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Synthese und bioanalytische Anwendung Lanthanid-markierter Peptide und Nucleinsäuren

Marguerre, Ann-Kathrin

English Title: Synthesis and bioanalytical application of lanthanide-based peptides and nucleic acids

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Abstract

Die Arbeit behandelt die Entwicklung neuer Lanthanidsonden und ihre Anwendung zur Detektion von Nucleinsäuren und Enzymen durch zeitaufgelöste Lumineszenzmessungen. Zum einen wurden dazu Lanthanidkomplex-modifizierte fluorogene Peptidsubstrate, zum anderen Chelator-modifizierte Peptidnucleinsäuren (PNAs) synthetisiert. Im funktionalisierten Peptidsubstrat wird die Lumineszenz des Lanthanidkomplexes durch einen Bis-Azo-Farbstoff (Black Hole Quencher) vollständig gelöscht. Die enzymatische Spaltung des Substrats führt zu einer räumlichen Trennung von Komplex und Quencher und so zu einem deutlichen Signalanstieg. Durch zeitaufgelöste Messung der langlebigen Lanthanidlumineszenz kann Thermolysin sehr empfindlich nachgewiesen werden. Darüber hinaus wurden die besonderen photophysikalischen Eigenschaften der Lanthanidkomplexe zur Detektion von DNA eingesetzt. An beiden Termini mit Chelatoren modifizierte Peptidnucleinsäuren wurden entwickelt und ihre Wechselwirkung mit komplementärer DNA untersucht. Diese führt zur allosterischen Destabilisierung eines zuvor gebildeten zirkularen PNA-Lanthanidkomplexes, wodurch das Metallion freigesetzt wird und mit Hilfe von Sensitizern detektiert werden kann. In einem zweiten auf Signalverstärkung beruhenden Ansatz zur Detektion von DNA fungiert ein zirkularer DNA-Zink-Komplex als Primärsonde für eine komplementäre Ziel-DNA. Auch hier wird das Metallion durch Hybridisierung freigesetzt, jedoch anschließend nicht direkt, sondern indirekt über die Aktivierung eines Zn2+-Cofaktor abhängigen Enzyms Thermolysin nachgewiesen. Eine Signalamplifikation erfolgte katalytisch über die Spaltung des oben beschriebenen fluorogenen Peptidsubstrats, welches ein starkes Lumineszenzsignal erzeugt.

Translation of abstract (English)

The thesis covers the development of new lanthanide-based probes and their application to the detection of DNA sequences and enzymes by time-resolved luminescence measurements. Both lanthanide-based fluorogenic peptide substrates and chelator-functionalized peptide nucleic acids (PNAs) were synthesized. Luminescence of a lanthanide complex attached to an oligopeptide was efficiently quenched intramolecularly by a bis(azo)dye (black hole quencher 2). Enzymatic hydrolysis of this substrate leads to a spatial separation of complex and quencher and results in a significant increase of the luminescent signal. Application of time-resolved techniques enables the highly sensitive detection of the metalloendoprotease like thermolysin. The unique photophysical properties of lanthanide complexes were also advantageous for the detection of DNA. Peptide nucleic acids bearing chelating groups on both termini were prepared. Their interaction with complementary DNA results in an allosteric destabilization of a preformed PNA-lanthanide complex, which causes the release of the bound metal ion. The latter is detected by formation of a luminescent complex with a sensitizing ligand. Finally, DNA was detected by enzyme-triggered amplification of a luminescent lanthanide signal. In this approach, the DNA target first hybridizes with a circular DNA-zinc complex. The released Zn2+ ion acts as a cofactor for an apoenzyme (apothermolysin), resulting in an active holoenzyme. The active enzyme catalyzes the cleavage of above mentioned luminescent peptide substrate. Thus, the signal can be monitored fluorometrically using time-resolved techniques, allowing the detection of target DNA with high sensitivity and sequence specificity.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Krämer, Prof. Dr. Roland
Date of thesis defense: 21. September 2009
Date Deposited: 30. Sep 2009 09:36
Date: 2009
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Inorganic Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Lanthanoide, Fluoreszenz, Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer, Verzögerte Fluoreszenz, DNS, Proteasen, Peptid-Nucleinsäuren
Uncontrolled Keywords: lanthanides, fluorescence resonance energy transfer, peptidase, time-resolved fluorescence DNA-detection, PNA
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