Potassium channels of the K2P-family control the activity of neuronal cells - TRESK as regulator of inflammatory hyperalgesia

Das Empfinden von Schmerz ist für uns überlebenswichtig. Chronischer Schmerz hingegen hat seine physiologische Bedeutung verloren und wird als eigenes Krankheitsbild angesehen. Schmerzempfindung beginnt mit der Nozizeption. Die Zellkörper nozizeptiver Neurone befinden sich in den Spinalganglien (Hinterwurzelganglion, dorsal root ganglion DRG) und Trigeminalganglien (TG). In den DRG-Neuronen macht der Zwei-Poren-Kaliumkanal (K2P) TRESK die Hauptkomponente eines Kaliumstromes, des „standing outward currents“ IKSO, aus. Die physiologische Hauptaufgabe der TRESK-Kanäle liegt in der Regulation der zellulären Erregbarkeit nozizeptiver Neurone. Während einer Entzündungsreaktion werden Entzündungsmediatoren wie Histamin, Bradykinin, Serotonin und Lysophosphatidsäure (LPA) ausgeschüttet und können durch die Aktivierung ihrer G-Protein gekoppelten Rezeptoren (GPCR) oder direkte Interaktion mit Ionenkanälen die nozizeptive Erregung beeinflussen. Durch Anwendung von RT-PCR und eines neu entwickelten Antikörpers wurde die Ko-Expression von TRESK-Kanälen zusammen mit Kanälen der Transient-Receptor-Potential-Kationenkanalfamilie (TRP) und LPA-Rezeptoren in DRG-Neuronen nachgewiesen. Durch rekombinante Ko-Expression von TRESK-Kanälen und LPA2-Rezeptoren in Xenopus Oozyten konnte durch Zugabe von LPA eine fast 10-fache Aktivierung des basalen K+-Stromes erzielt werden. Die Auswertung der Dosis-Wirkungskurve ergab einen EC50-Wert von 0,2 µM LPA. Die LPA-induzierte TRESK-Stromaktivierung konnte durch die Verwendung des mutierten Kanals TRESK[PQAVAD] oder durch die Zugabe des Phospholipase C (PLC) Inhibitors U73122 verhindert werden. Dies zeigt die Beteiligung des PLC-Signalwegs und die Bindung von Calcineurin an den TRESK-Kanal bei der Stromaktivierung. TRESK ist das einzige Mitglied der K2P-Familie, das eine LPA-induzierte Aktivierung des Stromes zeigt. TREK- und TASK-1-Ströme werden durch LPA inhibiert. In DRG-Neuronen mit kleinem Durchmesser wird Nozizeption durch die Aktivierung von TRPV1-Kanälen durch Hitze oder Capsaicin, dem Inhaltsstoff des Chilis, und zusätzlich durch die Substanz LPA verursacht. Ein weiteres Mitglied der TRP-Familie, der TRPA1-Kanal, ist bei der verstärkten Nozizeption während einer Entzündung involviert. Werden TRESK- und TRP-Kanäle in Xenopus Oozyten ko-exprimiert, verursacht LPA gleichzeitig einen Kationeneinwärts- wie auch -auswärtsstrom. Unter diesen Bedingungen verschob sich das Umkehrpotenzial in einen Bereich zwischen den Umkehrpotenzialen von Oozyten, die nur den K+-Kanal exprimieren und von Oozyten, die nur den unspezifischen Kationenkanal exprimieren. Durch diese Experimente konnte gezeigt werden, dass die LPA-induzierte Ko-Aktivierung von TRP-Kanälen und TRESK zu einer Begrenzung des exzitatorischen Effekts führen kann. Die DRG-ähnlichen F11-Zellen exprimieren keine TRESK-Kanäle. Sie sind in der Lage durch Strompulse Aktionspotenziale zu generieren. Mit TRESK transfizierte F11-Zellen zeigten eine Verschiebung des Umkehrpotenzials in negative Richtung, einen größeren Auswärtsstrom und den Verlust von spannungsgesteuerten Natriumkanälen. Auch hohe Strompulse konnten keine Aktionspotenziale mehr auslösen. Bei Spannungs-Klemme-Messungen von primären DRG-Neuronen von TRESK[wt]-Mäusen erhöhte sich der IKSO nach Zugabe von LPA um über 20 %. Im Gegensatz dazu zeigten DRG-Neurone von TRESK[ko]-Mäusen unter diesen Bedingungen eine leichte Hemmung des IKSO von etwa 10 %. In Neuronen, die TRPV1 exprimieren, führte LPA nicht nur zum Anstieg des IKSO, sondern auch zur Aktivierung eines Einwärtsstromes (TRPV1). Im Vergleich dazu wurde in TRESK[ko]-Neuronen durch LPA nur der Einwärtsstrom aktiviert. In Strom-Klemme-Experimenten führte LPA-Applikation zur Entstehung von Aktionspotenzialen mit höherer Frequenz in Zellen von TRESK[ko]-Mäusen im Vergleich zu Zellen von TRESK[wt]-Mäusen. Zusätzlich wurde die Erregung, die durch Strompulse von 100 pA ausgelöst wurde, in den beiden Genotypen durch LPA unterschiedlich moduliert. Die Aktionspotenzialfrequenz in TRESK[wt]-Neuronen wurde gesenkt, in TRESK[ko]-Neuronen wurde sie erhöht. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Erregung nozizeptiver Neurone durch LPA aufgrund der Ko-Aktivierung der TRESK-Kanäle abgeschwächt werden kann. Die Erregbarkeit von sensorischen Neuronen wird strak durch die Aktivität und Expression der TRESK-Kanäle kontrolliert. Deswegen sind TRESK-Kanäle gute Kandidaten für die pharmakologische Behandlung von Schmerzkrankheiten.Pain sensation is essential for survival. Chronic pain lost its physiological function and is categorized as a disease. Pain sensation is initiated by nociception. The cell bodies of nociceptive neurons are located in dorsal root ganglia (DRG) and trigeminal ganglia (TG). In DRG neurons TRESK two-pore-domain potassium channels (K2P) constitute the major current component of the standing outward current IKSO. A prominent physiological role of TRESK channels has been attributed to the regulation of pain sensation. During inflammation mediators of pain e.g. histamine, bradykinin, serotonin and lysophosphatidic acid (LPA) are released and modulate nociceptive signaling by activation of their G-protein coupled receptors (GPCR) or ionic channels. By means of RT-PCR and a newly developed antibody the co-expression of TRESK channels, channels of the transient-receptor-potential (TRP) cation channel family and LPA receptors in DRG neurons were demonstrated. Recombinant co-expression of TRESK channels and LPA2 receptors in Xenopus oocytes revealed an almost 10 fold activation of basal K+ currents upon LPA application with an EC50 of 0.2 µM LPA. Using mutant TRESK[PQAVAD] or application of the phospholipase C (PLC) inhibitor U73122 blocked current augmentation by LPA indicating cellular signaling via PLC pathway and calcineurin binding to TRESK channels. TRESK was the only member of the K2P family that showed a LPA induced activation of current. TREK- und TASK-1 currents were inhibited through LPA. In small diameter DRG neurons nociception results from TRPV1 channel activation by painful stimuli including the inflammatory substance LPA or activation of TRPA1 channels during inflammation. When TRESK and TRP channels are co-expressed in Xenopus oocytes cationic inward and outward currents were simultaneously activated by LPA. Under these conditions the reversal potential of ramp recordings was intermediate to recordings from oocytes expressing only the K+ or the unspecific cation channel. Principally this finding demonstrates that TRESK activation by an inflammatory substance dampens noxious excitation induced by the same agent. DRG-like F11 cells lacking endogenous TRESK channels generate action potential upon current stimulation. However when TRESK channels were recombinantly expressed in F11 cells, they exhibit a shift of the reversal potential to more negative values, a larger outward current and a loss of voltage-gated sodium currents. Accordingly, depolarizing pulses failed to elicit action potentials. In patch-clamp recordings from primary cultured DRG neurons of TRESK[wt] mice IKSO currents increased after application of LPA by over 20 % whereas under these conditions IKSO currents of neurons from TRESK[ko] mice decreased moderately by about 10 %. In TRPV1 positive neurons LPA application induced in TRESK[wt] neurons not only an activation of the IKSO but also an increase of the inward (TRPV1) current. In contrast, in TRESK[ko] neurons LPA only activated an inward (TRPV1) current. Under current-clamp conditions LPA application elicited spike trains in DRG neurons, with higher frequency in cells of TRESK[ko] mice than in cells of TRESK[wt] animals. In addition, upon depolarizing pulses (100 pA) excitability was differentially modulated by LPA in these genotypes. Spike frequency was attenuated in TRESK[wt] neurons and augmented in TRESK[ko] neurons. Accordingly, excitation of nociceptive neurons by LPA is balanced by co-activation of TRESK channels. It is evident that the output of sensory neurons is strongly controlled by the activity and the expression of TRESK channels, which therefore are good candidates for the pharmacological treatment of pain disorders

Die immunmodulierende Wirkung alveolarer Makrophagen auf die T-Zellantwort bei Patienten mit Asthma bronchiale

Das Asthma bronchiale wird als eine chronische zelluläre Entzündung der Atemwege verstanden. Eine Schlüsselzelle bei der chronischen Entzündung und Ausbildung der fixierten bronchialen Hyperreagibilität ist vermutlich der AM. Er ist sowohl in der Lage die T-Zell abhängige Entzündung zu supprimieren als auch als antigenpräsentierende Zelle zu agieren. Diese unterschiedlichen Effektorfunktionen können zum Teil phänotypisch mit monoklonalen Antikörpern charakterisiert werden. Nach der Hypothese von Poulter et al. tritt Asthma dann auf, wenn die Down-Regulation durch supprimierende Makrophagen gestört ist. Entsprechend war es die Aufgabe der Arbeit zu untersuchen, inwieweit eine Veränderung der immunmodulatorischen Funktion der AM auf eine T-Zellaktivierung von Asthmatikern über distinkte T-Zellaktivierungswege nachweisbar ist. Gemessen wurde zuerst die T-Zellproliferation nach Aktivierung über Phorbolester, CD3, CD3 + CD28, CD2, CD2 + CD28 mit und ohne Zugabe von AM bei Patienten- und Kontrollgruppe. Unabhängig von der Art der Aktivierung war eine signifikante Zunahme der T-Zellproliferation bei Kokultur mit AM nachweisbar, dieser kostimulatorische Effekt war aber auch bei gesunden Kindern vorhanden. Um genauere Erkenntnisse zu bekommen, inwieweit die immunmodulierende Funktion von AM auf T-Zellen an der bronchialen Hyperreaktion beteiligt ist, wurde im zweiten Teil der Arbeit die IL-2, IL-10 und IFN-g Produktion bestimmt. Untersucht wurde die Stimulation der T-Zellen mit CD2 + CD28 und Phorbolester mit und ohne Zugabe von AM bei der Patienten- und der Kontrollgruppe. Es fand sich kein signifikanter Unterschied in der Zytokinproduktion. Hierauf wurde ein Vergleich der kostimulatorischen Aktivität von AM mit peripheren Blutmonozyten durchgeführt. Gemessen wurde die T-Zellproliferation nach Aktivierung über CD3, CD3+CD28, CD2 und CD2+CD28 mit und ohne Zugabe von AM bzw. Monozyten. Die Ergebnisse dieser Untersuchung weisen darauf hin, dass sich die biologische Aktivität (Proliferation und Zytokinproduktion) von AM nicht wesentlich vom Monozyten unterscheidet. Als Schlussfolgerung stellt sich heraus, dass eine prinzipielle Störung der AM bei Kindern mit Asthma bronchiale nicht nachweisbar ist. Die Hypothese von Poulter et al., dass ein Defekt der Makrophagenfunktion bei Asthma vorliegt und es dadurch zur Persistenz der bronchialen Entzündung bzw. zur Ausbildung der subepithelialen Fibrose kommt, konnte nicht bestätigt werden

CAR-T-Zellen erkennen und eliminieren den Thyreotropin-Rezeptor exprimierende differenzierte Schilddrüsenkarzinomzellen

Hintergrund: Das differenzierte Schilddrüsenkarzinom weist eine sehr gute Prognose auf. Dennoch gibt es Patienten, die refraktär auf die bereits etablier-ten Therapiemöglichkeiten der operativen Therapie, der Radioiodtherapie und der dauerhaften Thyreotropin-Suppression reagieren. Chimäre Antigenrezeptor-T-Zellen (CAR-T-Zellen) haben bereits vielversprechende Ergebnisse in der Therapie hämatoonkologischer Erkrankungen erzielt. Ziel: Diese Arbeit evaluiert das Potential von CAR-T-Zellen, die gegen den Thyreotropin-Rezeptor gerichtet sind (anti-TSHR CAR-T-Zellen), gegen das dif-ferenzierte, TSHR-positive Schilddrüsenkarzinom. Material und Methoden: Zielzellen sind die papilläre Schilddrüsenkarzinom-zelllinie K-1 und die follikuläre Schilddrüsenkarzinomzelllinie FTC-133. Zur Beur-teilung der Abtötung dieser Zellen durch anti-TSHR CAR-T-Zellen wird die Min-derung der Zielzellen in Ko-Kultur unter dem Mikroskop, dem Fluoreszenzmik-roskop (nach GFP-Markierung der Zielzellen) und mittels einer Caspase-3/7-Lumineszenz-Analyse untersucht. Ergebnisse: Für K-1-Zellen besteht ein signifikanter Unterschied zwischen anti-TSHR CAR-T-Zellen und unspezifischen CAR-T-Zellen (T-Wert = 0,01), wäh-rend anti-TSHR CAR-T-Zellen im Vergleich mit unmodifizierten T-Zellen die Sig-nifikanz knapp verfehlen (T-Wert = 0,06). Für FTC-133 Zellen besteht ein signi-fikanter Unterschied zwischen anti-TSHR CAR-T-Zellen und unmodifizierten T-Zellen (T-Wert = 0,02), während anti-TSHR CAR-T-Zellen im Vergleich mit un-spezifischen CAR-T-Zellen die Signifikanz knapp verfehlen (T-Wert = 0,06) (Signifikanzniveau α = 0,05). Fazit: Anti-TSHR CAR-T-Zellen stellen eine potentielle, neue Therapiemodalität zur Ablation gesunder und maligne transformierter Schilddrüsenzellen dar

Die IRE1-abhängige ER-Stress-Antwort wird durch antagonistische Effekte der Marburg Virus Proteine GP und VP30 ausbalanciert

Das Marburg Virus (MARV) gehört, wie das Ebola Virus (EBOV), zur Familie der Filoviridae. Im Menschen führt eine Infektion mit dem MARV häufig zu schweren Fiebererkrankungen mit einer Letalitätsrate von bis zu 90%. Aufgrund dieser hohen Letalitätsrate, und da bisher keine Impfstoffe oder Therapiemöglichkeiten zugelassen sind, werden Filoviren in die höchste biologische Sicherheitsstufe 4 eingestuft. Um neue Ansatzpunkte für Therapeutika zu finden, ist es essentiell die Interaktionen zwischen dem MARV und der Wirtszelle genau zu charakterisieren. Für seine Replikation ist das MARV, wie alle Viren, vollständig auf die Wirtszelle angewiesen, und die Infektion bedeutet eine Belastung für die Ressourcen der Zelle. Während der Infektion wird das MARV Oberflächenprotein, das Glykoprotein GP, am rauen Endoplasmatischen Retikulum (ER) synthetisiert, im Lumen des ER gefaltet und posttranslational stark glykosyliert. Diese Prozesse verzögern den Transport des GP, wodurch es im ER akkumuliert, bevor es an die Plasmamembran transportiert wird. In Vorarbeiten konnte gezeigt werden, dass die transiente Expression des MARV GP zu einer Überlastung des ER führt (ER-Stress) und eine Inositol-requiring enzyme 1 α (IRE1)-abhängigen ER-Stress-Antwort führt. Wird IRE1 aktiviert, ist es durch eine Ribonuklease-Aktivität in der Lage die X-box binding protein 1 unspliced (XBP1u) mRNA zu spleißen. Der dadurch entstehende Transkriptionsfaktor X-box binding protein 1 spliced (XBP1s) migriert in den Zellkern und aktiviert über die Promotoren unfolded protein response element (UPRE) und ER stress element (ERSE) viele verschiedene Gene, um die Homöostase im ER wiederzuerlangen. Eine langanhaltende Aktivierung von IRE1 hingegen führt zur Apoptose. Die ER-Stress-Antwort kann somit von Vor- oder Nachteil für die virale Replikation sein. In der vorliegenden Arbeit konnte die GP-abhängige Aktivierung der ER-Stress-Antwort im Detail charakterisiert werden. Die Expression des GP führt zu einer Aktivierung von IRE1, des Transkriptionsfaktors XBP1s und in der Folge auch des Promotors UPRE. Verantwortlich für diese Aktivierung sind die voraussichtlich die molekulare Größe des GP und die vielen Glykosylierungen innerhalb der Mucin-ähnlichen Domäne des GP. In Vorarbeiten zeigte sich, dass die ER-Stress-Antwort während einer MARV Infektion nicht aktiviert wird. Der Grund hierfür ist das virale Protein VP30, welches ein multifunktionales Protein und viraler Transkriptionsfaktor ist und eine Reduktion der IRE1-abhängigen ER-Stress-Antwort vermitteln kann. Der genaue Mechanismus war bislang unklar. In dieser Arbeit konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass VP30 RNA-abhängig mit dem XBP1u Protein interagiert. XBP1u rekrutiert seine eigene mRNA an die ER-Membran, sodass sich diese in räumlicher Nähe zu IRE1 befindet. Folglich könnte die Interaktion von VP30 mit dem XBP1u mRNA/XBP1u Protein Komplex die XBP1u mRNA für IRE1 unzugänglich machen und somit das Spleißen unterbinden. Weiter konnte hier gezeigt werden, dass eine präzise Regulation der ER-Stress-Antwort wichtig für die virale Vermehrung des MARV ist, da sowohl eine aktivierte, als auch eine unterbundene IRE1-abhängige ER-Stress-Antwort, die Vermehrung des Virus beeinflusst. Der aktuelle Forschungsstand zeigt, dass die Regulation der ER-Stress-Antwort wichtig ist, um eine effiziente MARV Freisetzung zu gewährleisten. Dies ist somit ein interessanter Ansatzpunkt für neue Therapeutika

Aktivierung von MigrantInnen zur energetischen Gebäudemodernisierung - Kurzbericht für Praxispartner

In dem von der Stiftung Mercator geförderten Projekt AMeG - Aktivierung von MigrantInnen zur energetischen Gebäudemodernisi erung - wurden neue Kommunikationswege erprobt, um mit der Hilfe von Migrantenselbstorganisationen und MultiplikatorInnen sowohl migrantische EigentümerInnen als auch MieterInnen persönlich und kultursensibel anzusprechen, über das Thema Energieeffizienz zu informieren und zur Nutzung der bestehenden Informations- und Beratungsangebote, kommunaler Förderprogramme usw. zu motivieren. Um Zugang zu den Zielgruppen der MigrantInnen zu bekommen, wurden unterschiedliche Strategien verfolgt: Quartiersbezug, Community-Bezug, Aktivierung über Unternehmernetzwerke sowie aufsuchende Beratung für EigentümerInnen. Über die begleitenden Evaluation konnte das Wissen über EignetümerInnen und MieterInnen mit Migrationshintergrund in dem Themenfeld Energieeffizienz erweitert werden. Zudem wurden wesentliche Erkenntnisse über den Prozess der Aktivierung von MigrantInnen und der Zusammenarbeit mit Migrantenselbstorganisationen generiert. Die zentralen Ergebnisse und Handlungsempfehlungen wurden in einem Workshop mit Praxispartnern reflektiert und in der Broschüre "Aktivierung von MigrantInnen zur energetischen Gebäudesanierung" für Akteure, die Maßnahmen zur Aktivierung von MigrantInnen planen, leicht verständlich und praxisnah zusammengefasst

Funktionsanalyse der mitochondrialen Transportproteine UCP2, UCP3, UCPx und SOUP

Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde eine mögliche Funktion der mitochondrialen Transportproteine UCP2, UCP3 und UCPx als Protonentransporter bzw. Entkopplerproteine untersucht. Für diese Analysen wurde ein Testsystem etabliert, mit dem ein möglicher Einfluss der Entkopplerproteine auf die Atmung von HEK293-Zellen nach transienter Expression nachgewiesen werden konnte. Da UCP1 das bislang einzige funktionell charakterisierte Mitglied der Entkopplerproteinfamilie ist, wurde das Messverfahren zunächst mit UCP1 transfizierten HEK293-Zellen validiert. Die Expression und Inkorporation von UCP1 und UCP3 in die Mitochondrien von HEK293-Zellen wurde mittels Western-Blots bestätigt. Die Sauerstoffverbrauchsmessungen haben gezeigt, dass die UCP1 transfizierte Zellen nach Inhibition der ATP-Synthase durch Oligomycin eine geringere Kopplung der Atmung zeigten, als die Kontrollzellen. Nach Palmitatzugabe erhöhte sich die Atmungsrate der UCP1-Zellen signifikant. Diese fettsäureabhängige Aktivierung bestätigte die Expression von funktionsfähigem UCP1. Bei den Kontrollen erfolgte keine Steigerung der Atmung nach Fettsäurezugabe. Zellen die mit UCP2, UCP3 und UCPx transfizierten wurden, zeigten weder eine erhöhte entkoppelte Atmung in Anwesenheit von Oligomycin, noch eine durch Fettsäuren induzierte Entkopplung der Atmung. Eine mit UCP1 vergleichbare Entkopplerfunktion von UCP2, UCP3 und UCPx konnte damit nicht bestätigt werden. Des Weiteren wurde ein vermuteter regulatorischer bzw. inhibitorischer Einfluss des mitochondrialen Folat-Carriers SOUP auf die UCP vermittelte Entkopplung, nach Koexpression mit UCPx und UCP1 in HEK293-Zellen geprüft. Die Koexpression von SOUP mit UCPx oder UCP1 hatte allerdings keinen Einfluss auf die mitochondriale Atmung der Zellen bzw. auf die UCP1 vermittelte Entkopplung. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die mögliche Bedeutung von UCP3 als Regulator des mitochondrialen Fettsäurestoffwechsels in Dsungarischen Zwerghamstern untersucht, die aufgrund einer bislang unbekannten Mutation ein gewebespezifisches UCP3 Defizit im braunen Fettgewebe besitzen. Für die Analyse wurden Wildtyphamster und Mutanten sieben Tage kälteexponiert, 48 h gefastet oder unter Kontrollbedingungen bei 23°C mit ad libitum Futter gehalten. Von Wildtypen und Mutanten wurde die Genexpression von UCP3, sowie von Schlüsselenzymen des Fettsäurestoffwechsels analysiert, um Hinweise auf eine mögliche Störung des Fettsäurestoffwechsels bei den Mutanten zu erhalten. Analysiert wurde die mRNA-Expression der mitochondrialen Thioesterase-I (MTE-I) und der Carnitin-Palmitoyltransferase-I (CPT-I). Im braunen Fettgewebe von Mutanten konnte weder die UCP3 mRNA, noch das UCP3-Protein mittels Northern bzw Western Blots nachgewiesen werden. Im braunen Fettgewebe von Wildtypen waren keine Unterschiede im mRNA-Spiegel zwischen Kontrollen, gefasteten und kaltakklimatisierten Hamstern feststellbar. Der Proteingehalt bei kälteexponierten Wildtyptieren war allerdings 3-fach höher und bei den gefasteten Tieren tendenziell erniedrigt gegenüber den Kontrollen. Die Analyse mRNA-Expression der MTE-I in Wildtyphamstern und Mutanten hat gezeigt, dass offenbar keine gekoppelte Regulation der Expression der MTE-I und UCP3 im braunen Fettgewebe erfolgt, womit offensichtlich keine direkte funktionelle Kopplung zwischen beiden Proteinen besteht. Es konnte jedoch feststellt werden, dass die Regulation von UCP3 und der MTE-I offenbar abhängig vom Fettsäurestoffwechsel im Gewebe erfolgt. Die mRNA-Expression der CPT-I mRNA im braunen Fettgewebe der Wildtypen und Mutanten war vergleichbar. Demzufolge gab es keine Anzeichen für eine veränderte Regulation oder eine Inhibition des Fettsäureimports in die Mitochondrien der Mutanten. Die Fettsäureoxidationskapazität des braunen Fettgewebes von gefasteten, kaltakklimatisierten und Kontroll-Wildtyphamstern und Mutanten wurde in Gewebeproben in vitro anhand der CO2-Produktion mit Oleat als Substrat ermittelt. Zudem wurde die Fettsäureoxidationskapazität von isolierten Braunfettmitochondrien aus kälteexponierten Wildtyphamstern und Mutanten durch Messung des O2-Verbrauchs in Anwesenheit von Palmitoyl-Carnitin als Substrat bestimmt. Diese Messungen haben ergeben, dass die mitochondriale Fettsäureoxidationskapazität des braunen Fettgewebes offensichtlich nicht durch das Fehlen von UCP3 beeinträchtigt wird. Auch die Messung des Fettsäurestoffwechsels in isolierten Mitochondrien von Wildtypen und Mutanten hat keine eindeutigen Hinweise auf eine Störung der mitochondrialen beta-Oxidation durch das UCP3 Defizit ergeben. Zusammenfassend kann man sagen, dass anhand der in dieser Arbeit durchgeführten Genexpressionsstudien und in vitro Messungen des Fettsäurestoffwechsels, kein direkter funktioneller Zusammenhang oder ein regulativer Einfluss von UCP3 auf den Fettsäurestoffwechsel bestätigt werden kann

Die Gene der (1-Methylalkyl)succinat-Synthase im anaeroben n-Alkanabbau des Betaproteobakteriums Stamm HxN1

The betaproteobacterial strain HxN1 completely oxidizes the n-alkanes pentane to octane under denitrifying conditions. The activation of n-alkanes is catalyzed by the glycyl radical enzyme (1-methylalkyl)succinate synthase, whose encoding mas genes are organized in an operon in strain HxN1. In this study, a genetic system for strain HxN1 was developed. The deletion of masD, encoding the catalytic subunit of the enzyme, revealed the presence of a second identical mas operon in strain HxN1. The physiological characterization of the mutant confirmed in vivo the anaerobic activation of n-alkanes by (1-methylalkyl)succinate synthase. The phenotype was restored by complementation with the entire mas operon. Regarding regulation, the mas operon was induced by several hydrocarbons and expression was not inhibited in the presence of a carboxylic acid or a sugar as second carbon source. Furthermore, it was attempted to crystallize the (1-methylalkyl)succinate synthase of strain HxN1

Gemeinsame katalytische Umsetzung von CH₄ und CO₂ durch Rhodium-Titanoxid-Anionen RhTiO₂^-

Die gemeinsame katalytische Umsetzung von Methan mit Kohlendioxid zur Erzeugung von Synthesegas (2H2+2CO) umfasst komplizierte Elementarschritte, und fast alle Elementarreaktionen werden praktisch bei den gleichen Hochtemperaturbedingungen der Thermokatalyse durchgeführt. Hier zeigen wir durch massenspektrometrische Experimente, dass RhTiO2- die gemeinsame Umsetzung von CH4 und CO2 zu freiem 2H2+CO und einem adsorbierten CO(COads) bei Raumtemperatur fördert; der einzige Elementarschritt, der die Zufuhr von externer Energie erfordert, ist die Desorption von COadsvom RhTiO2CO- zur Rückbildung von RhTiO2-. Die aktuelle Studie identifiziert nicht nur eine vielversprechende aktive Spezies für die Methan-Trockenreformierung (CO2-Reformierung) zu Synthesegas, sondern unterstreicht auch die Bedeutung der Temperaturkontrolle über Elementarschritte in der angewandten Katalyse, die die Kohlenstoffabscheidung durch Methanpyrolyse erheblich mindern könnte

Modelling Light-induced Charge-transfer from Transition-metal-doped Aluminium Clusters to Carbon Dioxide

A lot of effort has been concentrated in the catalytic conversion of carbon dioxide, turning it from a pollutant into valuable basis chemicals. One crucial step herein is the transfer of an electron into CO2 which results in increased reactivity of the molecule. Different approaches such as plasma activation or electro-chemical activation have been used to achieve this electron transfer and a wide variety of catalysts has been shown to induce charge-transfer. However, these catalysts often contain large amounts of precious metals which makes the conversion process expensive. Aluminium with its low cost and high natural abundance could be an alternative to Au-, Cu- or Rh-based catalysts. Another common problem in catalysis is the challenge of understanding structure and activity relationships. Small clusters or molecules with well defined structures, also referred to as atomically defined catalysts, are useful tools for gaining deeper insights into catalytic processes. We studied a total of 55 different neutral and singly-negatively charged atomically-defined aluminium clusters of varying sizes with and without dopants with respect to their ability to adsorb and activate carbon dioxide. The clusters in this study consisted of either 13, 55 or 147 atoms which form complete icosahedral shells. For the doped systems, one of the aluminium atoms from the outer shell was substituted by one of the following dopants: H, B, C, Si, N, P, O, S, Zr, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Cu, Ti, Pd, Rh, Ag and Au. We found that only transition-metal-doped clusters were capable of activating CO2. Adsorption distances above 2.3 Å never resulted in bent CO2 geometries which are associated with activation while distances below 2.3 Å always led to O-C-O angles significantly smaller than 180°. We then investigated the ground-state and excited-state electronic properties of the 7 smallest neutral systems for which the shortest adsorption distances were observed which were [Al12Zr]-CO2, [Al12Mn]-CO2, [Al12Fe]-CO2, [Al12Ru]-CO2, [Al12Co]-CO2, [Al12Ni]-CO2 and [Al12Cu]-CO2. In the case of the Fe- and Cu-doped clusters, CO2 was not activated. We found that systems which exhibit ground-state CO2 activation are more prone to transfer the excess electron from the molecule back onto the cluster when excited. On the other hand, systems without CO2 activation at the ground-state level showed electron transfer into carbon dioxide upon excitation. We computed the same properties for the medium-sized clusters [Al54Zr]-CO2, [Al54Mn]-CO2, [Al54Fe]-CO2, [Al54Ru]-CO2, [Al54Co]-CO2, [Al54Ni]-CO2 and [Al54Cu]-CO2. We found that the trends remained the same but ionization energies as well as the onset of the light-induced charge-transfer (LICT) were generally red-shifted. We also discovered that [Al54Ni]-CO2 resulted in a dissociation of CO2 on the cluster surface at ground-state level. We then compared the ground-state electronic properties of the selected small- and medium-sized systems to those of [Al146Zr]-CO2, [Al146Mn]-CO2, [Al146Ru]-CO2, [Al146Co]-CO2, [Al146Ni]-CO2 and [Al146Cu]-CO2. We found that with increasing cluster size, differences in ionization energy between differently doped clusters are reduced and adsorption gets weaker. We only observed high-spin ground-states for systems with Mn-, Fe- or Co-doping. Our study gives insights into the effect of different dopants and cluster sizes on charge-transfer and paves the way to a more rational design of aluminium catalysts for CO2 activation.Viele Bemühungen sind in die katalytische Umwandlung von Kohlenstoffdioxid geflossen um den Schadstoff in wertvolle Basischemikalien umzuwandeln. Ein entscheidender Schritt hierbei ist die Übertragung eines Elektrons in das CO2-Molekül. Dadurch reduziert sich seine Stabilität und es wird reaktiver. Hierzu wurden verschiedene Ansätze verfolgt und eine große Bandbreite an Katalysatoren hat sich al aktiv für diese Ladungsübertragung erwiesen. Allerdings beinhalten diese Katalysatoren oft große Mengen an Edelmetallen, was die Kosten dieser Prozesse in die Höhe treibt. Eine Alternative hierfür könnte Aluminium darstellen. Durch sein hohes natürliches Vorkommen ist es deutlich kostengünstiger als andere Metalle wie beispielsweise Cu, Au oder Rh. Ein weiteres Problem in der Katalyse stellt die Schwierigkeit dar, Struktur-Aktivitätsbeziehungen herzuleiten auf Grund der Komplexität vieler katalytischer Systeme. Hier haben sich sogenannte atomar definierte Katalysatoren als nützlich erwiesen, welche aus kleinen Clustern oder Molekülen mit wohldefinierten Strukturen bestehen. Diese ermöglichen es vielfach, einen tieferen Einblick in katalytische Prozesse zu erlangen. Wir haben insgesamt 55 solcher atomar definierten Katalysatoren im Hinblick auf ihre Fähigkeit CO2 zu adsorbieren untersucht. Diese umfassten 13, 55 und 147 atomige Aluminiumcluster mit und ohne Dotierung. Diese Atomanzahlen ergeben vollständige Ikosaederschalen. Hierbei waren einige Cluster einfach negativ geladen und andere neutral. Als Dotieratome wurden H, B, C, Si, N, P, O, S, Zr, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Cu, Ti, Pd, Rh, Ag und Au eingesetzt. Hierfür wurde eines der Aluminiumatome in der äußeren Ikosaederschale gegen ein Dotieratom ausgetauscht. Es zeigte sich, dass nur Übergangsmetalle in der Lage sind, CO2 zu aktivieren. Hierbei erweist sich 2.3 Å Abstand zwischen Cluster und Molekül als Schwellenwert, über welchem nur lineares CO2 zu finden ist, wohingegen alle Werte unter 2.3 Å ausnahmslos zu gewinkeltem CO2 und damit zu Aktivierung führen. Desweiteren haben wir die elektronische Struktur einiger ausgewählter Systeme im Grund- sowie im angeregten Zustand untersucht. Hierzu wurden die 7 kleinsten neutralen Systeme welche die niedrigsten Adsorptionslängen aufwiesen selektiert. Dabei handelt es sich um [Al12Zr]-CO2, [Al12Mn]-CO2, [Al12Fe]-CO2, [Al12Ru]-CO2, [Al12Co]-CO2, [Al12Ni]-CO2 und [Al12Cu]-CO2. Die mit Fe und Cu dotierten Systeme resultierten hierbei nicht in aktiviertem CO2. Es zeigte sich, dass Systeme, die im Grundzustand Ladung auf das CO2 Molekül übertragen hatten unter Anregung eher zu einem Rücktransfer dieser Ladung auf den Cluster neigen. Dahingegen zeigten Systeme, welche im Grundzustand zu keiner CO2 Aktivierung geführt hatten nur Ladungstransfer vom Cluster auf das Molekül unter Anregung. Die selben Kenngrößen wurden für die mittelgroßen Cluster [Al54Zr]-CO2, [Al54Mn]-CO2, [Al54Fe]-CO2, [Al54Ru]-CO2, [Al54Co]-CO2, [Al54Ni]-CO2 and [Al54Cu]-CO2 ermittelt. Hierbei zeigte sich, dass die Trends die sich für die kleinen Systeme ergeben hatten sich ebenso hier beobachten lassen, allerdings waren besipielweise Ionisationenergien rotverschoben. Darüber hinaus resultierte der Ni-dotierte Cluster in einer Dissoziation des CO2 Moleküls im Grundzustand. Die Ergebnisse für den Grundzustand der kleinen und mittleren Systeme wurden mit denen der größten Cluster, [Al146Zr]-CO2, [Al146Mn]-CO2, [Al146Ru]-CO2, [Al146Co]-CO2, [Al146Ni]-CO2 und [Al146Cu]-CO2 verglichen. Hierbei stellte sich heraus dass mit steigender Clustergröße sich die Ionisationsenergien zwischen unterschiedlich dotierten Clustern angleichen. Desweiteren konnte in einigen Fällen eine Abnahme der Adsorptionsstärke beobachtet werden. High-spin Zustände konnten, unabhängig von der Clustergröße, nur für Systeme die entweder Mn, Fe oder Co enthielten beobachtet werden. Unsere Untersuchungen eröffnen Einblicke in die Auswirkung von Dotieratomen und unterschiedlichen Clustergrößen auf die Ladungsübertragung von kleinen, atomar definierten Aluminiumclustern auf CO2. Dies ermöglicht ein rationaleres Katalysatordesign im Hinblick auf die katalytische Aktivität dieser Systeme zur CO2 Aktivierung