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Die ökonomische Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und der klimatische Wandel durch die Nutzung dieser haben zu einer intensiven Suche nach erneuerbaren Rohstoffen für die Produktion von Chemikalien und Treibstoffen geführt. Ein viel versprechender Rohstoff in diesem Zusammenhang sind Zucker, die mittels enzymatischer Hydrolyse aus Lignocellulose gewonnen und beispielsweise zu Ethanol umgesetzt werden können. Dabei ist es notwendig die Hydrolyse in Hinsicht auf das verwendete Substrat und die Verwendung der entstehenden Hydrolysate für die Fermentation von Alkohol zu optimieren. Als Substrat dienen Cellulose- und Hemicellulose-Fraktionen, die durch thermo-chemische Vorbehandlung von Holz gewonnen werden. Die Vorbehandlung erfolgt bei unserem Projektpartner am Johann Heinrich von Thünen Institut in Hamburg. Verschiedene kommerziell erhältliche Enzyme, thermostabile eingeschlossen, wurden auf ihre Fähigkeit hin untersucht, diese Fraktionen zu den entsprechenden Zuckern umsetzen zu können. Um die Konzentration an fermentierbaren Zuckern zu steigern werden verschiedene Optimierungen durchgeführt, z. B. die Erhöhung der Substrat- bzw. Enzymkonzentrationen. Ein weiterer interessanter Ansatz, welcher ebenfalls verfolgt wird, ist es die Hydrolyse und die Fermentation in einem Schritt durchzuführen.
Lignine bestehen aus einem hochgradig vernetzten Polymer phenolischer Grundeinheiten. Diese Verbindungen sind eine Quelle vielversprechender chemischer Grundbausteine. Auch die enzymatische Modifikation der Materialeigenschaften des Lignins ist für dessen Anwendung von Interesse. Aufgrund der verschiedenen Bindungstypen im Lignin ist eine Auftrennung mit nur einem Enzym unwahrscheinlich. Vielmehr sind verschiedene mediatorgestützte Reaktionen notwendig. Pilze, wie z.B. T. versicolor, nutzen Enzymkombinationen zum Aufschluss des Lignins. Hierbei kommen Laccase, Ligninperoxidase und Manganperoxidase zum Einsatz. Die optimale Kombination der Enzyme und ihrer Mediatoren bzw. Stabilisatoren ist Ziel der Untersuchungen. Aufgrund der großen Parameteranzahl wurde ein genetischer Algorithmus eingesetzt. Als Versuchsparameter wurden gewählt: die Verhältnisse der Enzyme, Ligninmasse, Konzentrationen an Eisen-, Mangan-, Oxalat-Ionen, ABTS, Violursäure und H₂O₂. Somit werden elf Parameter simultan optimiert. Als Algorithmus wurde ein Programm mit variabler Genkodierung entwickelt. Die Umsetzung des Lignins wird dabei über den verfolgt. Zurzeit ist ein enzymatischer Umsatz von 12% möglich. Als Referenz wurde eine chemische Lignindegradierung mit einem Umsatzvon 37% etabliert. Die sechs Generationen des Algorithmus zeigen eine Kongruenz der Enzymkonzentrationen von LiP, MnP und VeP, während Laccase keinen Einfluss hat. Des Weiteren beeinflussen die Konzentrationen von Mangan und Oxalat die Umsetzung, während die Variation von ABTS- und H₂O₂ nur eine geringe Auswirkung hat.
Die stoffliche Nutzung von Lignin aus Bioraffinerien ist ein wichtiger Bestandteil für den Wertschöpfungsprozess von nachwachsenden, pflanzlichen Rohstoffen. Lignin zählt zu den wenigen erneuerbaren Quellen für phenolische Bestandteile, wird aber derzeit meist nur thermisch verwertet. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Funktionalisierung von Lignin zur Verbesserung der Adhäsionseigenschaften. Als funktionelle Gruppe wird die aromatische Aminosäure L-DOPA verwendet, die charakteristisch für die Adhäsionskraft von Muscheln ist. Lignin ist ein geeignetes Stützgerüst, da es ein Polymer ist, das durch enzymkatalysierte Polymerisation gebildet wird. Essenziell für die Entwicklung ist ein besseres Verständnis über die Bildung von Lignin-Polymeren und deren verschiedene Eigenschaften. Um die Einflussfaktoren auf Kettenlänge und Polymerisationseffizienz zu untersuchen, werden zurzeit sowohl Ligninmodellkomponenten (LMK) als auch gelöstes Organosolv-Lignin verwendet. Laufende Untersuchungen werden zeigen, ob sich die enzymatische Polymerisationsreaktion auf ein gelöstes Ligninpolymer aus einem Organosolv-Aufschluss übertragen lässt.
Grass silage provides a great potential as renewable feedstock. Two fractions of the grass silage, a press juice and the fiber fraction, were evaluated for their possible use for bioethanol production. Direct production of ethanol from press juice is not possible due to high concentrations of organic acids. For the fiber fraction, alkaline peroxide or enzymatic pretreatment was used, which removes the phenolic acids in the cell wall. In this study, we demonstrate the possibility to integrate the enzymatic pretreatment with a simultaneous saccharification and fermentation to achieve ethanol production from grass silage in a one-process step. Achieved yields were about 53 g ethanol per kg silage with the alkaline peroxide pretreatment and 91 g/kg with the enzymatic pretreatment at concentrations of 8.5 and 14.6 g/L, respectively. Furthermore, it was shown that additional supplementation of the fermentation medium with vitamins, trace elements and nutrient salts is not necessary when the press juice is directly used in the fermentation step.
Evaluation of lignocellulosic material for butanol production using enzymatic hydrolysate medium
(2016)
Butanol is a promising gasoline additive and platform chemical that can be readily produced via acetone-butanolethanol (ABE) fermentation from pretreated lignocellulosic materials. This article examines lignocellulosic material from beech wood for ABE fermentation, using Clostridium acetobutylicum. First, the utilization of both C₅₋ (xylose) and C₆₋ (glucose) sugars as sole carbon source was investigated in static cultivation, using serum bottles and synthetic medium. The utilization of pentose sugar resulted in a solvent yield of 0.231 g·g_sugar⁻¹, compared to 0.262 g·g_sugar⁻¹ using hexose. Then, the Organosolv pretreated crude cellulose fibers (CF) were enzymatically decomposed, and the resulting hydrolysate medium was analyzed for inhibiting compounds (furans, organic acids, phenolics) and treated with ionexchangers for detoxification. Batch fermentation in a bioreactor using CF hydrolysate medium resulted in a total solvent yield of 0.20 gABE·g_sugar⁻¹.
Organic anion transporting polypeptide (Oatp) 1a/1b knockout and OATP1B1 and -1B3 humanized mouse models are promising tools for studying the roles of these transporters in drug disposition. Detailed characterization of these models will help to better understand their utility for predicting clinical outcomes. To advance this approach, we carried out a comprehensive analysis of these mouse lines by evaluating the compensatory changes in mRNA expression, quantifying the amounts of OATP1B1 and -1B3 protein by liquid chromatography–tandem mass spectrometry, and studying the active uptake in isolated hepatocytes and the pharmacokinetics of some prototypical substrates including statins. Major outcomes from these studies were 1) mostly moderate compensatory changes in only a few genes involved in drug metabolism and disposition, 2) a robust hepatic expression of OATP1B1 and -1B3 proteins in the respective humanized mouse models, and 3) functional activities of the human transporters in hepatocytes isolated from the humanized models with several substrates tested in vitro and with pravastatin in vivo. However, the expression of OATP1B1 and -1B3 in the humanized models did not significantly alter liver or plasma concentrations of rosuvastatin and pitavastatin compared with Oatp1a/1b knockout controls under the conditions used in our studies. Hence, although the humanized OATP1B1 and -1B3 mice showed in vitro and/or in vivo functional activity with some statins, further characterization of these models is required to define their potential use and limitations in the prediction of drug disposition and drug-drug interactions in humans.
Synthetic mimics of natural high-performance structural materials have shown great and partly unforeseen opportunities for the design of multifunctional materials. For nacre-mimetic nanocomposites, it has remained extraordinarily challenging to make ductile materials with high stretchability at high fractions of reinforcements, which is however of crucial importance for flexible barrier materials. Here, highly ductile and tough nacre-mimetic nanocomposites are presented, by implementing weak, but many hydrogen bonds in a ternary nacre-mimetic system consisting of two polymers (poly(vinyl amine) and poly(vinyl alcohol)) and natural nanoclay (montmorillonite) to provide efficient energy dissipation and slippage at high nanoclay content (50 wt%). Tailored interactions enable exceptional combinations of ductility (close to 50% strain) and toughness (up to 27.5 MJ m⁻³). Extensive stress whitening, a clear sign of high internal dynamics at high internal cohesion, can be observed during mechanical deformation, and the materials can be folded like paper into origami planes without fracture. Overall, the new levels of ductility and toughness are unprecedented in highly reinforced bioinspired nanocomposites and are of critical importance to future applications, e.g., as barrier materials needed for encapsulation and as a printing substrate for flexible organic electronics.
A large strain collection comprising antagonistic bacteria was screened for novel detergent proteases. Several strains displayed protease activity on agar plates containing skim milk but were inactive in liquid media. Encapsulation of cells in alginate beads induced protease production. Stenotrophomonas maltophilia emerged as best performer under washing conditions. For identification of wash-active proteases, four extracellular serine proteases called StmPr1, StmPr2, StmPr3 and StmPr4 were cloned. StmPr2 and StmPr4 were sufficiently overexpressed in E. coli. Expression of StmPr1 and StmPr3 resulted in unprocessed, insoluble protein. Truncation of most of the C-terminal domain which has been identified by enzyme modeling succeeded in expression of soluble, active StmPr1 but failed in case of StmPr3.
From laundry application tests StmPr2 turned out to be a highly wash-active protease at 45 °C. Specific activity of StmPr2 determined with suc-l-Ala-l-Ala-l-Pro-l-Phe-p-nitroanilide as the substrate was 17 ± 2 U/mg. In addition we determined the kinetic parameters and cleavage preferences of protease StmPr2.
A new microfluidic assembly method for semiconductor-based biosensors using 3D-printing technologies was proposed for a rapid and cost-efficient design of new sensor systems. The microfluidic unit is designed and printed by a 3D-printer in just a few hours and assembled on a light-addressable potentiometric sensor (LAPS) chip using a photo resin. The cell growth curves obtained from culturing cells within microfluidics-based LAPS systems were compared with cell growth curves in cell culture flasks to examine biocompatibility of the 3D-printed chips. Furthermore, an optimal cell culturing within microfluidics-based LAPS chips was achieved by adjusting the fetal calf serum concentrations of the cell culture medium, an important factor for the cell proliferation.
Fahrzeugreifen
(2018)
Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugreifen mit zumindest einem radial außen befindlichen Gummilaufstreifen, Wulstbereichen für den Anschluss an eine Felge und mit auf einer Gummimischung basierenden Seitenwandbereichen zwischen Gummilaufstreifen und den Wulstbereichen. Ferner betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung solcher Fahrzeugreifen. Um den Anteil der umweltschädlichen Substanzen, insbesondere im Innenstadtbereich, zu reduzieren weisen die Seitenwandbereiche auf der äußeren Oberfläche eine für den oxidativen Abbau von Molekülen photokatalytisch aktive Substanz auf.
In this article, we describe the structure, the functioning, and the tests of parabolic trough solar thermal cooker (PSTC). This oven is designed to meet the needs of rural residents, including Urban, which requires stable cooking temperatures above 200 °C. The cooking by this cooker is based on the concentration of the sun's rays on a glass vacuum tube and heating of the oil circulate in a big tube, located inside the glass tube. Through two small tubes, associated with large tube, the heated oil, rise and heats the pot of cooking pot containing the food to be cooked (capacity of 5 kg). This cooker is designed in Germany and extensively tested in Morocco for use by the inhabitants who use wood from forests.
During a sunny day, having a maximum solar radiation around 720 W/m2 and temperature ambient around 26 °C, maximum temperatures recorded of the small tube, the large tube and the center of the pot are respectively: 370 °C, 270 °C and 260 °C. The cooking process with food at high (fries, ..), we show that the cooking oil temperature rises to 200 °C, after 1 h of heating, the cooking is done at a temperature of 120 °C for 20 min. These temperatures are practically stable following variations and decreases in the intensity of irradiance during the day. The comparison of these results with those of the literature shows an improvement of 30–50 % on the maximum value of the temperature with a heat storage that could reach 60 min of autonomy. All the results obtained show the good functioning of the PSTC and the feasibility of cooking food at high temperature (>200 °C).
Die ökonomische Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und der klimatische Wandel durch die Nutzung dieser haben zu einer intensiven Suche nach erneuerbaren Rohstoffen für die Produktion von Chemikalien und Treibstoffen geführt. Ein viel versprechender Rohstoff in diesem Zusammenhang sind Zucker, die mittels enzymatischer Hydrolyse aus Lignocellulose gewonnen werden können. Die Fermentation erfolgt mit Cellulose- bzw. Hemicellulose-Fraktionen, welche durch thermo-chemische Vorbehandlung von Holz gewonnen und anschließend enzymatisch hydrolysiert werden. Die in den Hydrolysaten enthaltenen Zuckermonomere dienen als Kohlenstoffquelle für die Produktion von Ethanol. Da sowohl Glucose als auch Xylose in den unterschiedlichen Fraktionen enthalten sind, wird zur Umsetzung dieser eine Co-Fermentation zweier Hefen durchgeführt. Im Rahmen der Optimierung dieser Fermentationen werden neben der Ergänzung der Hydrolysate durch notwendige Salze auch Verfahrenweisen wie Fed-Batch-Fermentationen untersucht. Ein weiterer interessanter Ansatz, welcher in diesem Rahmen geprüft wird, ist die enzymatische Hydrolyse der Lignocellulose-Fraktionen und die simultane Fermentation der dabei entstehenden Zucker in einem Schritt. Des Weiteren wurde die Eignung der Hydrolysate für die Biomasseproduktion anderer Mikroorganismen wie Escherichia coli getestet.
"Biologie trifft Mikroelektronik", das Motto des Instituts für Nano- und Biotechnologien (INB) an der FH Aachen, unterstreicht die zunehmende Bedeutung interdisziplinär geprägter Forschungsaktivitäten. Der thematische Zusammenschluss grundständiger Disziplinen, wie die Physik, Elektrotechnik, Chemie, Biologie sowie die Materialwissenschaften, lässt neue Forschungsgebiete entstehen, ein herausragendes Beispiel hierfür ist die Nanotechnologie: Hier werden neue Werkstoffe und Materialien entwickelt, einzelne Nanopartikel oder Moleküle und deren Wechselwirkung untersucht oder Schichtstrukturen im Nanometerbereich aufgebaut, die neue und vorher nicht bekannte Eigenschaften hervorbringen.
Vor diesem Hintergrund bündelt das im Jahre 2006 gegründete INB die an der FH Aachen vorhandenen Kompetenzen von derzeit insgesamt sieben Laboratorien auf den Gebieten der Halbleitertechnik und Nanoelektronik, Nanostrukturen und DNA-Sensorik, der Chemo- und Biosensorik, der Enzymtechnologie, der Mikrobiologie und Pflanzenbiotechnologie, der Zellkulturtechnik, sowie der Roten Biotechnologie synergetisch. In der Nano- und Biotechnologie steckt außergewöhnliches Potenzial! Nicht zuletzt deshalb stellen sich die Forscher der Herausforderung, in diesem Bereich gemeinsam zu forschen und Schnittstellen zu nutzen, um so bei der Gestaltung neuartiger Ideen und Produkte mitzuwirken, die zukünftig unser alltägliches Leben verändern werden.
Im Folgenden werden die verschiedenen Forschungsbereiche kurz zusammenfassend vorgestellt und vorhandene Interaktionen anhand von exemplarisch ausgewählten, aktuellen Forschungsprojekten skizziert.
Rubber materials filled with reinforcing fillers display nonlinear rheological behavior at small strain amplitudes below γ0 < 0.1. Nevertheless, rheological data are analyzed mostly in terms of linear parameters, such as shear moduli (G′, G″), which loose their physical meaning in the nonlinear regime. In this work styrene butadiene rubber filled with carbon black (CB) under large amplitude oscillatory shear (LAOS) is analyzed in terms of the nonlinear parameter I3/1. Three different CB grades are used and the filler load is varied between 0 and 70 phr. It is found that I3/1(φ) is most sensitive to changes of the total accessible filler surface area at low strain amplitudes (γ0 = 0.32). The addition of up to 70 phr CB leads to an increase of I3/1(φ) by a factor of more than ten. The influence of the measurement temperature on I3/1 is pronounced for CB levels above the percolation threshold.
In order to efficiently convert lignocellulose, it is often necessary to conduct a pretreatment. The biomass considered in this study typically comprises of agricultural and horticultural residues, as well as beechwood. A very environmentally friendly method, namely, fungal pretreatment using white-rot fungi, leads to an enhanced enzymatic hydrolysis. In contrast to other processes presented, the energy input is extremely low. However, the fungal growth on the lignocellulosic substrates takes several weeks at least in order to be effective. Thus, the reduction of chemicals and energy for thermal processing is a target of our current research. Liquid hot water (LHW) and solvent-based pretreatment (OrganoSolv) require more complex equipment, as they depend on high temperatures (160 – 180 °C) and enhanced pressure (up to 20 bar). However, they prove to be promising processes in regard to the fractioning of lignocellulose. For optimal lignin recovery the parameters differ from those established in cellulose extraction. A novel screening system scaled down to a reaction volume of 100 mL has been developed and successfully tested for this purpose.
Frühregenfeste Dichtmasse auf Basis wässriger Acrylatdispersionen und Verfahren zu ihrer Herstellung
(1993)
Frühregenfeste Dichtmasse auf Basis wässriger Acrylatdispersionen und Verfahren zu ihrer Herstellung
(1993)
Mechanical forces/tensile stresses are critical determinants of cellular growth, differentiation and migration patterns in health and disease. The innovative “CellDrum technology” was designed for measuring mechanical tensile stress of cultured cell monolayers/thin tissue constructs routinely. These are cultivated on very thin silicone membranes in the so-called CellDrum. The cell layers adhere firmly to the membrane and thus transmit the cell forces generated. A CellDrum consists of a cylinder which is sealed from below with a 4 μm thick, biocompatible, functionalized silicone membrane. The weight of cell culture medium bulbs the membrane out downwards. Membrane indentation is measured. When cells contract due to drug action, membrane, cells and medium are lifted upwards. The induced indentation changes allow for lateral drug induced mechanical tension quantification of the micro-tissues. With hiPS-induced (human) Cardiomyocytes (CM) the CellDrum opens new perspectives of individualized cardiac drug testing. Here, monolayers of self-beating hiPS-CMs were grown in CellDrums. Rhythmic contractions of the hiPS-cells induce membrane up-and-down deflections. The recorded cycles allow for single beat amplitude, single beat duration, integration of the single beat amplitude over the beat time and frequency analysis. Dose effects of agonists and antagonists acting on Ca2+ channels were sensitively and highly reproducibly observed. Data were consistent with published reference data as far as they were available. The combination of the CellDrum technology with hiPS-Cardiomyocytes offers a fast, facile and precise system for pharmacological and toxicological studies. It allows new preclinical basic as well as applied research in pharmacolgy and toxicology.
Biotechnological downstream processing is usually an elaborate procedure, requiring a multitude of unit operations to isolate the target component. Besides the disadvantageous space-time yield, the risks of cross-contaminations and product loss grow fast with the complexity of the isolation procedure. A significant reduction of unit operations can be achieved by application of magnetic particles, especially if these are functionalized with affinity ligands. As magnetic susceptible materials are highly uncommon in biotechnological processes, target binding and selective separation of such particles from fermentation or reactions broths can be done in a single step. Since the magnetizable particles can be produced from iron salts and low priced polymers, a single-use implementation of these systems is highly conceivable. In this article, the principles of magnetizable particles, their synthesis and functionalization are explained. Furthermore, applications in the area of reaction engineering, microfluidics and downstream processing are discussed focusing on established single-use technologies and development potential.
Dargestellt und beansprucht ist eine Funkeinheit mit einem Funkbauteil, einer elektrisch leitfähigen Antenne und einem Kunststoffverbindungsmittel. Das Funkbauteil weist einen Antennenanschluss auf. Das Kunststoffverbindungsmittel weist ein erstes Elastomermaterial mit elektrisch leitfähigem Zusatzmaterial auf, so dass das Kunststoffverbindungsmittel elektrisch leitfähig ist. Das Kunststoffverbindungsmittel bildet eine mechanische und elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Antennenanschluss und der Antenne. Weiterhin wird eine Vorrichtung mit einem ein Matrixmaterial mit oder aus einem zweiten Elastomermaterial und einer Funkeinheit beschrieben und beansprucht, wobei die Funkeinheit vollständig in das Matrixmaterial eingebettet ist. Die Vorrichtung kann insbesondere ein Fahrzeugreifen sein.
Breast cancer resistance protein (BCRP) is expressed in various tissues, such as the gut, liver, kidney and blood brain barrier (BBB), where it mediates the unidirectional transport of substrates to the apical/luminal side of polarized cells. Thereby BCRP acts as an efflux pump, mediating the elimination or restricting the entry of endogenous compounds or xenobiotics into tissues and it plays important roles in drug disposition, efficacy and safety. Bcrp knockout mice (Bcrp−/−) have been used widely to study the role of this transporter in limiting intestinal absorption and brain penetration of substrate compounds. Here we describe the first generation and characterization of a mouse line humanized for BCRP (hBCRP), in which the mouse coding sequence from the start to stop codon was replaced with the corresponding human genomic region, such that the human transporter is expressed under control of the murine Bcrp promoter. We demonstrate robust human and loss of mouse BCRP/Bcrp mRNA and protein expression in the hBCRP mice and the absence of major compensatory changes in the expression of other genes involved in drug metabolism and disposition. Pharmacokinetic and brain distribution studies with several BCRP probe substrates confirmed the functional activity of the human transporter in these mice. Furthermore, we provide practical examples for the use of hBCRP mice to study drug-drug interactions (DDIs). The hBCRP mouse is a promising model to study the in vivo role of human BCRP in limiting absorption and BBB penetration of substrate compounds and to investigate clinically relevant DDIs involving BCRP.
Generation and Characterization of a Novel Multidrug Resistance Protein 2 Humanized Mouse Line
(2012)
The multidrug resistance protein (MRP) 2 is predominantly expressed in liver, intestine, and kidney, where it plays an important role in the excretion of a range of drugs and their metabolites or endogenous compounds into bile, feces, and urine. Mrp knockout [Mrp2(−/−)] mice have been used recently to study the role of MRP2 in drug disposition. Here, we describe the first generation and initial characterization of a mouse line humanized for MRP2 (huMRP2), which is nulled for the mouse Mrp2 gene and expresses the human transporter in the organs and cell types where MRP2 is normally expressed. Analysis of the mRNA expression for selected cytochrome P450 and transporter genes revealed no major changes in huMRP2 mice compared with wild-type controls. We show that human MRP2 is able to compensate functionally for the loss of the mouse transporter as demonstrated by comparable bilirubin levels in the humanized mice and wild-type controls, in contrast to the hyperbilirubinemia phenotype that is observed in MRP2(−/−) mice. The huMRP2 mouse provides a model to study the role of the human transporter in drug disposition and in assessing the in vivo consequences of inhibiting this transporter by compounds interacting with human MRP2.
Compared with rodents and many other animal species, the human cytochrome P450 (P450) Cyp2c gene cluster varies significantly in the multiplicity of functional genes and in the substrate specificity of its enzymes. As a consequence, the use of wild-type animal models to predict the role of human CYP2C enzymes in drug metabolism and drug-drug interactions is limited. Within the human CYP2C cluster CYP2C9 is of particular importance, because it is one of the most abundant P450 enzymes in human liver, and it is involved in the metabolism of a wide variety of important drugs and environmental chemicals. To investigate the in vivo functions of cytochrome P450 Cyp2c genes and to establish a model for studying the functions of CYP2C9 in vivo, we have generated a mouse model with a deletion of the murine Cyp2c gene cluster and a corresponding humanized model expressing CYP2C9 specifically in the liver. Despite the high number of functional genes in the mouse Cyp2c cluster and the reported roles of some of these proteins in different biological processes, mice deleted for Cyp2c genes were viable and fertile but showed certain phenotypic alterations in the liver. The expression of CYP2C9 in the liver also resulted in viable animals active in the metabolism and disposition of a number of CYP2C9 substrates. These mouse lines provide a powerful tool for studying the role of Cyp2c genes and of CYP2C9 in particular in drug disposition and as a factor in drug-drug interaction.
Disruption experiments targeted at the Bacillus licheniformis degSU operon and GFP-reporter analysis provided evidence for promoter activity immediately upstream of degU. pMutin mediated concomitant introduction of the degU32 allele – known to cause hypersecretion in Bacillus subtilis – resulted in a marked increase in protease activity. Application of 5-fluorouracil based counterselection through establishment of a phosphoribosyltransferase deficient Δupp strain eventually facilitated the marker-free introduction of degU32 leading to further protease enhancement achieving levels as for hypersecreting wild strains in which degU was overexpressed. Surprisingly, deletion of rapG – known to interfere with DegU DNA-binding in B. subtilis – did not enhance protease production neither in the wild type nor in the degU32 strain. The combination of degU32 and Δupp counterselection in the type strain is not only equally effective as in hypersecreting wild strains with respect to protease production but furthermore facilitates genetic strain improvement aiming at biological containment and effectiveness of biotechnological processes.
Genetically humanized mice for proteins involved in drug metabolism and toxicity and mice engrafted with human hepatocytes are emerging as promising in vivo models for improved prediction of the pharmacokinetic, drug–drug interaction, and safety characteristics of compounds in humans. This is an overview on the genetically humanized and chimeric liver-humanized mouse models, which are illustrated with examples of their utility in drug metabolism and toxicity studies. The models are compared to give guidance for selection of the most appropriate model by highlighting advantages and disadvantages to be carefully considered when used for studies in drug discovery and development.
1. Drug metabolizing enzymes and transporters play important roles in the absorption, metabolism, tissue distribution and excretion of various compounds and their metabolites and thus can significantly affect their efficacy and safety. Furthermore, they can be involved in drug–drug interactions which can result in adverse responses, life-threatening toxicity or impaired efficacy. Significant species differences in the interaction of compounds with drug metabolizing enzymes and transporters have been described.
2. In order to overcome the limitation of animal models in accurately predicting human responses, a large variety of mouse models humanized for drug metabolizing enzymes and to a lesser extent drug transporters have been created.
3. This review summarizes the literature describing these mouse models and their key applications in studying the role of drug metabolizing enzymes and transporters in drug bioavailability, tissue distribution, clearance and drug–drug interactions as well as in human metabolite testing and risk assessment.
4. Though such humanized mouse models have certain limitations, there is great potential for their use in basic research and for testing and development of new medicines. These limitations and future potentials will be discussed.
Grassilage stellt einen nachwachsenden Rohstoff mit großem Potenzial dar. Neben Cellulose und Hemicellulose enthält sie auch organische Säuren, insbesondere Milchsäure. In einem Bioraffinerie-Projekt wird die Milchsäure aus der Silage isoliert und mit gentechnisch optimierten Stämmen zu L-Lysin weiterverarbeitet. Die Lignocellulose wird hydrolysiert und zu Ethanol fermentiert. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der Integration der unterschiedlichen Prozesse sowie der einzelnen Prozessschritte zu einem Gesamtprozess, der sämtliche Inhaltsstoffe der Silage verwertet.
Der zunehmende Bedarf an fossilen Rohstoffen bei gleichzeitig abnehmender Versorgungssicherheit führt zu einer intensiven Suche nach erneuerbaren Ressourcen. Ein vielversprechendes Ausgangsmaterial mit einer weltweiten Verfügbarkeit stellt Gras dar. In 2012 wurden in Deutschland 33 Millionen Tonnen (Heugewicht) Gras auf 4,82 Millionen Hektar Ackerland produziert, davon wurden 60,5 % siliert. Durch die Silierung kann Gras als Substrat zeitlich uneingeschränkt verfügbar sein, ohne dem Risiko des schnellen Verderbs ausgesetzt zu sein. Eine Schlüsselrolle im Rahmen des Silierprozesses nimmt die Produktion von Milchsäure ein. Milchsäure ist einbedeutendes biotechnologisches Produkt für die Lebensmittel- und die chemische Industrie. Im Rahmen dieser Arbeit wird die vollständige Umwandlung der fermentierbaren Zucker in der Silage zu Milchsäure angestrebt, um die maximale Ausbeute der organischen Säure zu erreichen. Im ersten Verfahrensschritt wird die Silage gepresst und der erhaltene Presskuchen einer Liquid-Hot-Water-Behandlung unterzogen. Durch diese einfache Vorbehandlung können hohe Glucoseausbeuten im nachfolgenden SSF-Schritt bei gleichzeitig geringem Enzymeinsatz und Chemikalienverbrauch realisiert werden. Zur Aufreinigung der Milchsäure wurden extraktive und chromatographische Methoden untersucht.
Growth and metabolism of CHO-cells in porous glass carriers / Lüllau, E. ; Biselli, M. ; Wandrey, C.
(1994)
Reconstructive surgery and tissue replacements like ureters or bladders reconstruction have been recently studied, taking into account growth and remodelling of cells since living cells are capable of growing, adapting, remodelling or degrading and restoring in order to deform and respond to stimuli. Hence, shapes of ureters or bladders and their microstructure change during growth and these changes strongly depend on external stimuli such as training. We present the mechanical stimulation of smooth muscle cells in a tubular fibrin-PVDFA scaffold and the modelling of the growth of tissue by stimuli. To this end, mechanotransduction was performed with a kyphoplasty balloon catheter that was guided through the lumen of the tubular structure. The bursting pressure was examined to compare the stability of the incubated tissue constructs. The results showed the significant changes on tissues with training by increasing the burst pressure as a characteristic mechanical property and the smooth muscle cells were more oriented with uniformly higher density. Besides, the computational growth models also exhibited the accurate tendencies of growth of the cells under different external stimuli. Such models may lead to design standards for the better layered tissue structure in reconstructing of tubular organs characterized as composite materials such as intestines, ureters and arteries.
Gras hat ein hohes Potenzial als nachwachsender Rohstoff. Bei ungeeigneter Lagerung verderben Gräser allerdings innerhalb weniger Tage. Dieser Nachteil kann durch die Silierung des Grasschnittes behoben werden. Eines der wichtigsten in der Silage enthaltenen Produkte ist die Milchsäure. Um diese für weitere Aufarbeitungsschritte zugänglich zu machen, wird aus der Silage ein Presssaft hergestellt. Die Milchsäure wird aus einem Silagepresssaft mittels Extraktion durch ionische Flüssigkeiten isoliert. Dabei wird zum einen eine reine Milchsäure hergestellt, die z. B. für die Herstellung von Polymilchsäure genutzt werden kann. Zum anderen wird ein weniger aufgereinigter Extrakt gewonnen, der für die fermentative Produktion von L-Lysin und 1,2-Propandiol genutzt werden soll. Im Rahmen des Projekts erfolgt die gentechnische Optimierung von Corynebacterium glutamicum für die Umsetzung von Milchsäurezu L-Lysin. Die im nach der Pressung verbleibenden Presskuchen enthaltenen Grasfasern bestehen zu einem großen Teil aus Polysacchariden. Diese werden hydrolysiert und die dabei freigesetzten Zucker zu Grundchemikalien wie Ethanol oder Itakonsäure fermentiert. Im Rahmen einer vollständigen Nutzung der Silage wird das Raffinat aus der Milchsäureextraktion als Mediumsupplement in der Fermentation eingesetzt, was die Zugabe weiterer Medienbestandteile überflüssig macht. Die Rückstände der Hydrolysen und Fermentationen sollen darüberhinaus für die Herstellung von Biogas genutzt werden.
Helle Fensterprofilmaterialien : Alterungsverhalten auf Basis von peroxidisch vernetztem EPDM
(2010)
Gräser sind in der Lage, einen großen Teil der für eine biobasierte Wirtschaft benötigten Biomasse zur Verfügung zustellen. Um eine ganzjährige Nutzung des Grases zu gewährleisten, muss eine stabile Lagerung des Grases erreicht werden, was z. B. durch Silieren möglich ist. Die konservierende Wirkung der Silierung beruht auf der Bildung organischer Säuren. Um diese zu gewinnen, wird die Silage gepresst, die organischen Säuren über Flüssig/Flüssig-Extraktion aus dem Presssaft abgetrenntund mittels chromatographischer Methoden weiter aufgereinigt. Im präsentierten Konzept werden die im Presskuchen enthaltenen Lignocellulosen hydrolysiert und die erhaltenen Monosaccharide zu Ethanol fermentiert. Die Phenolsäuren, die in Gräsern die Rolle des Lignins übernehmen, können simultan mit der Hydrolyse der Polysaccharide enzymatisch abgetrennt und als Nebenprodukt gewonnen werden. Die nach der Abtrennung des Ethanols verbleibenden Fermentationsreststoffe werden für die Herstellung von Biogas verwendet.
Clostridium propionicum is the only organism known to ferment β-alanine, a constituent of coenzyme A (CoA) and the phosphopantetheinyl prosthetic group of holo-acyl carrier protein. The first step in the fermentation is a CoA-transfer to β-alanine. Subsequently, the resulting β-alanyl-CoA is deaminated by the enzyme β-alanyl-CoA:ammonia lyase (Acl) to reversibly form ammonia and acrylyl-CoA. We have determined the crystal structure of Acl in its apo-form at a resolution of 0.97 Å as well as in complex with CoA at a resolution of 1.59 Å. The structures reveal that the enyzme belongs to a superfamily of proteins exhibiting a so called “hot dog fold” which is characterized by a five-stranded antiparallel β-sheet with a long α-helix packed against it. The functional unit of all “hot dog fold” proteins is a homodimer containing two equivalent substrate binding sites which are established by the dimer interface. In the case of Acl, three functional dimers combine to a homohexamer strongly resembling the homohexamer formed by YciA-like acyl-CoA thioesterases. Here, we propose an enzymatic mechanism based on the crystal structure of the Acl·CoA complex and molecular docking. Proteins 2014; 82:2041–2053. © 2014 Wiley Periodicals, Inc.
Durch den Einsatz magnetisierbarer Partikel lassen sich Stoffwechselprodukte direkt und selektiv aus feststoffreichen Fermentationssuspensionen abtrennen. Im Gegensatz zu klassischen Adsorbermaterialien können magnetisierbare Partikel mit sehr geringen Durchmessern verwendet werden. Zur deren Abtrennung ist jedoch ein hoher Magnetfeldgradient notwendig. Dieser wird in der Regel durch in der Trennkammer bzw. dem Magnetfeld eingebrachte magnetisierbare Drähte realisiert. Bei der Auslegung der Drahtgitter ist ein Kompromiss zwischen Abtrennrate und Durchlässigkeit nötig. Die Ausrichtung der Drähte in Relation zum Magnetfeld, deren Abstand sowie die geometrische Anordnung können hierbei variiert werden. Zum Verständnis der Einflüsse auf das sich ausbildende Magnetfeld und die Fluiddynamik wurden Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode durchgeführt und experimentell überprüft. Hierfür wurden die Drähte unter Variation von Anzahl, Richtung und Anordnung in den Hochgradient-Magnetseparator eingebracht. Erste Verifizierungen der Simulationen zeigen, dass die in Magnetfeldrichtung ausgerichteten Drähte (x-Achse) über die geringste Partikelrückhaltefähigkeit verfügen. Die Drähte der y- und z-Achse halten den größten Anteil der Magnetpartikel zurück, wobei die Drähte in y-Richtung den höchsten Feldgradienten ausbilden. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass eine rhomboedrische Drahtanordnung der kubischen vorzuziehen ist.
Der Erhalt möglichst hoher Zuckerkonzentrationen für nachfolgende Fermentationen und eine Steigerung der Produktivität sind Ziele der Hydrolyse bei hohen Feststoffkonzentrationen im Rahmen des Projekts „Lignocellulose Bioraffinerie“. Verwendet wird durch ein Organosolv-Verfahren aufgeschlossenes Buchenholz. Die Hydrolyse des Faserstoffes erfolgt mithilfe von CTec2-Enzymen (Fa. Novozymes). Zurzeit können unter Einsatz eines neuen Feststoffreaktors Cellulosefasern in einer Konzentration bis 400 g L⁻¹ enzymatisch hydrolysiert werden. Dabei werden Ausbeuten (g Glucose/g Cellulose im Faserstoff) bis 0,86 g g⁻¹ und Glucosekonzentrationenvon 120 g L⁻¹ erreicht. Ein Nachteil ist jedoch die hierbei auftretende Abnahme der Hydrolyseausbeuten. Zahlreiche Limitierungen bezüglich der Hydrolysierbarkeit von Lignocellulose werden zurzeit diskutiert und publiziert. Ziel der Untersuchungen ist die Identifizierung hydrolysehemmender Substanzen sowie die Erhöhung der Ausbeute an Zuckermonomeren durch den Einsatz lignolytischer Enzyme. Hierbei wird eine HPLC-MS-Methode zur Charakterisierung hemmender Substanzen eingesetzt, um potenzielle Inhibitoren zu erfassen.
Mouse nongenotoxic hepatocarcinogens phenobarbital (PB) and chlordane induce hepatomegaly characterized by hypertrophy and hyperplasia. Increased cell proliferation is implicated in the mechanism of tumor induction. The relevance of these tumors to human health is unclear. The xenoreceptors, constitutive androstane receptors (CARs), and pregnane X receptor (PXR) play key roles in these processes. Novel “humanized” and knockout models for both receptors were developed to investigate potential species differences in hepatomegaly. The effects of PB (80 mg/kg/4 days) and chlordane (10 mg/kg/4 days) were investigated in double humanized PXR and CAR (huPXR/huCAR), double knockout PXR and CAR (PXRKO/CARKO), and wild-type (WT) C57BL/6J mice. In WT mice, both compounds caused increased liver weight, hepatocellular hypertrophy, and cell proliferation. Both compounds caused alterations to a number of cell cycle genes consistent with induction of cell proliferation in WT mice. However, these gene expression changes did not occur in PXRKO/CARKO or huPXR/huCAR mice. Liver hypertrophy without hyperplasia was demonstrated in the huPXR/huCAR animals in response to both compounds. Induction of the CAR and PXR target genes, Cyp2b10 and Cyp3a11, was observed in both WT and huPXR/huCAR mouse lines following treatment with PB or chlordane. In the PXRKO/CARKO mice, neither liver growth nor induction of Cyp2b10 and Cyp3a11 was seen following PB or chlordane treatment, indicating that these effects are CAR/PXR dependent. These data suggest that the human receptors are able to support the chemically induced hypertrophic responses but not the hyperplastic (cell proliferation) responses. At this time, we cannot be certain that hCAR and hPXR when expressed in the mouse can function exactly as the genes do when they are expressed in human cells. However, all parameters investigated to date suggest that much of their functionality is maintained.
Humanized UGT2 and CYP3A transchromosomic rats for improved prediction of human drug metabolism
(2019)
Abstractauthoren Graphene oxide (GO) nanoparticles were incorporated in temperature-sensitive Poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) hydrogels. The nanoparticles increase the light absorption and convert light energy into heat efficiently. Thus, the hydrogels with GO can be stimulated spatially resolved by illumination as it was demonstrated by IR thermography. The temporal progression of the temperature maximum was detected for different concentrations of GO within the polymer network. Furthermore, the compatibility of PNIPAAm hydrogels with GO and cell cultures was investigated. For this purpose, culture medium was incubated with hydrogels containing GO and the viability and morphology of chinese hamster ovary (CHO) cells was examined after several days of culturing in presence of this medium.
The molecular events during nongenotoxic carcinogenesis and their temporal order are poorly understood but thought to include long-lasting perturbations of gene expression. Here, we have investigated the temporal sequence of molecular and pathological perturbations at early stages of phenobarbital (PB) mediated liver tumor promotion in vivo. Molecular profiling (mRNA, microRNA [miRNA], DNA methylation, and proteins) of mouse liver during 13 weeks of PB treatment revealed progressive increases in hepatic expression of long noncoding RNAs and miRNAs originating from the Dlk1-Dio3 imprinted gene cluster, a locus that has recently been associated with stem cell pluripotency in mice and various neoplasms in humans. PB induction of the Dlk1-Dio3 cluster noncoding RNA (ncRNA) Meg3 was localized to glutamine synthetase-positive hypertrophic perivenous hepatocytes, sug- gesting a role for β-catenin signaling in the dysregulation of Dlk1-Dio3 ncRNAs. The carcinogenic relevance of Dlk1-Dio3 locus ncRNA induction was further supported by in vivo genetic dependence on constitutive androstane receptor and β-catenin pathways. Our data identify Dlk1-Dio3 ncRNAs as novel candidate early biomarkers for mouse liver tumor promotion and provide new opportunities for assessing the carcinogenic potential of novel compounds.