Arbeit wurden von zwei dell zur Online-Überwachung des Umsatzes
Anlagen (Interkalator und Autoklav) alle Sen- der enzymkatalysierten Umesterung von
soren und Geräte mit einem Raspberry Pi Dimethyladipat zu Diisotridecyladipat anhand
verbunden. Dazu gehörten zwei Thermostate, von Nahinfrarot (NIR)-Spektroskopie und
drei Drucktransmitter, eine Drehzahlmessung Gaschromatographie (GC) als Referenzanaly-
mit einem Hall Magnetfeld Sensor, eine Strom- tik erstellt. Das Modell wurde mittels Kreuzva-
messung mit SmartPi, ein Rührer, eine Pumpe lidierung überprüft und es wurde für die opti-
und ein Photonendichtewellenspektrometer. male Datenvorverarbeitung ein mittlerer Fehler
Die Messdaten all dieser Sensoren konnten der Kalibrierung (RMSEC) von 1.01 % (vom
mithilfe des Message-Queue-Telemetry-Trans- Umsatz) bestimmt.
TI
RS-232
Autoklav
Thermostat T101
Unistat 385w USB
TI
T102 MQTT
PI RS-485
Drucktransmitter
Keller 35XHTC P101
IC-iot08 MQTT
SI USB
Rührer IC-iot04 Zeitreihendatenbank
IKA Eurostar 60 S101 IoT-Netzwerk Visualisierung
Pumpe RS-232
SI
HiTec Zang LabDos S101 USB
PDW QI USB MQTT
PDW Analytics Q101 Laptop
Abb. 1: Ausschnitt des Schemas des Prozessinformationssystems
19In vivo Transformationsstudie von langkettigen
C18-Chlorparaffinen in Klärschlamm
Diplomand Jules Hutter
Korrektorin ZHAW Dr. Susanne Kern
Korrektor extern Dr. Markus Läubli
Chlorparaffine (CPs) sind meist technische und biotische Transformationsprozesse an
Mischungen aus polychlorierten n-Alkanen mit C18-CP-Standardmaterialien untersucht. Einer-
unterschiedlichen Kettenlängen (C10 – C30) [1]. seits wurden C18-Materialien einer Temperatur
Die Chlorierungsgrade variieren zwischen von 200 °C ausgesetzt und die thermische
30 und 72 Gewichtsprozenten. CP-Mischun- Zersetzung von CPs untersucht (Abb. 1 A).
gen werden als Kühlschmierstoffe in der Andererseits wurden C18 – CPs in lebendem
Metallverarbeitung oder als Weichmacher und Klärschlamm der ARA Horgen exponiert
Flammschutzmittel in Kunststoffen eingesetzt. (0 – 41 Tage) (Abb. 1 B). Das C18 -CP-Material
Die kurzkettigen CPs (SCCPs, C10 – C13) wei- und deren Transformationsprodukte wurden
sen eine hohe Toxizität gegenüber Wasseror- mit einem Flüssigchromatographie-System,
ganismen auf, werden in Lebewesen akkumu- gekoppelt mit einem hochauflösenden Mas-
liert und stehen unter Verdacht, kanzerogene senspektrometer (Orbitrap), analysiert. Mit dem
Eigenschaften zu besitzen. Sie wurden 2017 Orbitrap konnten die Signale der komplexen
in die Stockholmer-Konvention über persis- Chlor-Isotopenmuster direkt und interferenz-
tente organische Schadstoffe (POPs) aufge- frei aus den Massenspektren ausgelesen wer-
nommen und verboten. Als Alternative werden den [2]. Die Temperaturbehandlung führte zu
nun vermehrt längerkettige CPs eingesetzt, einem abiotischen Abbau der CPs nach einer
die nach dem heutigen Stand der Wissen- Kinetik erster Ordnung. Die Reaktionsge-
schaft ähnlich wie die SCCPs mit der Umwelt schwindigkeit nahm mit steigendem Chlorie-
interagieren. rungsgrad zu. Auch bei der Klärschlamm-Ex-
Um das Verhalten von langkettigen CPs position wurde eine signifikante Abnahme der
(LCCPs, C≥18) in der Umwelt besser zu ver- C18-CP-Homologen beobachtet. Auch unter
stehen, wurden in dieser Arbeit abiotische biotischen Bedingungen erhöhte sich die
Abbaugeschwindigkeit mit steigendem Chlo-
rierungsgrad.
[1] Muir, Derek, Gary Stern, and Gregg Tomy. “Chlorinated
paraffins.” Volume 3 Anthropogenic Compounds Part K
(2000): 203 – 236. [2] Schinkel, Lena, et al., “Dealing with
strong mass interferences of chlorinated paraffins and their
transformation products: An analytical guide.” TrAC Trends
in Analytical Chemistry 106 (2018): 116 – 124. [3] M. C.
Knobloch, L. Schinkel, H.-P. E. Kohler et al., “Transforma-
tion of short-chain chlorinated paraffins and ole-fins with the
bacterial dehalogenase LinB from Sphingobium Indicum –
Kinetic models for the homologue-specific conversion of
Abb. 1: Mögliche abiotische (A) und biotische (B) Transfor- reactive and persistent material.” Chemosphere (2021):
mationsprozesse von C18-Chlorparaffinen (abgeleitet aus [3]). submitted.
20Chemische Charakterisierung von Rohkaffee
Diplomandin Seraina Jäger
Korrektor ZHAW Prof. Dr. Chahan Yeretzian
Korrektor extern Dr. Markus Läubli
Das Aroma von Kaffee setzt sich aus vielen Q-ToF-MS wurde ausserdem eine weitere
Bestandteilen zusammen und ist von meh- Methode entwickelt, um Aminosäuren und
reren Faktoren abhängig. Zum einen hat die Trigonellin zu analysieren. Mit diesen Analyse-
Zusammensetzung der grünen Bohnen einen methoden wurden in verschiedenen Sorten
Einfluss auf das Aroma, aber auch die Art von grünen Kaffeebohnen Zucker, organische
und Weise wie der Kaffee geröstet, extrahiert Säuren, Aminosäuren und Trigonellin quan-
und zubereitet wird, hat enorme Auswirkun- tifiziert. Die grünen Kaffeebohnen stammten
gen auf den letztendlich wahrgenommenen aus unterschiedlichen Ländern und wurden
Geschmack. Die chemische Zusammenset- verschieden aufbereitet. Dadurch konnten
zung von Kaffeebohnen wird von verschie- sowohl geografische Einflüsse wie auch jene
denen Faktoren beeinflusst. Die geografische der nassen und trockenen Aufbereitung unter-
Herkunft, Umweltfaktoren beim Wachstum sucht werden. Die Herkunftsländer der unter-
von Kaffeebohnen sowie deren Verarbeitung suchten Kaffeebohnen werden in Abbildung 1
nach der Ernte nehmen Einfluss und verän- gezeigt.
dern die Zusammensetzung. Das Aroma von
Kaffee bildet sich hauptsächlich während des
Röstprozesses aus den Vorläufermolekülen.
Zu diesen Vorläufersubstanzen gehören ver-
schiedene Zucker, Proteine, Aminosäuren,
Chlorogensäuren und Trigonellin. Um die Zu
sammenhänge zwischen Vorläufermolekülen
und Aromastoffen besser zu verstehen, ist es
wichtig, die Zusammensetzung der grünen
Kaffeebohnen zu kennen. Abb. 1: Weltkarte mit farblich markierten Ländern, aus
denen die analysierten Kaffeebohnen stammen.
Die Analysen in dieser Arbeit beschränkten
sich auf die Schlüsselkomponenten Zucker,
organische Säuren, Aminosäuren und Trigo-
nellin in grünen Kaffeebohnen. Dafür wurden
drei Analysemethoden entwickelt und validiert.
Für die Zuckeranalyse wurde eine HPLC-
ELSD Methode erarbeitet und für die Analyse
der organischen Säuren wurde eine Metho-
de am UPLC Q-ToF-MS validiert. Am UPLC
21Synthese von neuen antibiotischen Wirkstoffen
Diplomand Alex Jud
Korrektoren ZHAW Prof. Dr. Rainer Riedl, Dr. Stefan Höck
Korrektor extern Dr. Samuel Derrer
Antibiotikaresistente Bakterien sind ein welt- muss zuerst ein sinnvolles Ziel in der bakteri-
weites Problem. Da herkömmliche Therapie- ellen Zelle ausgewählt werden, welches dann
ansätze zunehmend keine oder nur schlechte angegriffen werden kann, ohne den Wirts-
Wirkungen zeigen, können sich Behandlun- organismus des Bakteriums zu schädigen.
gen von beispielsweise Tuberkulose (verur- Ein solches Ziel ist die bakterielle RNA-Poly-
sacht durch antibiotikaresistente Mycobacte- merase, ein Enzymkomplex, der im Herstel-
rium tuberculosis Bakterien) auf bis zu zwei lungsprozess von bakteriellen Proteinen eine
Jahre hinausziehen. Darunter leidet sowohl Schlüsselrolle übernimmt. Angriffspunkte zur
das Wohlergehen der betroffenen Personen gezielten Inaktivierung der bakteriellen RNA-
als auch das Gesundheitssystem erheblich. Polymerase sind schon diverse bekannt. Die
Die Resistenzentwicklung ist ein natürlicher 2017 entdeckte Substanz Pseudouridimycin
Vorgang, welcher jedoch durch übermässigen offenbarte jedoch eine weitere Angriffsmög-
bzw. missbräuchlichen Gebrauch von Antibio- lichkeit direkt im aktiven Zentrum [2]. In die-
tika in den Bereichen Medizin und Viehzucht ser Arbeit wurden Substanzen hergestellt und
künstlich beschleunigt wird [1]. Dies macht die gegen Bakterien getestet, welche einen ähn-
Entwicklung neuer antibiotischer W irkstoffe lichen Wirkungsmechanismus wie Pseudouri-
zu einem wichtigen Gebiet der aktuellen For- dimycin aufweisen sollten.
schung. Zur Entwicklung neuer Wirkstoffe
[1]: Chellat, M. F., Raguž, L., & Riedl, R., Targeting antibiotic
resistance. Angewandte Chemie International Edition, 2016,
55(23), 6600 – 6626.
[2]: Maffioli, S. I., Zhang, Y., Degen et al., Antibacterial
nucleoside-analog inhibitor of bacterial RNA polymerase.
Cell, 2017, 169(7), 1240 – 1248.
[3]: Weixlbaumer, A., Leon, K., Landick, R. et al., Structural
basis of transcriptional pausing in bacteria. Cell, 2013,
152(3), 431 – 441.
Abb. 1: Kristallstruktur der bakteriellen RNA-Polymerase
(aus T. thermophilus) [3] mit der Molekülstruktur von
Pseudouridimycin [2].
22Entwicklung einer SIDA-HS-SPME-GC-MS-
Methode zur Analyse der Kaffeearomabildung
Diplomandin Astrid Kammerer
Korrektor ZHAW Prof. Dr. Chahan Yeretzian
Korrektor extern Dr. Markus Läubli
Die Quantifizierung von Aromastoffen des geröstet und mit der entwickelten SIDA-HS-
Kaffees kann hilfreich für das Verständnis von SPME-GC-MS-Methode analysiert.
Aromabildungsreaktionen sein. Dadurch kön-
nen Einflüsse durch Röstungsparameter, Was- Mit der entwickelten Methode konnte kein
sergehalt der Rohbohnen oder Lagerungsbe- Zusammenhang zwischen dem Wasseranteil
dingungen untersucht werden. des Rohkaffees und dem Gehalt der fünf Aro-
mastoffe aufgezeigt werden. Neben der Ana-
Das Ziel dieser Arbeit war es, eine Methode lyse des Aromas wurden der Chlorogensäure
für die Quantifizierung von flüchtigen Kaffee und Koffeingehalt mittels HPLC-DAD be
aromaverbindungen zu entwickeln. Die Analy- stimmt. Auch hier waren keine Unterschiede
se erfolgte über stable isotope dilution assay in Bezug auf den Wasseranteil nachweisbar.
(SIDA) mittels Festphasen-Mikroextraktion Einzig die Dauer und der Temperaturverlauf
(SPME) im Gasraum (HS) der Probe, durch- der Röstung zeigte Unterschiede auf.
geführt auf einem Gaschromatographen
mit Massendetektor (GC-MS). Vorteile der
SIDA sind, dass sich die Moleküle des Stan-
dards chemisch und physikalisch gleichen
und somit gleiches Verhalten aufzeigen. Die
Methode wurde anschliessend an gerösteten
Kaffeebohnen mit demselben Röstgrad, aber
unterschiedlichem Wassergehalt angewandt. Abb. 1: Verschiedene Kalibrationsverfahren mit der
SPME-Technik. (I) zeigt das Verfahren mit einem stabilen
Dadurch wurde der Einfluss des Wasseranteils
isotopenmarkierten internen Standard mit gleicher Struktur
der Bohne auf fünf ausgewählte Aromastoffe wie der Analyt (SIDA). (II) zeigt das Verfahren mit einem
überprüft. Die SIDA-SPME-GC-MS-Methode internen Standard mit unterschiedlicher Struktur zum
Analyten.
wurde auf die flüchtigen Aromastoffe Acetal-
dehyd, 2-Methylfuran, 3-Methylbutanal, Pen-
tan-2,3-dion und 2-Methylpyrazin angewendet.
Für die SIDA wurden deuterierte Isotope des
jeweiligen Aromastoffes als interne Standards
eingesetzt. Für die Untersuchung des Einflus-
ses des Wasseranteils der grünen Kaffeeboh-
nen auf das Aroma wurde Arabica-Kaffee aus
Peru auf die Wasseranteile von 7.8 %, 8.9 %,
9.7 %, 10.8 %, 11.1 % und 14.1 % angepasst,
23Antimikrobielle Wirkung von Streptomyceten
gegen biofilmbildende Mikroorganismen
Diplomandin Melanie Keusch
Korrektor ZHAW Prof. Dr. Walter Krebs
Korrektor extern Dr. Rolf Stettler
Biofilme gehören zu den am weitesten verbrei- Substanzen an Systemen zu testen, welche
teten Lebensformen auf der Erde. Ein Biofilm die natürliche Situation am besten widerspie-
ist eine Aggregation von Mikroorganismen, gelt.
welche in einer Matrix von extrazellulären poly- Das Ziel dieser Arbeit war es, Suszeptibilitäts-
meren Substanzen eingebettet sind. Biofilme tests zu modifizieren, damit der Einfluss von
können sich nicht nur in oder auf Organismen Streptomyceten auf pathogene Biofilmbildner
bilden, sondern auch auf Implantaten oder untersucht werden konnte. Dafür erfolgte die
auf medizinischen Geräten. Bakterien, wel- Kultivation von Streptomyceten in Zellkultur
che in einem Biofilm vorkommen, sind bis zu einsätzen in Multiwellplatten bei gleichzeitiger
1000-mal resistenter gegenüber Antibiotika als Kultivation der Biofilmbildner. Weiter wurden
planktonisch lebende Bakterien. Der Bedarf in der Flusszelle die Wechselwirkungen zwi-
an neuen antimikrobiellen Substanzen sowohl schen den Streptomyceten und den Biofilm-
gegen planktonische Bakterien als auch bildnern live beobachtet (Abb. 1).
gegen Biofilme ist hoch [1].
Mikrobielle Sekundärmetabolite haben auf-
grund ihrer positiven Auswirkung auf die
menschliche Gesundheit grosse Aufmerk-
samkeit erlangt. Über die Hälfte der bekannten
Sekundärmetabolite werden von Actinomyce-
ten produziert. Und ungefähr 75 % der kom-
merziell erhältlichen Antibiotika werden von
der dominierenden Gattung Streptomyces
gebildet. Jedoch stagniert die Neuentdeckung
von antimikrobiellen Sekundärmetaboliten aus Abb. 1: Co-Kultivation: Biofilm in Flusszelle nach 71.5 Stun-
den bestehend aus Streptomyces Martin1_6 (seit Beginn)
Streptomyces [2].
und E. coli (ab 46 Stunden). Vergrösserung: 200 ×.
Die Taskforce der American Academy of
Microbiology wies darauf hin, dass Studien, [1] D. Bakkiyaraj et al., “In vitro and in vivo antibiofilm activity
welche Experimente an planktonischen Zellen of a coral associated actinomycete against drug resistant
Staphylococcus aureus biofilms”, Biofouling, vol. 26, no. 6,
aus Monokulturen durchführten und dann für
2010.
Biofilme extrapoliert wurden, irreführend sind [2] P. Sharma et al., “Broad Spectrum Antimicrobial Activity
[3]. Denn die Lebensweise von Bakterien im of Forest-Derived Soil Actinomycete, Nocardia sp. PB-52”,
Frontiers in Microbiology, vol. 7, 2016.
Biofilm unterscheidet sich von der Lebenswei- [3] J. Costerton, “Introduction to biofilm”, International
se der freilebenden Bakterien [1]. Deshalb ist Journal of Antimicrobial Agents, vol. 11, no. 3 – 4, 1999.
es wichtig, die Wirkung von antimikrobiellen
24Charakterisierung einer enzymatischen
Dehydratisierung in der Anthocyanin Biosynthese
Diplomand Jan Kreuzer
Korrektor/-in ZHAW Prof. Dr. Rebecca Buller, Dr. Michael Eichenberger
Anthocyane gehören zu den wichtigsten Pflan- der Enzymstruktur zurückgeführt werden.
zenfarbstoffen, welche für die intensiven Blau-, Stabilisierende Varianten verloren zum Teil ihre
Rot- oder Violettfärbungen in vielen Früch- biokatalytische Aktivität, was möglicherweise
ten und Gemüsen verantwortlich sind. Ihnen durch eine Rigidisierung der Enzymstruktur
wird eine Vielzahl von gesundheitsfördernden erklärt werden kann. Der hier vorgestellte Filter
Effekten wie entzündungshemmende und basierend auf Stabilitätsberechnungen kann
antioxidative Eigenschaften zugeschrieben. in Zukunft bei der Planung von Enzymbiblio-
Als natürliche Farbstoffe für die Lebensmittel theken eingesetzt werden. Der Filter wird es
industrie gewinnen sie industriell an Bedeu- so möglicherweise erlauben, den Aufwand für
tung. Enzym Engineering im Labor zu senken, was
In dieser Arbeit wurden relevante Enzyme, die Kosten, Zeit und Ressourcen spart.
im Biosyntheseweg der Anthocyane impliziert
sind, mittels Mutagenese-Studien genauer 0.10
charakterisiert. Zu diesem Zweck wurden aus- 0.08
gewählte Aminosäuren in den aktiven Taschen 0.06
der Enzyme mutiert und die resultierende Akti-
Aktivität
0.04
vität der Enzymvarianten überprüft. Es konnte
0.02
gezeigt werden, dass die gewählten Amino-
säuren in allen Fällen eine ähnliche Aufgabe in
0.00
der Substraterkennung übernehmen, obwohl −0.02
die Wildtyp-Enzyme aus unterschiedlichen Lib2 - Stabilisierend Lib3 - Leicht destabilisierend Lib1 - Stark destabilisierend
pflanzlichen Spezies stammten. Abb. 1: Violin-Plot der drei klonierten Enzymbibliotheken.
Blau: Stabilisierend-vorausgesagte Varianten, Grün: Leicht
Des Weiteren wurde ein Oligo Pool für die
destabilisierend-vorausgesagte Varianten und Orange:
Klonierung von 50 Enzymvarianten verwen- Stark destabilisierend-vorausgesagte Varianten.
det. Die Varianten wurden anhand computer-
gestützter Stabilitätsberechnungen, welche
mit dem Protokoll von «Cartesian ddg» von
RosettaCommons durchgeführt wurden, aus-
gewählt. Im Labor konnte gezeigt werden,
dass destabilisierend-vorausgesagte Varianten
keine biokatalytische Aktivität mehr hatten
und das Substrat nicht umsetzten. Dies könn-
te auf eine schlechte Expression der Enzyme
oder aber auch auf eine zu geringe Stabilität
25Hydrothermalsynthese dotierter Strontium
aluminate
Diplomand Timo Laimbacher
Korrektor ZHAW Prof. Dr. Achim Ecker
Korrektor extern Dr. Denis Planchenault
Nachleuchtpigmente sind aus der heutigen dotierten Strontiumaluminat. Die Fällung erfolg-
Zeit kaum mehr wegzudenken. Wenn man te kontinuierlich aufgrund der in situ-Bildung
nicht gerade an einem Sicherheitsschild eines von Carbonat- und Hydroxid-Ionen durch
Notausgangs vorbeiläuft, welches ein charak- den thermischen Zerfall von Harnstoff in Was-
teristisches Nachleuchten erzeugt, trägt man ser. Aufgrund der verschiedenen Löslichkeiten
eine Uhr am Handgelenk, welche die Zeit auch der auszufällenden Salze wurde die passende
bei Dunkelheit anzeigen kann. Die Art der Anre- Stöchiometrie der Edukte bei der Hydrother-
gung für die persistente Lumineszenz in der malsynthese bestimmt, wobei die Analytik des
Uhrenindustrie erfolgte anfangs über Radiolu- Niederschlags über optische Emissionsspek-
mineszenz (α- und β-Strahlung) und wechselte trometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma
später zu den heute verwendeten photolumi- (ICP-OES) erfolgte. Dies erlaubte schon vor der
neszenten, dotierten Strontiumaluminaten. Sinterung eine Aussage über die gefällte Stöchi-
Die Ziele der Arbeit waren die Verfahrensent- ometrie und half so, diese zu optimieren. Die
wicklung und die Optimierung der Herstellung gesinterten Strontiumaluminate wurden mittels
dotierter Strontiumaluminate (SrAl O4: Eu, Dy) Rasterelektronenmikroskopie mit energiedis-
²
mittels Hydrothermalsynthese anstatt Festpha- persiver Elektronenmikrosonde (SEM-EDX) auf
sensynthese inklusive umfassender Charakteri- ihre Atomverhältnisse untersucht. Eine zu hohe
sierung. Die zweistufige Synthese bestand aus Fremdphasenbildung erkannte man zusätzlich
der Hydrothermalsynthese der Nitrate zu den an einer Verschiebung im Fluoreszenz-Emis-
gefällten, schwerlöslichen Vorläufersubstanzen sionsspektrum und an den Signalintensitäten
mit anschliessender reduktiver Sinterung zum im Röntgendiffraktogramm. Zur Bestimmung
der Nachleuchtdichte wurden die Produkte mit
einem Referenzmaterial verglichen, um so ihre
Qualität einzuordnen.
Abb. 2: Hauptreaktionen (1–5) bei der Hydrothermalsyn-
Abb. 1: Vergleich der Hydrothermalsynthese zur klassischen these zu den Vorläufersubstanzen inklusive Sinterung zum
Festphasensynthese anhand der Syntheseschritte. Strontiumaluminat (6).
26Sie können auch lesen
