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Titelaufnahme

Titel
Ortsaufgelöster massenspektrometrischer Nachweis und Strukturaufklärung biologischer Metaboliten in Pflanzen und Pilzen / vorgelegt von Mag. rer. nat. Stefan Vergeiner
Weitere Titel
Mass spectrometry imaging and structure elucidation of metabolites in plants and fungi
VerfasserVergeiner, Stefan
Begutachter / BegutachterinMüller, Thomas ; Hörtensteiner, Stefan
GutachterKräutler, Bernhard ; Müller, Thomas
ErschienenInnsbruck, Januar 2016
Umfang154 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Dissertation, 2016
Anmerkung
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfassers
Zusammenfassung in englischer Sprache
Kumulative Dissertation aus Fünf Artikeln
Datum der AbgabeJanuar 2016
SpracheDeutsch ; Englisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)ortsaufgelöste Massenspektrometrie / Strukturaufklärung / Chlorophyllkataboliten
Schlagwörter (EN)MALDI imaging / structure elucidation / chlorophyll catabolites
Schlagwörter (GND)Organische Verbindungen / Naturstoffchemie / Massenspektrometrie / MALDI-MS
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-3992 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist frei verfügbar
Dateien
Ortsaufgelöster massenspektrometrischer Nachweis und Strukturaufklärung biologischer Metaboliten in Pflanzen und Pilzen [12.38 mb]
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Nachweis
Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Entwicklung und Optimierung von massenspektrometrischen Verfahren zur zweidimensionalen Darstellung von organischen Naturstoffen und der Strukturaufklärung unbekannter biologischer Kataboliten mittels Massenspektrometrie. Die Methoden wurden an zwei Systemen mit unterschiedlichen Anforderungen erprobt.

Im ersten Teil dieser Arbeit wurde ein neues MALDI-Matrix Beschichtungsverfahren für stark wasserhaltige Proben entwickelt. Dieses basierte auf der Anwendung einer Suspensionssprühmethode in Kombination mit einer optimierten Probenpräparation. Die dadurch erzielte Verbesserung der Matrixbedeckung führte zu einer relativen Signalverstärkung in MALDI-MSI Ionenbilder von mindestens 300 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Beschichtungsverfahren. Gleichzeitig konnte das Auftreten probenschädigender Prozessen („sample flaking“) deutlich minimiert werden. Das Problem der vergleichsweise hohen Nachweisgrenze sowie des geringen lateralen Auflösungsvermögens bei herkömmlichen mikrobiellen MALDI-MSI Verfahren [33] konnte somit erfolgreich gelöst werden. Das Verfahren erlaubte die sensitive Detektion des Siderophors desferri-Triacetylfusarinin (dfTAFC) in Agarosegel-Proben aus Schimmelpilzkulturen (Aspergillus fumigatus) mit hohem lateralen Auflösungsvermögen.

Der zweite Teil dieser Arbeit befasste sich mit dem ortsaufgelösten, massenspektrometrischen Nachweis (MALDI-TOF-MSI, Abdruckverfahren) sowie der Strukturaufklärung von Chlorophyllabbaustoffen in pflanzlichen Proben am Beispiel des heimischen Adlerfarns (Pteridium aquilinum). Es ist gelungen, drei bisher unbekannte, nichtfluoreszierende Chlorophyllabbauprodukte aus dem Adlerfarn (Pteridium aquilinum) zu isolieren (Pa-NCC-1 bis Pa-NCC-3). Alle Kataboliten zeigten ein von bisher beschriebenen NCCs (z. B. Cj-NCC-1) abweichendes Verhalten in spektroskopischen sowie spektrometrischen Experimenten. Die Kombination der erhaltenen Daten ermöglichte die Erstellung vorläufiger Strukturvorschläge aus 2D-NMR, Msn, UV/Vis- und CD-Experimenten.

Die Untersuchungen ergaben, dass alle Kataboliten (mindestens) zwei bisher nicht beobachtete Struktureigenschaften besitzen:

(i) an Position C82 ist die in anderen NCCs beschriebene Methylester-Funktionalität durch ein Wasserstoffatom ersetzt

(ii) (Poly-)hydroxylierungen(en) an den Kohlenstoffatomen im Ringsystem B/E und C (mono-Hydroxylierung an Position C6 im Fall von Pa-NCC-1 und Pa-NCC-3; dreifach-Hydroxylierung an undefinierten Positionen im Fall von Pa-NCC-2 (IG)

Die experimentellen Befunde (UV/Vis, CD) für die vorgeschlagenen Strukturen von Pa-NCC-1 und Pa-NCC-3 stehen im Einklang mit Resultaten aus DFT-basierten Simulationen. Darüber hinaus zeigten HPLC-ESI-MSn Experimente neuartige Fragmentierungsmuster für alle Pa-NCCs (collision induced dissociation, CID), welche vom Fragmentierungsmuster bekannter, (linearer) tetrapyrrolischer Chlorophyllkataboliten abweichen.

Zusammenfassung (Englisch)

main objective of this work was the development and optimization of mass spectrometry based methodology for spatially resolved detection and structure elucidation of catabolites in plants and fungi.

In the first part of this work the problem of MALDI-matrix application onto samples with high water content is addressed. Therefore a novel coating technique based on a matrix suspension-spray was developed. In combination with an improved sample-preparation process a drastic improvement concerning sensitivity and lateral resolution in MALDI-MSI images could be accomplished. Common sample degradation processes (sample flaking) were thereby minimized and the sensitive and reliable detection of the siderophore desferri-tricacetylfusarinine (dfTAFC) in agar-grown samples of Aspergillus fumigatus was shown.

In the second part of this work 2D resolved mass-spectrometry (MALDI-MSI) was utilized to identify chlorophyll catabolites in fern (Pteridium aquilinum). HPLC-MSn investigations of plant extracts were performed and three novel nonfluorescent chlorophyll catabolites (NCCs) were found (Pa-NCC-1, Pa-NCC-2 (IG), Pa-NCC-3). It was possible to elucidate chemical structures for Pa-NCC-1 and Pa-NCC-3 by implementing data from 2D-NMR, MSn and UV/Vis- and CD-experiments. The results indicated two novel structural features:

(i) at position C82 the methylester-functionality is substituted by a proton

(ii) (Poly-)hydroxylation(s) at carbon atom(s) in ring B/E and ring C (mono-hydroxylation at C6 in case of Pa-NCC-1/Pa-NCC-3; triple-hydroxylation at undefined positions in case of Pa-NCC-2 (IG))

The experimental findings (UV/Vis, CD) for the proposed structural features of Pa-NCC-1 and Pa-NCC-3 were in accordance with results from DFT-based simulations. Furthermore, some HPLC-ESI-MSn experiments revealed novel fragmentation patterns for collision induced dissociation of Pa-NCCs compared to that of known linear tetrapyrrolic chlorophyll catabolites [47].