Institut für Umweltforschung (INFU)
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Item Imaging the uptake, distribution and metabolism of agrochemicals using MALDI mass spectrometry imaging(2022) Kubicki, Michael; Kusari, Souvik; Rauh, DanielAgrochemicals such as fungicides, herbicides, or insecticides are widely used worldwide to control weeds, pests, and diseases to reduce the loss in crop production and increase yield and quality of crop products. Successful control and safe usage of these types of compounds depend on the compound reaching the target site within the crop plant. Therefore, monitoring agrochemical distribution within plant tissues delivers significant insights into agrochemicals adsorption, distribution, metabolism, and elimination (ADME). In the present dissertation, matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry imaging (MALDI MSI) has been used to examine the uptake and distribution of a range of agrochemicals into a various number of crop plants and to complement their results with conventional methods such as autoradiography, liquid scintillation, and HPLC-MS. The uptake, distribution, metabolic behavior, and the nature of the residue of selected fungicides, herbicides and insecticides was investigated and delivered spatial information about the uptake and systemicity of the agrochemicals within the plants.Item Massenspektrometrische und bildgebende Verfahren zur Untersuchung von Sekundärmetaboliten der Genera Maytenus und Putterlickia und assoziierten Endophyten(2018) Eckelmann, Dennis; Spiteller, Michael; Kusari, SouvikItem Molecularly imprinted polymer based scavengers for purifiying small and large active pharmaceutical ingredients(2014) Fritz, Emelie; Sellergren, Börje; Weberskirch, RalfItem Imprinted polymers for affinity based extractions of a peptidic biomarker from protein digests(2014-08-20) Abdel Qader, Abed; Sellergren, Börje; Weberskirch, RalfItem Molecularly imprinted core shell nanoparticles by surface initiated RAFT polymerization(2014-07-16) Mohammadi, Reza; Sellergren, Börje; Weberskirch, RalfItem Urea based hosts for oxyanions prepared by molecular imprinting, applications in phospho- and sulfo-proteomics(2013-08-20) Shinde, Sudhirkumar A.; Sellergren, Björn; Schulz, FrankItem Imprinted fluorogenic receptors composed of a polymerisable naphthalimide-based oxyanion probe(2013-04-09) Wagner, Ricarda; Sellergren, Börje; Lippert, BernhardThe presented work is part of a DFG project. The goal of the project was the design, synthesis and evaluation of molecularly imprinted polymers (MIPs) with optical sensing properties, aimed at the selective detection of anionic guest-molecules. The projects combines the rapidly growing field of anion-detection with molecular imprinting. Upon integration of tailor-made monomers with fluorogenic properties into MIPs, selective materials with the dual ability to bind a specific anionic analyte and simultaneously report the binding by a luminescence change were developed. In order to meet this goal in a first step urea-based monomers containing a chromophoric π-system were designed and synthesised. Their affinity towards anionic guestmolecules and thus their applicability for the integration into MIPs was investigated. Furthermore, it was evaluated, if the binding event is transduced into a spectroscopically detectable signal. Based on the monomers showing the desired properties, MIPs in different formats were developed and investigated. Monolithic bulk polymers were prepared in order to evaluate the separation properties of the polymers. For applications with the focus on sensory characteristics thin-film MIPs on glass-supports were synthesised. The materials prepared for the presented work meet the goal of the project in an outstanding way. Upon chromatographic evaluation, MIPs prepared from the novel monomers showed pronounced discrimination between their template and structurally related analytes. Furthermore, the polymers were able to discriminate enantioselectively. Also the polymers in film-format revealed strong enantioselective discrimination and selectivity towards structurally related analytes. The binding of the template induces pronounced fluorescence quenching. This quenching is not, respectively less pronounced observed for the other enantiomer and other analytes. In summary MIPs based on tailor-made monomers with fluorogenic properties were successfully prepared. These polymers detect their respective template selectively, leading to high imprinting factors in chromatographic evaluations and strong luminescence changes in spectroscopical tests.Item Functional porous polymer beads nanostructured by imprinting, layer by layer grafting and templated synthesis(2013-02-12) Halhalli, Mahadeo R.; Sellergren, Börje; Tiller, JörgDie vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung neuer Methoden zur Herstellung molekular geprägter Polymermaterialien mit verbesserten Eigenschaften für analytischen und präparative Anwendungen. Die Arbeit ist in zwei Teile gegliedert. Der erste Teil der Arbeit beschreibt den Einfluß von Chain-transfer agents auf die Performanz von geprägten Polymeren, die mit Hilfe der Bulk-Polymerization hergestellt wurden. Die Reversible Additions-Fragmentierungs-Kettenübertragungspolymerization (RAFT), kontrolliert durch a-cyanobenzyldithiobenzoate wurde eingesetzt in der Synthese eines konventionellen MIPs für L-Phenylalanin Anilid bestehend aus Polymethacrylsäure-coethylenglycol-dimethacrylat. Anhand dieses Systems wurden die grundlegenden Synthesebedingungen einschließlich des Verhältnisses von RAFT/ABDV und des Pre-Polymerizationskomplexes mit Hilfe von dynamischer Differenzkalorimetrie studiert. Das Polymer wurde mit FTIR, Elementaranalyse und Rasterelektronenmikroskopie analysiert. Die Porengröße in geschwollenem Zustand wurde im Vergleich zum trockenen Zustand gemessen mit Hilfe von inverser Größenexklusionschromatographie (ISEC), Thermoporosität und Stickstoffadsorption. Die RAFT Polymere zeigten ein größeres Schwellverhältnis als die Nicht-RAFT Polymere. Die kann auf ihrer kleineren Porengröße und ihrer engeren Größenverteilung basieren. Diese Beobachtung wurde begleitet von einer erhöhten Thermostabilität bis zu 100°C. Die RAFT Polymere wurden im Hinblick auf ihre Fähigkeit getestet, ein Racemat des Templates in einer HPLC Analyse aufzutrennen. Als optimaler Gehalt an RAFT Agent während der Polymerization wurden 1,56 w % ermittelt. Dieser Gehalt resultierte in wesentlich stärkerer Selektivität, Säuleneffizienz und Auflösung, begleitet von einer wesentlich höheren Probenbeladungskapazität. Gleichgewichtsbindungsexperimente zeigten eine 30 % höhere Bindungskapazität der RAFT MIPs im Vergleich zu konventionell hergestellten MIPs. Der zweite Teil der Arbeit beschreibt einen neuen Ansatz im Hinblick auf die klassischen Schwachpunkte molekular geprägter Polymere (MIPs). Hier wären z.B. zu nennen die geringe Bindungskapazität und inhomogene Bindungsstellen, geringe Effizienz und Nutzbarkeit in chromatographischen Anwendungen. Darüber hinaus werden die Vorteile der lebenden Polymerization beschrieben. Dünnwandige Beads wurden in einer Zweistufen-Synthese hergestellt. Im ersten Schritt wurden dünne MIP Filme unter kontrollierten (RAFT) und nichtkontrollierten Bedingungen von porösen Silica-Partikeln gebildet. Die entstehenden Komposite wurden im Hinblick auf Filmdicke, Homogenität der entstehenden Schichten, dem Effekt verschiedener Trägermaterialien und ihre Performanz in chromatographischen Experimenten bezüglich Effizienz und Enantioselektivität untersucht. Die Filmdicke wurde stöchiometrisch kontrolliert. Auf L-Phenylalanin Anilid (L-PA) geprägte poly (MAA-co-EDMA) Silica-Komposite wurden unter Verwendung von Azo- oder RAFT modifizierten Trägermaterialien hergestellt. Alle materialien wurden mit Hilfe von Mikroanalyse, FT-IR, Stickstoffsorption, Fluoreszenzmikroskopie, TGA, SEM und EDX charakterisiert. Die Schichtdicke der entstehenden Polymere wurde mit Hilfe von zwei unabhängigen experimentellen Methoden ermittelt und die Materialien wurden in HPLC Experimenten verwendet. Die Azokomposite zeigten eine starke Enantioselektivität, die stark von der Filmdicke, der Monomerverdünnung, dem RAFT/Initiatorverhältnis und der Grafting-Methode abhing. Bei Kompositen, die durch vollständige Polymerization unter verdünnten Bedingungen hergestellt wurden zeigten hohe RAFT/Initiator Verhältnisse stark verbessertes chromatographisches Verhalten im Hinblick auf Retentionszeit und Enantioselektivität. Im zweiten Schritt wurde das Silica-Trägermaterial mit Hilfe von Etching aus den Kompositmaterialien entfernt. Hierbei entstanden dünnwändige Partikel mit nanometer-Stärke, deren Struktur, Morphologie und Erkennungseigenschaften stark von der Herstellungsmethode (RAFT oder nicht RAFT) und der Filmdicke des Originalpartikels abhing. Es wurde beobachtet, daß die Materialen mit dickeren Wänden ihre mesopore Morphologie erhalten. Sie zeigten verbesserte Enantioselektivität, Beladungskapazität und größere Oberflächen im Vergleich zu ihren Komposit-Vorstufen. Die dünneren Beads zeigten eine geringere Oberfläche. Dies deutet auf einen Zusammenbruch des Netzwerkes hin. Die dünnwandigen Beads, die in Abwesenheit des RAFT agents hergestellt wurden zeigten eine perfekt uniforme Bindungsstellenverteilung und eine Sättigungskapazität größer als für ein konventionelles monolithisches MIP. Die Partikel die RAFT-kontrolliert hergestellt wurden zeigten eine abermals erhöhte Sättigungskapazität, die signifikant höher war als die des Referenzmaterials. Durch den verringerten hydrophoben Charakter der dünnwändigen Materialien wurde die Existenz zweier separater Porensysteme mit unterschiedlicher Benetzbarkeit indiziert. Dieser Ansatz wurde weiterhin verifiziert in dem Versuch, den Schichtaufbau gegrafteter MIPs zu demonstrieren. Die erste Schicht wurde mit einem poly (MAA-co-EDMA) dünnen Film mit einer durchschnittlichen Dicke von 5 nm in Anwesenheit von L-PA als Templatmolekül hergestellt. Die enstehenden Komposite banden in chromatographischen Tests vorzugsweise das L-Enantiomer. Nachfolgend wurde ein auf D-PA geprägter Film (d=5nm) auf den ersten Film aufgetragen. Die stationäre Phase zeigte nun D-Selektivität und somit eine Änderung in der chiralen Präferenz. Um die D-selektiven Bindungsstellen zu blockieren wurde eine nicht-geprägte Schicht auf die obere Sicht aufgetragen. Das entstehende Kompositmaterial zeigte nun keine chirale Diskriminierung. Das Schichtsystem der Komposite wurde bewiesen durch die Entfernung des zugrundeliegenden Silica-Trägermaterials. Das erhaltene Kompositmaterial band vorzugsweise das L-Enantiomer, da die zuvor bedeckten L-selektiven Bindungsstellen freigelegt wurden.Item Molecularly imprinted polymers and reactive scavengers in pharmaceutical clean up(2013-01-23) Keçili, Rüstem; Sellergren, Börje; Weberstich, RalfGenotoxische Verbindungen sind Verunreinigungen, die in geringen Konzentrationen in pharmazeutischen Produkten vorhanden sein können. Eine breite Palette von Verbindungen ist identifiziert worden, welche die Produktsicherheit bedrohen können. Die Entfernung von bedenklichen, genotoxischen Reststoffen in pharmazeutischen Wirkstoffen ist in der pharmazeutischen Industrie gegebenermassen von hohem Interesse und ist ein wichtiger Schwerpunkt auf der Tagesordnung der zuständigen Behörden und den Produzenten aus der pharmazeutischen Industrie. Es ist deswegen wichtig, sowohl die Bildung dieser Stoffe zu verhindern, als auch die Entfernung, wie in dieser Arbeit beschrieben wird, zu bewerkstelligen. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung, Identifizierung und Untersuchung von Adsorptionsmaterialien beschrieben, die für die praktische Entfernung von genotoxischen erunreinigungen (GTIs) aus pharmazeutischen Wirkstoffen (APIs) mit Hilfe von molekular geprägten Polymeren (MIPs) und reaktiven Harzen verwendet werden können. In dieser Arbeit werden drei genotoxische Verbindungen behandelt, nämlich Methyl-p-Toluolsulfonat, Acrolein und eine Gruppe von Aminopyridinen. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Entfernung von Methyl-p- Toluolsulfonat von Model-APIs. Um geeignete Adsorbentien zu ermitteln, wurden zuerst Screening Experimente mit MIP Bibliotheken durchgeführt. Dann wurden neuartige MIPs designed, synthetisiert und ausgewertet und als letztes wurden reaktive Scavengers untersucht. Aus dem Screening hat sich zwar kein Harz-Kandidat ergeben, der eine hohe Bindung aufweist, jedoch wurde ein Harz identifiziert, welches eine hohe Selektivität für das GTI gegenüber dem API aufweist. In der chromatographischen Anwendung konnte dieses Harz das GTI erfolgreich vom API trennen. In diesem Teil der Arbeit wurden auch neue MIPs synthetisiert, charakterisiert und untersucht, wie effektiv diese neuartigen MIPs das GTI vom API entfernen können. Als letzte Methode wurden im diesem Teil der Arbeit reaktive Harze, basierend auf Polystyrol und Silika, auf ihre Leistungsfähigkeit bezüglich der selektiven Separation von Methyl-p-Toluolsulfonat gegenüber dem Modelwirkstoff API 21-Chlorodiflorason in organischen Lösungsmitteln untersucht. Hier erwies sich die Anwendung von reaktiven Harzen für die Aufreinigung als sehr wirksam und es konnte gezeigt werden, dass das genotoxische Methyl-p-Toluolsulfonat erfolgreich vom API entfernt werden konnte. Im zweiten Teil der Arbeit wurde Acrolein als Zielmolekül untersucht. Hier wurden geprägte Polymere synthetisiert, charakterisiert und deren Bindungseigenschaften bezüglich Acrolein untersucht. Darüber hinaus wurden reaktive Harze, basierend auf Polystyrol und Silika, auf ihre Leistungsfähigkeit bezüglich der selektiven Separation von Acrolein vom Modelwirkstoff Iodixanol untersucht. Hier erwies sich die Anwendung von reaktiven Aldehyd-Harzen für die Aufreinigung als sehr wirksam. Im dritten Teil der Arbeit wurde eine Gruppe von Aminopyridenen untersucht. Auch hier wurden Screening-Experimente mit MIP Bibliotheken durchgeführt, um selektive Harze für die Bindung von genotoxischen Aminopyridinen zu ermitteln. Es wurde ein leistungsstarkes, geprägtes Material identifiziert, welches Aminopyridine gut von den pharmazeutischen Wirkstoffen Piroxicam und Tenoxicam unterscheiden kann. Des Weiteren zeigte das selektive MIP auch deutliche Prägungseigenschaften. In dieser Arbeit wurden reaktive Harze, welche Methyl-p-Toluolsulfonat und Acrolein selektiv entfernen können und auch ein MIP, welches Aminopyridine selektiv bindet, identifiziert. Diese sind vielversprechende Materialen, die in industriellen Aufreinigungsprozessen für pharmazeutische Wirkstoffe praktische Anwendung finden können.Item Endophytic fungi harbored in Camptotheca acuminata, Hypericum perforatum and Juniperus communis plants as promising sources of camptothecin, hypericin and deoxypodophyllotoxin(2010-10-27) Kusari, Souvik; Spiteller, Michael; Kayser, OliverEndophytic microorganisms are a diverse group of microbes that colonize living, internal tissues of plants without causing any immediate, overt negative effects within the hosts. A number of novel endophytic microorganisms are capable of producing host plant-specific secondary metabolites with therapeutic potential. The main objective of this study was isolation, identification, biological and biochemical characterization of endophytic fungi capable of indigenously producing camptothecin (CPT), hypericin and deoxypodophyllotoxin, harbored in Camptotheca acuminata, Hypericum perforatum and Juniperus communis plants, respectively. Secondary metabolites were identified and quantified by highly selective and sensitive LC-ESI-MS/MS and LC-ESI-HRMSn. C. acuminata plants were sampled from different botanical gardens and tissue culture laboratories across Germany as well as from China. The aerial parts were extracted and analyzed for CPT, 9-methoxycamptothecin and 10-hydroxycamptothecin. Chemometric evaluation revealed CPT to be positively correlated with both the metabolites. Endophytic fungi were isolated and characterized from all plants, only one of which was capable of producing CPT, 9-methoxycamptothecin and 10-hydroxycamptothecin in rich mycological media under axenic submerged shake-flask fermentation. The fungus was identified as Fusarium solani by its morphology and authenticated by ITS-5.8S rDNA analysis. CPT along with both the metabolites were additionally identified by 1H NMR spectroscopy, and confirmed by comparison with authentic standards. A substantial decrease in the production of CPT by the in vitro cultured endophyte over repeated subculturing was observed. The survival strategy of the endophyte against CPT toxicity was evaluated by identifying the typical amino acid residues Asn352, Glu356, Arg488, Gly503, and Gly717 (numbered according to human topoisomerase I) which prevent CPT binding to topoisomerase I, and the point mutation Met370Thr on the CPT-binding and catalytic domain of its topoisomerase I enzyme (encoded by Top1). A cross-species biosynthetic pathway was then deciphered where the fungal endophyte utilizes indigenous G10H (geraniol 10-hydroxylase), SLS (secologanin synthase), and TDC (tryptophan decarboxylase) to biosynthesize CPT precursors. However, to complete CPT biosynthesis, the endophyte requires the host STR (strictosidine synthase). The fungal CPT biosynthetic genes destabilize ex planta over successive subculture generations. The seventh subculture predicted proteins exhibited reduced homologies to the original enzymes proving that such genomic instability leads to dysfunction at the amino acid level. The endophyte with an impaired CPT biosynthetic capability was artificially inoculated into the living host plants and then recovered after colonization. CPT biosynthesis could still not be restored. This demonstrated that the observed phenomenon of genomic instability is irreversible. Several Hypericum species were sampled from the natural populations of Slovakia and India, extracted, and analyzed for eight pharmacologically important secondary compounds (hypericin, pseudohypericin, emodin, hyperforin, hyperoside, rutin, quercetin, and quercitrin). Chemometric evaluation not only revealed various strong positive and negative correlations among the different phytochemicals but also depicted H. montanum as an alternative source to H. perforatum. Although endophytic fungi were isolated and characterized from all plants, only one endophytic fungus was capable of indigenously producing hypericin and emodin under axenic submerged shake-flask fermentation. The fungus was identified as Thielavia subthermophila by its morphology and authenticated by 28S rDNA and ITS-5.8S rDNA analyses. The growth of the endophyte and production of hypericin remained independent of the illumination conditions and media spiking with emodin. Protohypericin could not be detected, irrespective of either spiking or illumination conditions. The hyp-1 gene, suggested to encode for the Hyp-1 phenolic coupling protein in plant cell cultures, was absent in the genome of the endophyte. Thus, it is proposed that emodin anthrone is the common precursor of both hypericin and emodin in the fungal endophyte, which is governed by a different molecular mechanism than the host plant or host cell suspension cultures. Like the CPT producing endophyte, this endophyte also showed a substantial decrease in the production of hypericin and emodin in vitro over repeated subculturing and on storage. Juniperus and Podophyllum species were collected from natural populations of India and Germany. Extraction and analyses were performed for four potential pro-drugs (podophyllotoxin, deoxypodophyllotoxin, demethylpodophyllotoxin, and podophyllotoxone). Chemometric evaluation revealed both infraspecific and infrageneric correlations among the different phytochemicals. Endophytic fungi were isolated and characterized from all plants. Only one endophytic fungus was capable of producing deoxypodophyllotoxin under axenic submerged shake-flask fermentation. The fungus was identified as Aspergillus fumigatus Fresenius by its morphology and 28S rDNA analysis. The growth and production kinetics showed the potential of the endophyte in the indigenous production of deoxypodophyllotoxin, but in vitro subculturing showed no production from the third subculture generation. The results reported in this thesis reveal the immense potential of novel endophytic fungi as a source of important bioactive pro-drugs. Emphasis is also laid on the difficulties ahead if endophytic fungi are to be exploited for industrial production of bioactive secondary metabolites.Item Untersuchungen zum Vorkommen von Arzneimittelwirkstoffen und deren Humanmetaboliten in der aquatischen Umwelt(2010-01-12T15:14:49Z) Stülten, Dele; Spiteller, Michael; Rehage, H.Item Switchable assembly of stable ordered molecular layers(2006-05-03T13:14:33Z) Deshmukh, Ravindra R.; Sellergren, B.; Winter, R.Item Water compatible molecularly imprinted polymers for the recognition of biologically active compounds in aqueous media(2005-11-22T13:39:02Z) Manesiotis, Panagiotis; Sellergren, Börje; Niemeyer, M.