Dipl.-Chem. Christian Oliver Galle :

Alginat- und Alginat/Protein-Systeme als Modelle der EPS-Matrix von Biofilmen

NMR-Untersuchungen zur Wasserdiffusion

Dissertation angenommen durch: Universität Duisburg-Essen, Fachbereich Chemie, 2005-12-21

BetreuerIn: Prof. Dr. rer. nat. Wiebren S. Veeman , Universität Duisburg-Essen, Fachbereich Chemie, Physikalische Chemie

GutachterIn: Prof. Dr. rer. nat. Wiebren S. Veeman , Universität Duisburg-Essen, Fachbereich Chemie, Physikalische Chemie
GutachterIn: Prof. Dr. rer. nat. Christian Mayer , Universität Duisburg-Essen, Fachbereich Chemie, Physikalische Chemie

Schlüsselwörter in Deutsch: Wasser Biofilm EPS PFG-NMR Polysaccharid Protein Wasserrückhaltung
Schlüsselwörter in Englisch: water biofilm EPS PFG-NMR polysaccharide protein water retention

  
   
 Klassifikation     
    Sachgruppe der DNB: 540 Chemie
  
   
 Abstrakt     
   

Abstrakt in Deutsch

Biofilme, die bevorzugte Lebensform der meisten Mikroorganismen, sind durch eine Matrix extrazellulärer polymerer Substanzen (EPS) in der Lage, große Mengen Wasser zu binden. Diese Fähigkeit wird hauptsächlich der Bildung von Hydrogelen durch Polysaccharide zugeschrieben. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss des extrazellulären Polysaccharids Alginat auf die Mobilität von Wasser mit verschiedenen NMR-Methoden untersucht. PFG-NMR-Messungen zeigten, dass Lösungen von Algenalginat eine Wasserfraktion enthalten, die einen signifikant niedrigeren Diffusionskoeffizienten im Vergleich zum Bulk-Wasser aufweist. Dieses Verhalten konnte der gehinderten Diffusion von Wasser, das in Alginat/Protein-Aggregaten eingekapselt ist, zugeschrieben werden. Mit Hilfe eines mathematischen Modells konnte die mittlere Partikelgröße der Aggregate aus den PFG-Daten ermittelt werden. Diese steht in guter Übereinstimmung mit Partikelgrößenbestimmungen durch Laserdiffraktion. Bakterienalginat von Pseudomonas aeruginosa zeigte in Stimulated-Echo- und 2D-NOESY-Experimenten ausgeprägte Kreuzrelaxationseffekte zwischen seinen Acetylprotonen und Wasser. Daraus konnte gefolgert werden, dass ein Pool von Hydratationswasser an den Acetylgruppen existiert, der durch kurzzeitige Assoziation durch Wasserstoffbrückenbindungen eine Erhöhung der Verweilzeiten des Wassers am Polymer bewirkt. Diffusionsmessungen an getrockneten Algenalginatproben zeigten einen großen Einfluss der Alginat/Protein-Aggregate auf die Wasserbeweglichkeit. In Anwesenheit der Cluster konnte in festem Alginat mit einem Wassergehalt von unter 50% eine Wasserfraktion mit hoher Mobilität detektiert werden, die auf den Einschluss in Poren zurückzuführen ist. Bei identischem Wassergehalt und Abwesenheit der Aggregate wurde eine drastisch eingeschränkte Wassermobilität festgestellt, was auf der Assoziation des Wassers an die Polymermatrix beruht. Die Aggregierung von Alginat mit Lektinen konnte nachgewiesen werden. Die Aggregate sind in der Lage, Wasser einzuschließen, wobei das eingekapselte Wasser ein nahezu identisches Diffusionsverhalten zeigt, wie in den o.g. Alginat/Protein-Clustern. Im Falle des Systems ConA/Alginat beruht die Aggregierung auf ionischen Wechselwirkungen zwischen Carboxylatgruppen des Polysaccharids und positiven Aminosäureresten des Lektins. Die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse führen zu der Schlussfolgerung, dass die Bindung von Sacchariden an Proteine einen entscheidenden Einfluss auf das Wasserrückhaltevermögen von biologischen Systemen ausüben kann.

Abstrakt in Englisch

Biofilms, the predominant life-form of most microorganisms, can bind large amounts of water by forming a matrix of Extracellular Polymeric Substances (EPS). This water binding ability is mainly attributed to the formation of polysaccharide hydrogels. In this study the influence of the extracellular polysaccharide alginate on the water mobility was investigated by different NMR methods. By PFG-NMR it was shown, that aqueous solutions of algal alginate contain a fraction of water with a significantly lower diffusion coefficient compared to the bulk water. This behaviour could be led back to the hindered diffusion of water encapsulated in alginate/protein aggregates. A mathematical model allowed the determination of the aggregate sizes from the NMR data, which were in good agreement with the results of laser diffraction experiments. On bacterial alginate of Pseudomonas aeruginosa strong cross relaxation effects between water and acetyl protons were observed by stimulated echo and 2D-NOESY experiments. A pool of hydration water associated with the acetyl groups by hydrogen bonds could be assumed by these results. Dried samples of algal alginate showed a strong impact of alginate/protein clusters on the water mobility. These clusters provided entrapped water with high mobility. Aggregation of alginate with lectines could be proved. These aggregates encapsulate water, which shows the same diffusional behaviour as the water in the above mentioned natural clusters. This aggregation is based on ionic interactions between the alginate´s carboxylate groups and the lectine´s positive amino acid residues. The results of this thesis led to the conclusion, that the binding between saccharides and proteins can have an important impact on the water retention ability of biological systems.