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NVS123 is a poorly water-soluble protease 56 inhibitor in clinical development. Data from in vitro hepatocyte studies suggested that NVS123 is mainly metabolized by CYP3A4. As a consequence of limited solubility, NVS123 therapeutic plasma exposures could not be achieved even with high doses and optimized formulations. One approach to overcome NVS123 developability issues was to increase plasma exposure by coadministrating it with an inhibitor of CYP3A4 such as ritonavir. A clinical boost effect was predicted by using physiologically based pharmacokinetic (PBPK) modeling. However, initial boost predictions lacked sufficient confidence because a key parameter, fraction of drug metabolized by CYP3A4 (ƒₘCYP3A4), could not be estimated with accuracy on account of disconnects between in vitro and in vivo preclinical data. To accurately estimate ƒₘCYP3A4 in human, an in vivo boost effect study was conducted using CYP3A4-humanized mouse model which showed a 33- to 56-fold exposure boost effect. Using a top-down approach, human ƒₘCYP3A4 for NVS123 was estimated to be very high and included in the human PBPK modeling to support subsequent clinical study design. The combined use of the in vivo boost study in CYP3A4-humanized mouse model mice along with PBPK modeling accurately predicted the clinical outcome and identified a significant NVS123 exposure boost (∼42-fold increase) with ritonavir.
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.
Die Ausbildung von Biofilmen in technischen Anlagen, wie z. B. Kühlkreisläufen, Wasseraufbereitungssystemen und Bioreaktoren, führen zu Materialschäden (Biofouling) und stark erhöhtem Energieaufwand. Im Rahmen der aktuellen Forschungsarbeiten erfolgen aktive sowie passive Bio-Modifikationen auf funktionalisierten magnetischen Mikropartikelober-flächen. Um die verschiedenen funktionalisierten magnetischen Mikropartikel zu analysieren und ihre antimikrobielle Wirkung zu testen, wird der Einsatz einer 3D-gedruckten, magnetischen Plattform für ein Fluoreszenz-basiertes Screening-System untersucht. Für den Oberflächenschutz wurden verschiedene, antimikrobiell funktionalisierte Partikelkombinationen mit dem Mikroorganismus Escherichia coli GFPmut2 in Bezug auf aktiven Oberflächenschutz verglichen. Um die antimikrobielle Oberflächeneffekte von synergistischen Kombinationen unterschiedlich funktionalisierter Partikel zu bestimmen, werden Oberflächen einem Magnetfeld ausgesetzt, das die Mikropartikel als definierte Schicht auf ihnen zurück hält. Diese modifizierten Oberflächen können sowohl durch Fluoreszenzspektroskopie als auch -mikroskopie analysiert werden.
In den letzten Jahren haben nachhaltige, biotechnologische Prozesse zunehmend an Bedeutung gewonnen. Die Aceton-Butanol-Ethanol-Fermentation (ABE-Fermentation) mit dem anaeroben Bakterium Clostridium acetobutylicum zur Gewinnung von Biobutanol könnte in diesem Zusammenhang eine Möglichkeit der nachhaltigen Kraftstoffproduktion darstellen. In dieser Arbeit wird der Einfluss zusätzlich verfügbarer Elektronen durch den Einsatz des Phenazin-Farbstoffs Neutralrot als Redoxmediator sowie das Anlegen eines elektrischen Potenzials während der ABE-Fermentation untersucht. Es wird gezeigt, dass das Neutralrot keinen Einfluss auf die Leerlaufspannung von ca. 500 mV vs. Ag/AgCl während der Fermentation hat. Der Mediator bewirkt allerdings eine frühere Butanolbildung sowie höhere Butanolkonzentrationen. Wird zudem die Mediatorkonzentration von 125 mM auf 250 mM angehoben, wird dabei auch die maximale Butanolkonzentration um 36 % ± 1,8 % innerhalb von28 Stunden gesteigert.
In diesem Beitrag geht es um die Integration von Stoffströmen einer Lignocellulose-Bioraffinerie in Verfahren zur Batterieherstellung. Pflanzliche Reststoffe aus der Biokraftstoffherstellung wie Lignin sollen zur Herstellung neuer Batteriematerialien verwendet werden. Hierbei wird das Lignin als Matrix für die vorgraphitischen C-haltigen Einlagerungsverbindungen in den Elektroden genutzt. Die Si-C-Komposite werden durch das Einbetten von Si in eine Ligninmatrix mit anschließender Carbonisierung hergestellt. Das Lignin hierfür wird durch die sequentielle hydrothermale Vorbehandlung von Buchenholz bei variablen Bedingungen gewonnen und mit Si-Nanopartikel sowie als Referenz ohne Si-Nanopartikel gefällt. Die Ergebnisse zeigen, dass die sequenzielle Vorbehandlung höhere Ausbeuten im Vergleich zum LHW- oder Organosolv-Aufschluss liefert. Um eine Anode herzustellen, wurde das resultierende Si–C-Kompositmaterial carbonisiert, auf einen Stromsammler aufgetragen und elektro-chemisch charakterisiert. Der Einfluss der Vorbehandlungsschritte auf den Herstellungsprozess und die ökonomische Bewertung des untersuchten Bioraffinerie-Prozesses wurde mithilfe eines Stoffstrommodells analysiert.
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.
Enzymatic hydrolysis of lignocellulosic material plays an important role in the classical biorefinery approach. Apart from the pretreatment of the raw material, hydrolysis is the basis for the conversion of the cellulose and hemicellulose fraction into fermentable sugars. After hydrolysis, usually a solid-liquid separation takes place, in order to separate the residual plant material from the sugar-rich fraction, which can be subsequently used in a fermentation step. In order to factor out the separation step, the usage of in alginate immobilized crude cellulose fiber beads (CFBs) were evaluated. Pretreated cellulose fibers are incorporated in an alginate matrix together with the relevant enzymes. In doing so, sugars diffuse trough the alginate matrix, allowing a simplified delivery into the surrounding fluid. This again reduces product inhibition of the glucose on the enzyme catalysts. By means of standardized bead production the hydrolysis in lab scale was possible. First results show that liberation of glucose and xylose is possible, allowing a maximum total sugar yield of 75 %.
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.
Mit der Entwicklung wässriger Tropfen, die mit einer schützenden Hülle magnetisierbarer, hydrophober Partikel umgeben sind, ergeben sich neue Möglichkeiten im Bereich der Mikrofluidik. So können die Tropfen als flüssige Mikroreaktoren eingesetzt werden. Der wässrige Kern dieser Mikroreaktoren besteht aus einer Substratlösung für enzymatische Umsetzungen. Durch Bewegen der Mikroreaktoren können diese über immobilisierten Enzymen positioniert werden, um so einen enzymatischen Umsatz innerhalb der Mikroreaktoren zu realisieren. Hierfür wurde eine neue Mikroreaktorplattform-Technologie etabliert. Die Mikroreaktoren können aufgrund ihrer magnetisierbaren Hüllenpartikel über elektromagnetische Spulen bewegt werden. Die Bewegung erfolgt dabei mit einer automatisierten Aktuatorplattform, bestehend aus einer 3x3 Doppelspulenmatrix mit Magnetkernen. Als modellhaftes Reaktionssystem wird eine Enzymkaskade eingesetzt, die sich aus einer b-Glucosidase, Glucose-Oxidase und Meerrettichperoxidase zusammensetzt. Primär untersuchte Substrate sind Fluorescein-di-b-D-glucopyranoside, und 1-(3,7-Dihydroxy-10H-phenoxazin-10-yl)-ethanon, bei deren Umsatz fluoreszierende Produkte entstehen.
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.
Three amperometric biosensors have been developed for the detection of L-malic acid, fumaric acid, and L -aspartic acid, all based on the combination of a malate-specific dehydrogenase (MDH, EC 1.1.1.37) and diaphorase (DIA, EC 1.8.1.4). The stepwise expansion of the malate platform with the enzymes fumarate hydratase (FH, EC 4.2.1.2) and aspartate ammonia-lyase (ASPA, EC 4.3.1.1) resulted in multi-enzyme reaction cascades and, thus, augmentation of the substrate spectrum of the sensors. Electrochemical measurements were carried out in presence of the cofactor β-nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) and the redox mediator hexacyanoferrate (III) (HCFIII). The amperometric detection is mediated by oxidation of hexacyanoferrate (II) (HCFII) at an applied potential of + 0.3 V vs. Ag/AgCl. For each biosensor, optimum working conditions were defined by adjustment of cofactor concentrations, buffer pH, and immobilization procedure. Under these improved conditions, amperometric responses were linear up to 3.0 mM for L-malate and fumarate, respectively, with a corresponding sensitivity of 0.7 μA mM−1 (L-malate biosensor) and 0.4 μA mM−1 (fumarate biosensor). The L-aspartate detection system displayed a linear range of 1.0–10.0 mM with a sensitivity of 0.09 μA mM−1. The sensor characteristics suggest that the developed platform provides a promising method for the detection and differentiation of the three substrates.
The immobilization of NAD+-dependent dehydrogenases, in combination with a diaphorase, enables the facile development of multiparametric sensing devices. In this work, an amperometric biosensor array for simultaneous determination of ethanol, formate, d- and l-lactate is presented. Enzyme immobilization on platinum thin-film electrodes was realized by chemical cross-linking with glutaraldehyde. The optimization of the sensor performance was investigated with regard to enzyme loading, glutaraldehyde concentration, pH, cofactor concentration and temperature. Under optimal working conditions (potassium phosphate buffer with pH 7.5, 2.5 mmol L-1 NAD+, 2.0 mmol L-1 ferricyanide, 25 °C and 0.4% glutaraldehyde) the linear working range and sensitivity of the four sensor elements was improved. Simultaneous and cross-talk free measurements of four different metabolic parameters were performed successfully. The reliable analytical performance of the biosensor array was demonstrated by application in a clarified sample of inoculum sludge. Thereby, a promising approach for on-site monitoring of fermentation processes is provided.
Modulation of muscle-tendon interaction in the human triceps surae during an energy dissipation task
(2017)
The gene encoding a putative (R,R)-butane-2,3-diol dehydrogenase (bdhA) from Bacillus clausii DSM 8716T was isolated, sequenced and expressed in Escherichia coli. The amino acid sequence of the encoded protein is only distantly related to previously studied enzymes (identity 33–43%) and exhibited some uncharted peculiarities. An N-terminally StrepII-tagged enzyme variant was purified and initially characterized. The isolated enzyme catalyzed the (R)-specific oxidation of (R,R)- and meso-butane-2,3-diol to (R)- and (S)-acetoin with specific activities of 12 U/mg and 23 U/mg, respectively. Likewise, racemic acetoin was reduced with a specific activity of up to 115 U/mg yielding a mixture of (R,R)- and meso-butane-2,3-diol, while the enzyme reduced butane-2,3-dione (Vmax 74 U/mg) solely to (R,R)-butane-2,3-diol via (R)-acetoin. For these reactions only activity with the co-substrates NADH/NAD+ was observed. The enzyme accepted a selection of vicinal diketones, α-hydroxy ketones and vicinal diols as alternative substrates. Although the physiological function of the enzyme in B. clausii remains elusive, the data presented herein clearly demonstrates that the encoded enzyme is a genuine (R,R)-butane-2,3-diol dehydrogenase with potential for applications in biocatalysis and sensor development.