@phdthesis{Tang2021,
  author    = {Tang, Ruijing},
  title     = {Optogenetic Methods to Regulate Water Transport and Purify Proteins},
  doi       = {10.25972/OPUS-23173},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-231736},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {Water transport through the water channels, aquaporins (AQPs), is involved in epithelial fluid secretion and absorption, cell migration, brain edema, adipocyte metabolism, and other physiological or pathological functions. Modulation of AQP function has therapeutic potential in edema, cancer, obesity, brain injury, glaucoma, etc. The function of AQPs is in response to the osmotic gradient that is formed by the concentration differences of ions or small molecules. In terms of brain edema, it is a pathophysiological condition, resulting from dysfunction of the plasma membrane that causes a disorder of intracellular ion homeostasis and thus increases intracellular fluid content. Optogenetics can be used to regulate ion transport easily by light with temporal and spatial precision. Therefore, if we control the cell ion influx, boosting the water transport through AQPs, this will help to investigate the pathological mechanisms in e.g. brain edema. To this end, I investigated the possibility for optogenetic manipulating water transport in Xenopus oocytes. The main ions in Xenopus oocyte cytoplasm are ~10 mM Na+, ~50 mM Cl- and ~100 mM K+, similar to the mammalian cell physiological condition. Three light-gated channels, ChR2-XXM 2.0 (light-gated cation channel), GtACR1 (light-gated anion channel) and SthK-bPAC (light-gated potassium channel), were used in my study to regulate ion transport by light and thus manipulate the osmotic gradient and water transport. To increase water flow, I also used coexpression of AQP1. When expressing ChR2-XXM 2.0 and GtACR1 together, mainly Na+ influx was triggered by ChR2-XXM2.0 under blue light illumination, which then made the membrane potential more positive and facilitated Cl- influx by GtACR1. Due to this inward movement of Na+ and Cl-, the osmotic gradient was formed to trigger water influx through AQP1. Large amounts of water uptake can speedily increase the oocyte volume until membrane rupture. Next, when co-expressing GtACR1 and SthK-bPAC, water efflux will be triggered with blue light because of the light-gated KCl efflux and then oocyte shrinking could be observed. I also developed an optogenetic protein purification method based on a light-induced protein interactive system. Currently, the most common protein purification method is based on affinity chromatography, which requires different chromatography columns and harsh conditions, such as acidic pH 4.5 - 6 and/or adding imidazole or high salt concentration, to elute and collect the purified proteins. The change in conditions could influence the activity of target proteins. So, an easy and flexible protein purification method based on the photo-induced protein interactive system iLID was designed, which regulates protein binding with light in mild conditions and does not require a change of solution composition. For expression in E. coli, the blue light-sensitive part of iLID, the LOV2 domain, was fused with a membrane anchor and expressed in the plasma membrane, and the other binding partner, SspB, was fused with the protein of interest (POI), expressed in the cytosol. The plasma membrane fraction and the soluble cytosolic fraction of E. coli can be easily separated by centrifugation. The SspB-POI can be then captured to the membrane fraction by light stimulation and released to clean buffer in the dark after washing. This method does not require any specific column and functions in mild conditions, which are very flexible at scale and will facilitate extensive protein engineering and purification of proteins, sensitive to changed buffer conditions.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Siefritz2002,
  author    = {Siefritz, Franka},
  title     = {Expression and Function of the Nicotiana tabacum Aquaporin NtAQP1},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-3053},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2002},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit zeigt die Korrelation zwischen r{\"a}umlichem und zeitlichem Expressionsmuster von dem Aquaporin NtAQP1 und seiner Funktion im Wasserhaushalt in planta. Immunologische in situ-Studien deuteten auf eine NtAQP1-Protein-Akkumulation in der Wurzelexodermis und -endodermis, im Cortex, in der N{\"a}he der Leitb{\"u}ndel, im Xylemparenchym und in Zellen der Atemh{\"o}hle hin. Das Aquaporin wurde auch in longitudinalen Zellreihen der Petiolen in erh{\"o}hten Mengen gefunden. Expressionsstudien mit transgenen Pflanzen (Ntaqp1-Promotor::gus oder ::luc) best{\"a}tigten die NtAQP1-Akkumulation in der Wurzel, dem Spross und den Petiolen, lokalisierten dessen Expression aber auch in Pollen, Adventivwurzel und Blatthaaren. Die Ntaqp1-Expression wurde w{\"a}hrend Wachstumsprozessen wie Sprossorientierung nach Gravistimulation oder Photostimulation, Samenkeimung, aber auch w{\"a}hrend der vergleichsweise schnellen circadianen Blattbewegung induziert. Die Expression wurde weiterhin durch Phytohormone, im Speziellen durch Gibberellins{\"a}ure (GA) und osmotischen Stress stimuliert. Weitere Analysen hoben eine diurnale und sogar circadiane Expression von Ntaqp1 in Wurzeln und Petiolen hervor. Die funktionelle Analyse des Aquaporins wurde mittels reverser Genetik und biophysikalischen Studien durchgef{\"u}hrt. Die Antisense-Technik wurde benutzt, um die NtAQP1-Expression in Tabakpflanzen zu reduzieren. Die Antisense (AS)-Pflanzen zeigten eine starke Verringerung der Ntaqp1-mRNA, eine weniger ausgepr{\"a}gte Verminderung der hoch homologen NtPIP1a-mRNA und keinen Effekt auf die Expression anderer Aquaporin-Genfamilien (PIP2, TIP). Die Funktion von NtAQP1 auf zellul{\"a}rer Ebene wurde mit einer hierf{\"u}r neuentwickelten Apparatur untersucht. Der experimentelle Aufbau erm{\"o}glichte die Aufzeichnung der osmotisch induzierten Protoplasten-Volumenzunahme. Die Reduktion von NtAQP1 durch die Antisense-Expression verminderte die zellul{\"a}re Wasserpermeabilit{\"a}t um mehr als 50 \%. Die Funktion von NtAQP1 in der Gesamtpflanze wurde z.B. durch die "High-pressure flow meter" Methode bestimmt. Diese Messungen ergaben eine Reduktion der hydraulischen Wurzelleitf{\"a}higkeit pro Wurzeloberfl{\"a}cheneinheit (KRA) der Wurzeln der AS-Linien um mehr als 50 \%. Die KRA wies eine starke diurnale und circadiane Schwankung auf, mit einem Maximum in der Mitte der Lichtperiode, {\"a}hnlich dem Verlauf des Expressionsmusters von Ntaqp1 in Wurzeln. Unter gut gew{\"a}sserten Bedingungen ergaben Gaswechsel-, Spross- (Ystem) und Blatt- Wasserpotenial (Yleaf)-Messungen unterschiedliche Werte in AS- und Kontrollpflanzen. In wasserlimitierender Umgebung zeigten AS-Pflanzen jedoch ein st{\"a}rker negativeres Y als Kontrollpflanzen, obwohl eine weitere Abnahme der Transpiration in AS-Pflanzen beobachtet werden konnte. Quantitative Analysen belegten eine st{\"a}rker ausgepr{\"a}gte Welkreaktion in den AS- als in den Kontrollpflanzen. Quantitative Studien der Blattbewegung von AS- verglichen mit Kontrollpflanzen hoben eine drastische Reduktion in Geschwindigkeit und Ausmaß der Reaktion hervor. Folgende Schlussfolgerungen konnten gezogen werden. NtAQP1 wurde an Orten mit erwartet hohem Wasserfluss von und zum Apoplasten oder Symplasten exprimiert. Außerdem deuteten das spezifische Verteilungsmuster und die zeitliche Expression von NtAQP1 in Petiolen und dem sich biegenden Spross auf eine Beteiligung in der transzellul{\"a}ren Wasserbewegung hin. Die Reduktion von NtAQP1 durch die Antisense-Expression verringerte die zellul{\"a}re Pos. Die NtAQP1-Funktion erh{\"o}ht also eindeutig die Membranwasserpermeabilit{\"a}t von Tabak-Wurzelprotoplasten. Die Abnahme der spezifischen hydraulischen Wurzelleitf{\"a}higkeit (KRA) befand sich in der gleichen Gr{\"o}ßenordnung wie die Verringerung der mittleren zellul{\"a}ren Wasserpermeabilit{\"a}t. Dies weist darauf hin, dass die Aquaporin-Expression essentiell f{\"u}r die Aufrechterhaltung der nat{\"u}rlichen Wurzelleitf{\"a}higkeit ist. Die Verringerung von KRA in AS -Pflanzen k{\"o}nnte der erste sichere Beweis daf{\"u}r sein, dass der Weg der Wasseraufnahme von der Wurzeloberfl{\"a}che in das Xylem den {\"U}bergang {\"u}ber Membranen einschließt. Die Reduktion von NtAQP1 resultierte in einem Wasserstresssignal, das ein Schließen der Stomata zur Folge hatte. NtAQP1 scheint an der Vermeidung von Wasserstress in Tabak beteiligt zu sein. NtAQP1 spielt eine essentielle Rolle bei schnellen Pflanzenbewegungen und der transzellul{\"a}ren Wasserverschiebung.},
  subject      = {Tabak},
  language  = {en}
}