dc.contributor.author
Hofmann, Johanna
dc.date.accessioned
2018-06-07T21:21:31Z
dc.date.available
2017-10-11T12:09:54.594Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/7783
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-11982
dc.description.abstract
Carbohydrates, also referred to as glycans or oligosaccharides, are
biomolecules that play an important role in all living organisms. They are,
for example, involved in cell-cell recognition, protein folding or the
development of cancer. Oligosaccharides consist of monosaccharide building
blocks, which are often isomers that only differ in the stereochemistry at
individual carbons. Additionally, they contain several hydroxyl groups that
can be connected to other monosaccharides via the formation of a glycosidic
bond. This often results in branched structures with a complex regio- and
stereochemistry. The high structural diversity of glycans provides an enormous
challenge for almost all areas of the glycosciences. A promising technique for
the structural investigation of carbohydrates is ion mobility-mass
spectrometry (IM-MS). IM-MS measures the mass-to-charge ratio (m/z) of ions as
well as the time they need to traverse a cell, filled with inert gas, under
the influence of a weak electric field. Ions are separated according to their
mass, charge, size, and shape, which enables the differentiation of isomers.
In addition, an obtained drift time can be converted into a collision cross
section (CCS), which is a molecular property that can be universally compared.
In this thesis, the potential of IM-MS for the structural analysis of glycans
was investigated. First, a variety of N-glycans and the polysaccharide dextran
were examined and the absolute CCSs of their intact ions and fragments
reported. Subsequently, these reference values were used to establish a CCS
calibration procedure for commercial traveling wave IM-MS instruments. In
addition, the influence of the utilized drift gas and the ion’s charge on the
quality of a calibration were investigated. To assess the capability of IM-MS,
a systematic study was performed using a set of six synthetic carbohydrates
that represent all possible types of isomerism. It was shown that regio- and
stereoisomers can be identified and separated when analyzed as deprotonated
ions. Furthermore, the relative concentration of an isomer in a mixture was
determined. With the increasing size of glycans it becomes exceedingly more
difficult to identify small structural differences. In this thesis, it was
shown that fragments, which contain two to five monosaccharides, are often
more informative than their precursor ions. This can be exploited to identify
common glycan motifs within larger glycans, based on characteristic fragments
with unique CCSs. It was, for example, shown that blood group epitopes can
function as such marker fragments. In addition, N-acetylneuraminic acids,
linked either via an α2→3 or α2→6 glycosidic bond to larger glycans, were
identified using characteristic fragments. The application of this approach is
independent of the type of precursor and was successfully applied to
N-glycans, milk sugars and glycopeptides. Overall, IM-MS can be used to
generate dual sets of m/z and CCS information, which form unique signatures
that enable a fast and accurate identification of glycans. The data are
ideally suited to be implemented into databases and provide the basis for the
future development of automated, high-throughput glycan analysis.
de
dc.description.abstract
Kohlenhydrate, oft auch als Glykane oder Oligosaccharide bezeichnet, sind
Biomoleküle, die praktisch in allen lebenden Organismen eine wichtige Rolle
spielen. Sie sind unter anderem beteiligt an der Zellerkennung, der
Proteinfaltung oder der Entstehung von Krebs. Oligosaccharide bestehen aus
Monosaccharid-Bausteinen, welche häufig Isomere sind und sich oft nur in der
Konfiguration einzelner Kohlenstoffatome unterscheiden. Sie besitzen zudem
mehrere Hydroxylgruppen, an denen glykosidische Bindungen zu weiteren
Monosacchariden entstehen können. Dies kann zur Bildung von linearen sowie
verzweigte Strukturen führen, welche eine komplexe Regio- und Stereochemie
besitzen. Die dadurch entstehende immense strukturelle Vielfalt stellt eine
große Herausforderung für fast alle Zweige der Glykowissenschaften dar. Eine
vielversprechende Methode zur Strukturanalyse von Glykanen ist die
Ionenmobilitäts-Massenspektrometrie (IM-MS). Mit dieser wird sowohl das Masse-
zu-Ladungs-Verhältnis (m/z) eines Ions gemessen als auch die Zeit, welche es
benötigt, unter dem Einfluss eines schwachen elektrischen Feldes eine mit
Inertgas gefüllte Zelle zu durchqueren. Dabei erfolgt eine Trennung der Ionen
anhand ihrer Masse, Ladung, Größe und Form, welche auch die Unterscheidung von
Isomeren ermöglicht. Zusätzlich kann aus einer gemessenen Driftzeit der
Kollisionsquerschnitt (CCS) eines Ions berechnet werden, welcher eine
Moleküleigenschaft darstellt, die universell vergleichbar ist. In dieser
Arbeit wurde das Potenzial der Ionenmobilitäts-Massenspektrometrie für die
Strukturaufklärung von Kohlenhydraten untersucht. Zunächst wurden eine Reihe
von N-Glykanen sowie das Polysaccharid Dextran analysiert und die CCSs ihrer
intakten Ionen und Fragmente gemessen. Diese Referenzwerte konnten im
Anschluss verwendet werden, um eine CCS Kalibrationsmethode für kommerziell
erhältliche traveling wave IM-MS Instrumente zu entwickeln. Zusätzlich wurde
der Einfluss des Driftgases sowie der Ladung der Ionen auf die Qualität der
Kalibration betrachtet. Um das Leistungsvermögen von IM-MS zu untersuchen,
wurde eine systematische Studie anhand von sechs synthetischen
Oligosacchariden durchgeführt, welche alle möglichen Arten der Isomerie
repräsentierten. Es zeigte sich, dass Regio- oder Stereoisomere als
deprotonierte Ionen eindeutig identifiziert und getrennt werden können.
Außerdem ist die Bestimmung der relativen Konzentration eines Isomers
innerhalb einer Mischung möglich. Mit zunehmender Größe der Kohlenhydrate wird
es jedoch schwieriger, kleine Strukturunterschiede zu identifizieren. In
dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Fragmente, welche zwei bis fünf
Monosaccharide enthalten, häufig informativer sind als ihre Vorläuferionen.
Dies konnte genutzt werden, um weit verbreitete Glykanmotive innerhalb von
größeren Kohlenhydraten anhand von speziellen Fragmenten mit
charakteristischen CCSs zu identifizieren. So konnte beispielsweise gezeigt
werden, dass Blutgruppenepitope ideale Marker-Fragmente darstellen. Außerdem
wurden N-Acetylneuraminsäuren, welche entweder über eine α2→3 oder α2→6
glykosidische Bindung an Glykane gebunden sind, mit diesem Ansatz
identifiziert. Die beschriebene Methode lässt sich unabhängig von der Art der
zu analysierenden Probe verwenden und eine Anwendung bei N-Glykanen, Milch-
Oligosacchariden sowie Glykoproteinen wurde hier gezeigt. Die Analyse mittels
IM-MS ermöglicht es somit, einen dualen Datensatz aus m/z und CCS
Informationen zu erstellen, welcher für jedes Molekül eine einzigartige
Signatur ergibt. Dies ermöglicht eine schnelle und verlässliche
Identifizierung von Glykanen. Die Daten sind zudem ideal geeignet, um in
Datenbanken implementiert zu werden, und sie bilden somit die Grundlage für
die zukünftige Entwicklung automatisierter Hochdurchsatz-Analysen.
de
dc.format.extent
XIV, 119 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
mass spectrometry
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie::543 Analytische Chemie
dc.title
Ion Mobility-Mass Spectrometry of Complex Carbohydrates
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Kevin Pagel
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Christoph Schalley
dc.date.accepted
2017-09-26
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000105641-1
dc.title.translated
Ionenmobilitäts-Massenspektrometrie von komplexen Kohlenhydraten
de
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000105641
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000022485
dcterms.accessRights.dnb
free
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open access