dc.contributor.author
Grabarics, Marko
dc.date.accessioned
2022-04-28T14:15:47Z
dc.date.available
2022-04-28T14:15:47Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/34880
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-34599
dc.description.abstract
Glycans are among the fundamental building blocks of life on Earth, essential
to all known living organisms. They play key roles in a variety of biological
processes, and contribute significantly to the extraordinary molecular and
functional diversity of cells. As the importance of glycans has gradually
been recognized, earning them the well-deserved attention of the scientific
community, the lack of a high-throughput, de novo sequencing method has
become a major obstacle in glycosciences, preventing the field from reaching
its full potential. Although the invention of soft ionization methods gave
enormous impetus for mass spectrometry-based glycan analysis, conventional
fragmentation techniques often fail to distinguish isomeric carbohydrates or
provide unambiguous structural assignment.
With the prospect of overcoming these limitations, this thesis aims to expand
the mass spectrometry-based toolbox for glycan analysis and go beyond
simply weighing sugars. Through the combination of mass spectrometry with
orthogonal methods suitable to study ions transferred into the gas phase, we
try to reveal further information about the species underlying the peaks in
mass spectra. Coupling mass spectrometry to ion mobility spectrometry – a
technique that harnesses electric forces for separating ions in gaseous media –
results in a powerful method that provides information not only on the mass
and charge, but also on the size and shape of ions. Using the concept of
theoretical plates and plate heights, we develop a detailed analytical model
that describes three main aspects of ion mobility separations: zone broadening,
resolution, and peak capacity. The plate-height model for ion mobility
separations was conceived in analogy to existing models of chromatography.
As such, it enables the direct comparison of ion mobility spectrometry with
other zonal separation methods, and may help to integrate this technique
into the unified language of separation science. While our work is mainly
theoretical and focuses on the technique rather than on specific molecules,
the utility of the plate-height model to aid glycan analysis in everyday practice
is demonstrated through a systematic study on fluorescently labeled
oligosaccharides.
Santiago Ramón y Cajal warned young investigators against becoming
obsessed with theories and instruments to an unhealthy extent, forgetting
about nature in natural sciences. To avoid these pitfalls, the second part of
this thesis focuses on the most important element of glycomics: the sugars
themselves. In particular, we study the structure of glycosaminoglycans, a
well-recognizable class of complex carbohydrates with a linear sequence and
highly acidic character. As their biosynthesis is not entirely deterministic,
the structure of glycosaminoglycans also exhibits random features. Moreover,
sulfation of the disaccharide building blocks at various positions, together
with potential epimerization of certain residues, lead to a multitude of isomeric
sequences. To decipher this complexity, we studied mass-selected
glycosaminoglycan ions with infrared action spectroscopy in the cryogenic
environment of superfluid He droplets. The recorded infrared spectra revealed
details about the structure of deprotonated oligosaccharides that could not
have been attained by simple mass measurements, such as the localization
of charges or differences in intramolecular hydrogen bonding patterns. In
addition, diagnostic spectral features allowed for the unambiguous distinction
of glycosaminoglycan stereoisomers with minute structural differences.
Finally, the surprisingly strong structure–spectrum correlations observed
in the vibrational fingerprints of these ions have potential implications for
de novo sequence assignment, providing motivation for future spectroscopic
experiments on glycosaminoglycans.
en
dc.description.abstract
Glykane gehören zu den grundlegenden Bausteinen des Lebens. Sie sind
essentiell für eine Vielzahl von biologischen Prozessen und tragen wesentlich
zu der außergewöhnlichen molekularen und funktionellen Vielfalt von Zellen
bei. Im Laufe der vergangenen Jahrzehnte erhielten Glykane wachsende
Aufmerksamkeit vonseiten der wissenschaftlichen Gemeinschaft, nachdem
ihre Bedeutung zunehmend anerkannt wurde. Das Fehlen einer universellen
Hochdurchsatz-Sequenzierungsmethode stellt jedoch ein großes Hindernis in
der Kohlenhydratforschung dar und verhindert, dass die Glykowissenschaften
ihr volles Potenzial entfalten können. Obwohl die Erfindung von “sanften”
Ionisationsmethoden der massenspektrometrischen Glykananalyse großen
Auftrieb gegeben hat, ermöglichen traditionelle Fragmentierungstechniken oft
keine Unterscheidung oder eindeutige Strukturzuordnung von Kohlenhydratisomeren.
Mit der Aussicht, diese Einschränkungen zu überwinden, verfolgt diese
Arbeit das Ziel, die massenspektrometriebasierte Glykananalyse zu erweitern
und über das einfache Wiegen von Zuckern hinauszugehen. Durch die Kombination von Massenspektrometrie mit orthogonalen Methoden versuchen
wir zusätzliche Informationen über die Analyten zu erhalten, die sich hinter
den Peaks im Massenspektrum verbergen. Die Kopplung von Massenspektrometrie mit Ionenmobilitätsspektrometrie – eine Technik, die elektrische Kräfte zur Trennung von Ionen in inerten Gasen nutzt – führt zu einer leistungsstarken Methode, die nicht nur Informationen über Masse und Ladung,
sondern auch über die Größe und Form der Ionen liefert. Durch Verwendung
des Konzepts von Trennstufenzahlen und Trennstufenhöhen entwickeln wir
hier ein detailliertes analytisches Modell, um drei Hauptaspekte der Ionenmobilitätstrennungen zu beschreiben: Zonenverbreiterung, Auflösung und
Peakkapazität. Dieses Modell für Ionenmobilitätstrennungen wurde in Analogie
zu den bestehenden Modellen der Chromatographie konzipiert. Daher
ermöglicht es den direkten Vergleich der Ionenmobilitätsspektrometrie mit
anderen zonalen Trennmethoden und könnte die Integration von Ionenmobilitätsspektrometrie in das einheitliche System der Trennwissenschaft fördern. Dieser theoretische Teil der Arbeit konzentriert sich auf technische Aspekte, während der praktische Nutzen des Modells durch eine systematische Studie über fluoreszenzmarkierte Glykane demonstriert wird.
Santiago Ramón y Cajal warnte junge Forschende davor, in einem ungesunden
Ausmaß von Theorien und Instrumenten besessen zu sein und dabei
die Natur in den Naturwissenschaften zu vergessen. Um diese Fallstricke zu
vermeiden, fokussiert sich der zweite Teil dieser Arbeit auf das wichtigste
Element der Kohlenhydratforschung: die Zucker selbst. Vor allem untersuchen
wir die Struktur von Glykosaminoglykanen, einer einzigartigen Klasse
komplexer Kohlenhydrate mit linearer Sequenz und stark saurem Charakter.
Da ihre Biosynthese nicht völlig deterministisch ist, weist die Struktur der
Glykosaminoglykane stochastische Merkmale auf. Darüber hinaus führt die
Sulfatierung der Disaccharid-Bausteine und die mögliche Epimerisierung bestimmter Reste zu einer Vielzahl isomerer Sequenzen. Um diese Komplexität zu
entschlüsseln, haben wir massenselektierte Glykosaminoglykan Ionen mit Infrarotspektroskopie in der kryogenen Umgebung suprafluider Heliumtröpfchen
untersucht. Die Infrarotspektren enthüllten Details über die Struktur der deprotonierten Oligosaccharide, die durch bloße Massenspektrometrie verborgen
blieben. Solche Informationen sind zum Beispiel die Lokalisierung von Ladungen
oder Unterschiede in den intramolekularen Wasserstoffbrückenbindungen.
Die diagnostischen Spektralbanden ermöglichten auch die eindeutige Unterscheidung von Stereoisomeren mit minimalen strukturellen Unterschieden.
Schließlich könnten die büerraschend starken Struktur–Spektrum Korrelationen,
die in den spektroskopischen Fingerabdrücken dieser Ionen beobachtet
wurden, potentielle Auswirkungen auf die Sequenzierung von Glykosaminoglykanen haben und daher zukünftige spektroskopische Experimente an diesen Biomolekülen vorantreiben.
de
dc.format.extent
VI, 173 Seiten
dc.rights.uri
https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject
carbohydrates
en
dc.subject
mass spectrometry
en
dc.subject
ion mobility spectrometry
en
dc.subject
infrared spectroscopy
en
dc.subject.ddc
500 Natural sciences and mathematics::540 Chemistry and allied sciences::543 Analytical chemistry
dc.title
Glycan analysis using mass spectrometry-based techniques
dc.contributor.gender
male
dc.contributor.firstReferee
Pagel, Kevin
dc.contributor.furtherReferee
von Helden, Gert
dc.date.accepted
2022-04-08
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-refubium-34880-2
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
dcterms.accessRights.dnb
free
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open access
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