TY - THES A1 - Doriti, Afroditi T1 - Sustainable bio-based poly-N-glycines and polyesters T1 - Nachhaltige biobasierte Poly-N-Glycine und Polyester N2 - Nowadays, the need to protect the environment becomes more urgent than ever. In the field of chemistry, this translates to practices such as waste prevention, use of renewable feedstocks, and catalysis; concepts based on the principles of green chemistry. Polymers are an important product in the chemical industry and are also in the focus of these changes. In this thesis, more sustainable approaches to make two classes of polymers, polypeptoids and polyesters, are described. Polypeptoids or poly(alkyl-N-glycines) are isomers of polypeptides and are biocompatible, as well as degradable under biologically relevant conditions. In addition to that, they can have interesting properties such as lower critical solution temperature (LCST) behavior. They are usually synthesized by the ring opening polymerization (ROP) of N-carboxy anhydrides (NCAs), which are produced with the use of toxic compounds (e.g. phosgene) and which are highly sensitive to humidity. In order to avoid the direct synthesis and isolation of the NCAs, N-phenoxycarbonyl-protected N-substituted glycines are prepared, which can yield the NCAs in situ. The conditions for the NCA synthesis and its direct polymerization are investigated and optimized for the simplest N-substituted glycine, sarcosine. The use of a tertiary amine in less than stoichiometric amounts compared to the N-phenoxycarbonyl--sarcosine seems to accelerate drastically the NCA formation and does not affect the efficiency of the polymerization. In fact, well defined polysarcosines that comply to the monomer to initiator ratio can be produced by this method. This approach was also applied to other N-substituted glycines. Dihydroxyacetone is a sustainable diol produced from glycerol, and has already been used for the synthesis of polycarbonates. Here, it was used as a comonomer for the synthesis of polyesters. However, the polymerization of dihydroxyacetone presented difficulties, probably due to the insolubility of the macromolecular chains. To circumvent the problem, the dimethyl acetal protected dihydroxyacetone was polymerized with terephthaloyl chloride to yield a soluble polymer. When the carbonyl was recovered after deprotection, the product was insoluble in all solvents, showing that the carbonyl in the main chain hinders the dissolution of the polymers. The solubility issue can be avoided, when a 1:1 mixture of dihydroxyacetone/ ethylene glycol is used to yield a soluble copolyester. N2 - Heutzutage wird die Notwendigkeit, die Umwelt zu schützen, dringender denn je. Auf dem Gebiet der Chemie bedeutet dies Praktiken wie Abfallvermeidung, Verwendung nachwachsender Rohstoffe und Katalyse, Konzepte, die auf den Prinzipien der grünen Chemie basierend sind. Polymere sind ein wichtiges Produkt in der chemischen Industrie und stehen auch im Fokus dieser Veränderungen. In dieser Arbeit werden nachhaltigere Ansätze zur Herstellung von zwei Klassen von Polymeren, Polypeptoiden und Polyestern beschrieben. Polypeptoide oder Poly (alkyl-N-glycine) sind Isomere von Polypeptiden und sind biokompatibel sowie unter biologisch relevanten Bedingungen abbaubar. Darüber hinaus können sie interessante Eigenschaften wie das LCST-Verhalten (Lower Critical Solution Temperature) aufweisen. Sie werden üblicherweise durch die Ringöffnungspolymerisation (ROP) von N-Carboxyanhydriden (NCAs) synthetisiert, die unter Verwendung von toxischen Verbindungen (z. B. Phosgen) hergestellt werden und die gegenüber Feuchtigkeit sehr empfindlich sind. Um die direkte Synthese und Isolierung der NCAs zu vermeiden, werden N-Phenoxycarbonyl-geschützte N-substituierte Glycine hergestellt, die die NCAs in situ liefern können. Die Bedingungen für die NCA-Synthese und ihre direkte Polymerisation wurden für das einfachste N-substituierte Glycin, Sarcosin, untersucht und optimiert. Die Verwendung eines tertiären Amins in weniger als stöchiometrischen Mengen im Vergleich zum N-Phenoxycarbonyl-Sarkosin scheint die NCA-Bildung drastisch zu beschleunigen und beeinflusst die Effizienz der Polymerisation nicht. In der Tat können mit diesem Verfahren gut definierte Polysarkosine hergestellt werden, die dem Verhältnis von Monomer zu Initiator entsprechen. Dieser Ansatz wurde auch auf andere N-substituierte Glycine angewendet. Dihydroxyaceton ist ein aus Glycerin hergestelltes, nachhaltiges Diol, das bereits für die Synthese von Polycarbonaten verwendet wurde. Hier wurde es als Comonomer für die Synthese von Polyestern verwendet. Die Polymerisation von Dihydroxyaceton zeigte jedoch Schwierigkeiten, wahrscheinlich aufgrund der Unlöslichkeit der makromolekularen Ketten. Um das Problem zu umgehen, wurde das Dimethylacetal-geschützte Dihydroxyaceton mit Terephthaloylchlorid polymerisiert, um ein lösliches Polymer zu ergeben. Wenn das Carbonyl nach der Entschützung zurückgewonnen wurde, war das Produkt in allen Lösungsmitteln unlöslich, was zeigt, dass das Carbonyl in der Hauptkette das Lösen der Polymere behindert. Das Löslichkeitsproblem kann vermieden werden, wenn eine 1: 1-Mischung von Dihydroxyaceton / Ethylenglycol verwendet wird, um einen löslichen Copolyester zu ergeben. KW - ROP KW - N-alkyl-glycine KW - polypeptoids KW - activated urethane KW - dihydroxyacetone KW - polycondensation KW - polyesters KW - Ringöffnungspolymerisation KW - N-Alkylglycin KW - Polypeptoide KW - aktiviertes Urethan KW - Dihydroxyaceton KW - Polykondensation KW - Polyester Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-411286 ER - TY - THES A1 - Dribbisch, Katrin T1 - Translating innovation T1 - Translating Innovation BT - the adoption of Design Thinking in a Singaporean ministry BT - die Adoption von Design Thinking in einem Singapurer Ministerium N2 - This doctoral thesis studies the process of innovation adoption in public administrations, addressing the research question of how an innovation is translated to a local context. The study empirically explores Design Thinking as a new problem-solving approach introduced by a federal government organisation in Singapore. With a focus on user-centeredness, collaboration and iteration Design Thinking seems to offer a new way to engage recipients and other stakeholders of public services as well as to re-think the policy design process from a user’s point of view. Pioneered in the private sector, early adopters of the methodology include civil services in Australia, Denmark, the United Kingdom, the United States as well as Singapore. Hitherto, there is not much evidence on how and for which purposes Design Thinking is used in the public sector. For the purpose of this study, innovation adoption is framed in an institutionalist perspective addressing how concepts are translated to local contexts. The study rejects simplistic views of the innovation adoption process, in which an idea diffuses to another setting without adaptation. The translation perspective is fruitful because it captures the multidimensionality and ‘messiness’ of innovation adoption. More specifically, the overall research question addressed in this study is: How has Design Thinking been translated to the local context of the public sector organisation under investigation? And from a theoretical point of view: What can we learn from translation theory about innovation adoption processes? Moreover, there are only few empirical studies of organisations adopting Design Thinking and most of them focus on private organisations. We know very little about how Design Thinking is embedded in public sector organisations. This study therefore provides further empirical evidence of how Design Thinking is used in a public sector organisation, especially with regards to its application to policy work which has so far been under-researched. An exploratory single case study approach was chosen to provide an in-depth analysis of the innovation adoption process. Based on a purposive, theory-driven sampling approach, a Singaporean Ministry was selected because it represented an organisational setting in which Design Thinking had been embedded for several years, making it a relevant case with regard to the research question. Following a qualitative research design, 28 semi-structured interviews (45-100 minutes) with employees and managers were conducted. The interview data was triangulated with observations and documents, collected during a field research research stay in Singapore. The empirical study of innovation adoption in a single organisation focused on the intra-organisational perspective, with the aim to capture the variations of translation that occur during the adoption process. In so doing, this study opened the black box often assumed in implementation studies. Second, this research advances translation studies not only by showing variance, but also by deriving explanatory factors. The main differences in the translation of Design Thinking occurred between service delivery and policy divisions, as well as between the first adopter and the rest of the organisation. For the intra-organisational translation of Design Thinking in the Singaporean Ministry the following five factors played a role: task type, mode of adoption, type of expertise, sequence of adoption, and the adoption of similar practices. N2 - Die Dissertation untersucht den Prozess der Innovationsadoption in Verwaltungen, ausgehend von der Forschungsfrage, wie eine Innovation in den lokalen Kontext einer Organisation übersetzt wird. Empirisch untersucht die Arbeit, wie Design Thinking als neuer Problemlösungsansatz von einem Singapurer Ministerium eingeführt wurde. Mit einer am Nutzer orientierten, kollaborativen und iterativen Arbeitsweise verspricht Design Thinking eine neue Möglichkeit, Leistungsempfänger/innen und andere Stakeholder öffentlicher Dienstleistungen einzubinden sowie den Gesetzgebungsprozess ausgehend von der Nutzerperspektive neu zu gestalten. Dieser zunächst in Unternehmen eingeführte Innovationsansatz wurde in den vergangenen Jahren verstärkt von Verwaltungen weltweit aufgegriffen, zum Beispiel in Australien, Dänemark, Großbritannien, den USA und Singapur. Es existieren jedoch bisher nur wenige empirische Studien darüber, wie und für welche Zwecke Design Thinking im Verwaltungskontext zum Einsatz kommt. Die vorliegende Arbeit wählt eine Translationsperspektive zur Analyse des Innovation-Adoption-Prozesses. Der Translationsansatz im Sinne des skandinavischen Neo-Institutionalismus untersucht, wie Ideen in lokale Kontexte übersetzt werden. Die Studie grenzt sich damit von einem vereinfachten Verständnis des Innovation-Adoption-Prozesses ab und somit von der Vorstellung, dass eine Idee ohne Anpassung in einen neuen Kontext aufgenommen wird. Die Translationstheorie ermöglicht eine differenzierte Betrachtung des Innovation-Adoption-Prozesses, indem sie den Blick auf die Anpassungen und Veränderungen richtet. Die zentralen Forschungsfragen der Studie lauten: Erstens, wie wurde Design Thinking in den lokalen Kontext eines Singapurer Ministeriums übersetzt? Zweitens, was können wir von einem Translation-Theorieansatz über Innovation-Adoption-Prozesse lernen? Es gibt bisher wenige empirische Studien zur organisationalen Adoption von Design Thinking, von denen die meisten sich auf Unternehmen beziehen. Wir wissen wenig darüber, wie Design Thinking in öffentlichen Verwaltungen und Regierungsorganisationen eingebettet wird. Diese Untersuchung liefert deshalb empirische Evidenz, wie Design Thinking in einer öffentlichen Verwaltung eingesetzt wird, insbesondere in Bezug auf die Anwendung im Gesetzgebungsbereich, der in der bisherigen Forschung vernachlässigt wurde. Für die Analyse des Innovation-Adoption-Prozesses wurde ein exploratives Einzelfallstudiendesign gewählt. Basierend auf einem theoriegeleiteten Sampling-Ansatz wurde ein Singapurer Ministerium ausgewählt, das einen Organisationskontext bot, in dem Design Thinking vor einigen Jahren eingeführt und seitdem praktiziert wurde. Das Singapurer Ministerium stellt damit einen relevanten Fall für die Beantwortung der Forschungsfrage dar. Im Rahmen eines qualitativen Forschungsdesigns, wurden 28 semi-strukturierte Interviews (45 bis 100 Minuten) mit Mitarbeiter/innen und Führungskräften durchgeführt. Die Interviewdaten wurden mit Beobachtungen und Dokumenten trianguliert, die während eines mehrwöchigen Forschungsaufenthaltes in Singapur gesammelt wurden. Die empirische Untersuchung der Innovationsadoption in einer Einzelorganisation konzentriert sich auf eine intraorganisatorische Perspektive mit dem Ziel, die Variationen der Translation während des Adoptionsprozesses festzuhalten. Die Studie leistet damit einen Beitrag zur Öffnung der oft in Implementierungsstudien angenommenen Blackbox, weil sie den Blick darauf richtet, was nach der Einführungsentscheidung in der Organisation mit der Innovation geschieht. Zweitens, erweitert die vorliegende Studie die Translationsforschung, weil sie intraorganisatorische Varianz der Übersetzung nicht nur nachweisen, sondern auch erklären kann. Aus dem empirischen Material werden fünf Einflussfaktoren identifiziert, die die Unterschiede in der Übersetzung von Design Thinking innerhalb des Singapurer Ministeriums erklären können: 1) die Art der Aufgabe, 2) der Adoptionsmodus, 3) die Art der Expertise, 4) die zeitliche Abfolge der Adoption und 5) die Integration in die Organisation durch die Kombination mit komplementären Praktiken. Die Hauptunterschiede traten zwischen Service-Delivery- und Policy-Abteilungen auf sowie zwischen der der Abteilung, die Design Thinking zuerst einführte, und dem Rest der Organisation. KW - Design Thinking KW - innovation adoption KW - translation theory KW - public sector innovation KW - public management KW - Design Thinking KW - Innovation KW - Verwaltungsmodernisierung KW - Organizational innovation KW - Neo-institutionalismus Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-104719 ER - TY - THES A1 - Eichler, Sarah T1 - Multidisziplinäre kardiologische Rehabilitation bei Patienten nach kathetergestützter Aortenklappenkorrektur T1 - Multicomponent cardiac rehabilitation in patients after transcatheter aortic valve implantation BT - Prädiktoren für die Veränderung der körperlichen Leistungsfähigkeit und Lebensqualität BT - predictors of functional and psychocognitive recovery N2 - Hintergrund Für Patienten mit hochgradiger Aortenklappenstenose, die aufgrund ihres Alters oder ihrer Multimorbidität ein hohes Operationsrisiko tragen, konnte mit der kathetergestützten Aortenklappenkorrektur (transcatheter aortic valve implantation, TAVI) eine vielversprechende Alternative zum herzchirurgischen Eingriff etabliert werden. Explizite Daten zur multidisziplinären kardiologischen Rehabilitation nach TAVI liegen bislang nicht vor. Ziel vorliegender Arbeit war, den Effekt der kardiologischen Rehabilitation auf die körperliche Leistungsfähigkeit, den emotionalen Status, die Lebensqualität und die Gebrechlichkeit bei Patienten nach TAVI zu untersuchen sowie Prädiktoren für die Veränderung der körperlichen Leistungsfähigkeit und der Lebensqualität zu identifizieren. Methodik Zwischen 10/2013 und 07/2015 wurden 136 Patienten (80,6 ± 5,0 Jahre, 47,8 % Männer) in Anschlussheilbehandlung nach TAVI in drei kardiologischen Rehabilitationskliniken eingeschlossen. Zur Beurteilung des Effekts der kardiologischen Rehabilitation wurden jeweils zu Beginn und Ende der Rehabilitation der Frailty (Gebrechlichkeits)-Index (Score bestehend aus Barthel-Index, Instrumental Activities of Daily Living, Mini Mental State Exam, Mini Nutritional Assessment, Timed Up and Go und subjektiver Mobilitätsverschlechterung), die Lebensqualität im Short-Form 12 (SF-12) sowie die funktionale körperliche Leistungsfähigkeit im 6-Minuten Gehtest (6-minute walk test, 6MWT) und die maximale körperliche Leistungsfähigkeit in der Belastungs-Ergometrie erhoben. Zusätzlich wurden soziodemographische Daten (z. B. Alter und Geschlecht), Komorbiditäten (z. B. chronisch obstruktive Lungenerkrankung, koronare Herzkrankheit und Karzinom), kardiovaskuläre Risikofaktoren und die NYHA-Klasse dokumentiert. Prädiktoren für die Veränderung der körperlichen Leistungsfähigkeit und Lebensqualität wurden mit Kovarianzanalysen angepasst. Ergebnisse Die maximale Gehstrecke im 6MWT konnte um 56,3 ± 65,3 m (p < 0,001) und die maximale körperliche Leistungsfähigkeit in der Belastungs-Ergometrie um 8,0 ± 14,9 Watt (p < 0001) gesteigert werden. Weiterhin konnte eine Verbesserung im SF-12 sowohl in der körperlichen Summenskala um 2,5 ± 8,7 Punkte (p = 0,001) als auch in der psychischen Summenskala um 3,4 ± 10,2 Punkte (p = 0,003) erreicht werden. In der multivariaten Analyse waren ein höheres Alter und eine höhere Bildung signifikant mit einer geringeren Zunahme im 6MWT assoziiert, währenddessen eine bessere kognitive Leistungsfähigkeit und Adipositas einen positiven prädiktiven Wert aufwiesen. Eine höhere Selbstständigkeit und ein besserer Ernährungsstatus beeinflussten die Veränderung in der körperlichen Summenskala des SF-12 positiv, währenddessen eine bessere kognitive Leistungsfähigkeit einen Prädiktor für eine geringere Veränderung darstellte. Des Weiteren hatten die jeweiligen Ausgangswerte der körperlichen und psychischen Summenskala im SF-12 einen inversen Einfluss auf die Veränderungen in der gleichen Skala. Schlussfolgerung Eine multidisziplinäre kardiologische Rehabilitation kann sowohl die körperliche Leistungs-fähigkeit und Lebensqualität verbessern als auch die Gebrechlichkeit von Patienten nach kathetergestützter Aortenklappenkorrektur verringern. Daraus resultierend gilt es, spezifische Assessments für die kardiologische Rehabilitation zu entwickeln. Weiterhin ist es notwendig, individualisierte Therapieprogramme mit besonderem Augenmerk auf kognitive Funktionen und Ernährung zu initiieren, um die Selbstständigkeit hochbetagter Patienten zu erhalten bzw. wiederherzustellen und um die Pflegebedürftigkeit der Patienten hinauszuzögern. N2 - Background In the last decade, transcatheter aortic valve implantation (TAVI) has reached widespread clinical acceptance as treatment for elderly and high-risk patients with aortic stenosis. Little is known about influencing factors of function and quality of life during multicomponent cardi-ac rehabilitation. The aim of the underlying study was to investigate the impact of a multidis-ciplinary inpatient cardiac rehabilitation on function and frailty as well as to find predictors for changes in quality of life and physical capacity. Methods From 10/2013 to 07/2015, patients with an elective TAVI and a subsequent inpatient cardiac rehabilitation were enrolled in the prospective cohort multicentre study. A Frailty-Index (a score including Activities of Daily Living, Instrumental Activities of Daily Living, Mini Men-tal State Exam, Mini Nutritional Assessment, Timed Up and Go und subjective mobility disa-bility), quality of life by Short Form-12 (SF-12), function by 6-minute walk distance (6MWD) and by maximum work load in bicycle ergometry were performed at admission and discharge of cardiac rehabilitation. Additionally, sociodemographic parameters (e. g. age, sex), comorbidities (e. g. chronic obstructive pulmonary disease, coronary artery disease), cardiovascular risk factors and NYHA-class were documented. Predictors for changes in 6MWD and SF-12 were studied using analysis of covariance. Results 136 patients (80.6 ± 5.0 years, 47.8 % male) were enrolled. 6MWD and maximum work load increased by 56.3 ± 65.3 m (p < 0.001) and 8.0 ± 14.9 Watts (p < 0.001), respectively. An improvement in SF-12 (physical component scale 2.5 ± 8.7, p = 0.001, mental component scale 3.4 ± 10.2, p = 0.003) could be observed. In the multivariate analysis, age and a higher education were significantly associated with a reduced 6MWD, whereas cognition and obesity showed a positive predictive value. Nutrition and autonomy positively influenced the physical scale of SF-12, whereas a better cognitive performance negatively influenced it. Additionally, the baseline values of SF-12 had an inverse impact on the change during cardiac rehabilitation. Conclusions Cardiac rehabilitation can improve functional capacity as well as quality of life and reduce frailty in patients after TAVI. This results in a reevaluation of diagnostic modalities, prognostic parameters and an individualised definition of achievable goals in the contemporary TAVI population during the recovery phase at cardiac rehabilitation. An individually tailored therapy with special consideration of cognition and nutrition is needed to maintain autonomy and empower octogenarians in coping with challenges of everyday life. KW - TAVI KW - Gebrechlichkeit KW - kardiologische Rehabilitation KW - Lebensqualität KW - körperliche Leistungsfähigkeit KW - TAVI KW - frailty KW - cardiac rehabilitation KW - quality of life KW - exercise capacity Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-406618 ER - TY - THES A1 - Eisold, Ursula T1 - Cumarin- und DBD-Farbstoffe als Fluoreszenzsonden T1 - Coumarin and dbd dyes as fluorescent probes BT - Fluoreszenzimmunassays und Förster-Resonanz-Energietransfer BT - fluorescence immunoassays and Foerster resonance energy transfer N2 - In dieser Arbeit werden drei Themen im Zusammenhang mit den spektroskopischen Eigenschaften von Cumarin- (Cou) und DBD-Farbstoffen ([1,3]Dioxolo[4,5-f][1,3]benzodioxol) behandelt. Der erste Teil zeigt die grundlegende spektroskopische Charakterisierung von 7-Aminocumarinen und ihre potentielle Anwendung als Fluoreszenzsonde für Fluoreszenzimmunassays. Im zweiten Teil werden mit die photophysikalischen Eigenschaften der Cumarine genutzt um Cou- und DBD-funktionalisierte Oligo-Spiro-Ketal-Stäbe (OSTK) und ihre Eigenschaften als Membransonden zu untersuchen. Der letzte Teil beschäftigt sich mit der Synthese und der Charakterisierung von Cou- und DBD-funktionalisierten Polyprolinen als Referenzsysteme für schwefelfunktionalisierte OSTK-Stäbe und ihrer Kopplung an Goldnanopartikel. Immunochemische Analysemethoden sind in der klinischen Diagnostik sehr erfolgreich und werden heute auch für die Nahrungsmittelkontrolle und Überwachung von Umweltfragen mit einbezogen. Dadurch sind sie von großem Interesse für weitere Forschungen. Unter den verschiedenen Immunassays zeichnen sich lumineszenzbasierte Formate durch ihre herausragende Sensitivität aus, die dieses Format für zukünftige Anwendungen besonders attraktiv macht. Die Notwendigkeit von Multiparameterdetektionsmöglichkeiten erfordert einen Werkzeugkasten mit Farbstoffen, um die biochemische Reaktion in ein optisch detektierbares Signal umzuwandeln. Hier wird bei einem Multiparameteransatz jeder Analyt durch einen anderen Farbstoff mit einer einzigartigen Emissionsfarbe, die den blauen bis roten Spektralbereich abdecken, oder eine einzigartige Abklingzeit detektiert. Im Falle eines kompetitiven Immunassayformats wäre für jeden der verschiedenen Farbstoffe ein einzelner Antikörper erforderlich. In der vorliegenden Arbeit wird ein leicht modifizierter Ansatz unter Verwendung einer Cumarineinheit, gegen die hochspezifische monoklonale Antikörper (mAb) erzeugt wurden, als grundlegendes Antigen präsentiert. Durch eine Modifikation der Stammcumarineinheit an einer Position des Moleküls, die für die Erkennung durch den Antikörper nicht relevant ist, kann auf den vollen Spektralbereich von blau bis tiefrot zugegriffen werden. In dieser Arbeit wird die photophysikalische Charakterisierung der verschiedenen Cumarinderivate und ihrer entsprechenden Immunkomplexe mit zwei verschiedenen, aber dennoch hochspezifischen, Antikörpern präsentiert. Die Cumarinfarbstoffe und ihre Immunkomplexe wurden durch stationäre und zeitaufgelöste Absorptions- sowie Fluoreszenzemissionsspektroskopie charakterisiert. Darüber hinaus wurden Fluoreszenzdepolarisationsmessungen durchgeführt, um die Daten zu vervollständigen, die die verschiedenen Bindungsmodi der beiden Antikörper betonten. Im Gegensatz zu häufig eingesetzten Nachweissystemen wurde eine massive Fluoreszenzverstärkung bei der Bildung des Antikörper-Farbstoffkomplexes bis zu einem Faktor von 50 gefunden. Wegen der leichten Emissionsfarbenänderung durch das Anpassen der Cumarinsubstitution in der für die Antigenbindung nicht relevanten Position des Elternmoleküls, ist eine Farbstoff-Toolbox vorhanden, die bei der Konstruktion von kompetitiven Multiparameterfluoreszenzverstärkungsimmunassays verwendet werden kann. Oligo-Spiro-Thio-Ketal-Stäbe werden aufgrund ihres hydrophoben Rückgrats leicht in Doppellipidschichten eingebaut und deshalb als optische Membransonde verwendet. Wegen ihres geringen Durchmessers wird nur eine minimale Störung der Doppellipidschicht verursacht. Durch die Markierung mit Fluoreszenzfarbstoffen sind neuartige Förster-Resonanz-Energietransfersonden mit hoch definierten relativen Orientierungen der Übergangsdipolmomente der Donor- und Akzeptorfarbstoffe zugänglich und macht die Klasse der OSTK-Sonden zu einem leistungsstarken, flexiblen Werkzeugkasten für optische Biosensoranwendungen. Mit Hilfe von stationären und zeitaufgelösten Fluoreszenzexperimenten wurde der Einbau von Cumarin- und DBD markierten OSTK-Stäben in großen unilamellaren Vesikeln untersucht und die Ergebnisse durch Fluoreszenzdepolarisationsmessungen untermauert. Der letzte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung von Cou- und DBD-funktionalisierten Polyprolinen und ihrer Kopplung an Goldnanopartikel. Die farbstoffmarkierten Polyproline konnten erfolgreich hergestellt werden. Es zeigten sich deutlich Einflüsse auf die spektroskopischen Eigenschaften der Farbstoffe durch die Bindung an die Polyprolinhelix. Die Kopplung an die 5 nm großen AuNP konnte erfolgreich durchgeführt werden. Die Erfahrungen, die durch die Kopplung der Polyproline an die AuNP, gewonnen wurde, ist die Basis für eine Einzelmolekül-AFM-FRET-Nanoskopie mit OSTK-Stäben. N2 - In this thesis, three topics are discussed in connection with the spectroscopic properties of coumarin (Cou) and DBD ([1,3]dioxolo[4,5-f][1,3]benzodioxole) dyes. The first part shows the basic spectroscopic characterization of 7-aminocumarins and their advantage as a fluorescence probe for fluorescence immunoassays. In the second part, the photophysical properties of the coumarins are used to investigate Cou- and DBD-functionalized oligo-spiro-ketal rods (OSTK) and their properties as membrane probes. The last part deals with the synthesis and characterization of Cou- and DBD-functionalized polyprolines as reference systems for sulfur-functionalized OSTK rods and their coupling to gold nanoparticles. The fact that immunochemical analysis methods are very successful in clinical diagnostics and are now also included for food control and monitoring of environmental questions they are of great interest for further research. Among the various immunoassays, luminescence-based formats are distinguished by their outstanding sensitivity, which makes this format particularly attractive for future applications. The need for multiparameter detection capabilities requires a toolbox of dyes to convert the biochemical response to an optically detectable signal. Here, in the case of a multiparameter approach, each analyte is detected by another dye with a unique emission color which covers the blue to red spectral range or a unique decay time. In the case of a competitive immunoassay format, a single antibody would be required for each of the different dyes. In the present work, a slightly modified approach is presented as a basic antigen using a coumarin moiety against which highly specific antibodies have been produced. By modifying the parent coumarin moiety at a site of the molecule which is not relevant for recognition by the antibody, the full spectral range from blue to deep red can be accessed. This work presents the photophysical characterization of the different cumarine derivatives and their corresponding immuno complexes with two different but nevertheless highly specific monoclonal antibodies (mAb). The coumarin dyes and their immunocomplexes were characterized by steady-state time-resolved absorption and fluorescence emission spectroscopy. In addition, fluorescence depolarization measurements were performed to complete the data emphasizing the different binding modes of the two antibodies. In contrast to frequently used detection systems, a massive fluorescence enhancement was found in the formation of the antibody dye complex up to a factor of 50. Because of the slight change in the emission by adjusting the coumarin substitution in the position of the parent molecule which is not relevant for the antigen binding, a dye toolbox which can be used for the construction of competitive multiparameter fluorescence enhancement immunoassays has been created. Due to their hydrophobic backbone, oligospirothioketal rods (OSTK) are easily incorporated into lipid bilayers and are therefore used as an optical membrane probe. Because of their narrow diameter, only a minimal disturbance of the lipid bilayer is caused. By labeling with fluorescent dyes, novel Förster resonance energy transfer probes are available with highly defined relative orientations of the transition dipole moments of the donor and acceptor dyes, making the class of the OSTK probes into a powerful, flexible toolbox for optical biosensor applications. The incorporation of cumarin and [1,3]-dioxolo[4,5-f][1,3]benzodioxol-labeled OSTK rods in large unilamellar vesicles was investigated using steady-state and time-resolved fluorescence experiments and the results were confirmed by fluorescence depolarization measurements. The last part of this work deals with the synthesis and characterization of Cou- and DBD-functionalized polyprolines and their coupling to gold nanoparticles. The dye-labeled polyprolines were successfully synthesized. Influences on the spectroscopic properties of the dyes by binding to the polyproline helix were found. The coupling to 5 nm AuNP was successfully carried out. The experience gained by the coupling of the polyprolins to the AuNP can be used as a good basis for the investigation of a single molecule FRET AFM nanoscopy using OSTK rods. KW - FRET KW - Förster-Resonanz-Energie-Transfer KW - Förster resonance energy transfer KW - Origo-Spiro-Thio-Ketal-Stäbe KW - oligo spiro thio ketal rods KW - FRET Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-405833 ER - TY - THES A1 - Fischbach, Jens T1 - Isothermale Amplifikationsmethoden für den DNA- und Pyrophosphat-abhängigen Pathogennachweis T1 - Isothermal amplification methods for DNA- and pyrophophate based pathogen detection N2 - Hintergrund: Etablierte Protein- und Nukleinsäure-basierte Methoden für den spezifischen Pathogennachweis sind nur unter standardisierten Laborbedingungen von geschultem Personal durchführbar und daher mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand verbunden. In der Nukleinsäure-basierten Diagnostik kann durch die Einführung der isothermalen Amplifikation eine schnelle und kostengünstige Alternative zur Polymerase-Kettenreaktion (PCR) verwendet werden. Die Loop-mediated isothermal amplification (LAMP) bietet aufgrund der hohen Amplifikationseffizienz vielfältige Detektionsmöglichkeiten, die sowohl für Schnelltest- als auch für Monitoring-Anwendungen geeignet sind. Ein wesentliches Ziel dieser Arbeit war die Verbesserung der Anwendbarkeit der LAMP und die Entwicklung einer neuen Methode für den einfachen, schnellen und günstigen Nachweis von Pathogenen mittels alternativer DNA- oder Pyrophosphat-abhängiger Detektionsverfahren. Hier wurden zunächst direkte und indirekte Detektionsmethoden untersucht und darauf aufbauend ein Verfahren entwickelt, mit dem neue Metallionen-abhängige Fluoreszenzfarbstoffe für die selektive Detektion von Pyrophosphat in der LAMP und anderen enzymatischen Reaktionen identifiziert werden können. Als Alternative für die DNA-basierte Detektion in der digitalen LAMP sollten die zuvor etablierten Farbstoffe für den Pyrophosphatnachweis in einer Emulsion getestet werden. Abschließend wurde ein neuer Reaktionsmechanismus für die effiziente Generierung hochmolekularer DNA unter isothermalen Bedingungen als Alternative zur LAMP entwickelt. Ergebnisse: Für den Nachweis RNA- und DNA-basierter Phythopathogene konnte die Echtzeit- und Endpunktdetektion mit verschiedenen Farbstoffen in einem geschlossenen System etabliert werden. Hier wurde Berberin als DNA-interkalierender Fluoreszenzfarbstoff mit vergleichbarer Sensitivität zu SYBR Green und EvaGreen erfolgreich in der LAMP mit Echtzeitdetektion eingesetzt. Ein Vorteil von Berberin gegenüber den anderen Farbstoffen ist die Toleranz der DNA-Polymerase auch bei hohen Farbstoffkonzentrationen. Berberin kann daher auch in der geschlossenen LAMP-Reaktion ohne zusätzliche Anpassung der Reaktionsbedingungen für die Endpunktdetektion verwendet werden. Darüber hinaus konnte Hydroxynaphtholblau (HNB), das für den kolorimetrischen Endpunktnachweis bekannt ist, erstmals auch für die fluorimetrische Detektion der LAMP in Echtzeit eingesetzt werden. Zusätzlich konnten in der Arbeit weitere Metallionen-abhängige Farbstoffe zur indirekten Detektion der LAMP über das Pyrophosphat identifiziert werden. Dafür wurde eine iterative Methode entwickelt, mit der potenzielle Farbstoffe hinsichtlich ihrer Enzymkompatibilität und ihrer spektralen Eigenschaften bei An- oder Abwesenheit von Manganionen selektiert werden können. Mithilfe eines kombinatorischen Screenings im Mikrotiterplattenformat konnte die komplexe Konzentrationsabhängigkeit zwischen den einzelnen Komponenten für einen fluorimetrischen Verdrängungsnachweis untersucht werden. Durch die Visualisierung des Signal-Rausch-Verhältnis’ als Intensitätsmatrix (heatmap) konnten zunächst Alizarinrot S und Tetrazyklin unter simulierten Reaktionsbedingungen selektiert werden. In der anschließenden enzymatischen LAMP-Reaktion konnte insbesondere Alizarinrot S als günstiger, nicht-toxischer und robuster Fluoreszenzfarbstoff identifiziert werden und zeigte eine Pyrophosphat-abhängige Zunahme der Fluoreszenzintensität. Die zuvor etablierten Farbstoffe (HNB, Calcein und Alizarinrot S) konnten anschließend erfolgreich für die indirekte, fluorimetrische Detektion von Pyrophosphat in einer LAMP-optimierten Emulsion eingesetzt werden. Die Stabilität und Homogenität der generierten Emulsion wurde durch den Zusatz des Emulgators Poloxamer 188 verbessert. Durch die fluoreszenzmikroskopische Analyse der Emulsion war eine eindeutige Diskriminierung der positiven und negativen Tröpfchen vor allem bei Einsatz von Calcein und Alizarinrot S möglich. Aufgrund des komplexen Primer-Designs und der hohen Wahrscheinlichkeit unspezifischer Amplifikation in der LAMP wurde eine neue Bst DNA-Polymerase-abhängige isothermale Amplifikationsreaktion entwickelt. Durch die Integration einer spezifischen Linkerstruktur (abasische Stelle oder Hexaethylenglykol) zwischen zwei Primersequenzen konnte ein bifunktioneller Primer die effiziente Regenerierung der Primerbindungsstellen gewährleisten. Der neue Primer induziert nach der spezifischen Hybridisierung auf dem Templat die Rückfaltung zu einer Haarnadelstruktur und blockiert gleichzeitig die Polymeraseaktivität am Gegenstrang, wodurch eine autozyklische Amplifikation trotz konstanter Reaktionstemperatur möglich ist. Die Effizienz der „Hinge-initiated Primer dependent Amplification“ (HIP) konnte abschließend durch die Verkürzung der Distanz zwischen einem modifizierten Hinge-Primer und einem PCR-ähnlichen Primer verbessert werden. Schlussfolgerung: Die LAMP hat sich aufgrund der hohen Robustheit und Effizienz zu einer leistungsfähigen Alternative für die klassische PCR in der molekularbiologischen Diagnostik entwickelt. Unterschiedliche Detektionsverfahren verbessern die Leistungsfähigkeit der qualitativen und quantitativen LAMP für die Feldanwendungen und für die Diagnostik, da die neuen DNA- und Pyrophosphat-abhängigen Nachweismethoden in einer geschlossenen Reaktion eingesetzt werden können und so eine einfache Pathogendiagnostik ermöglichen. Die gezeigten Methoden können darüber hinaus zu einer Kostensenkung und Zeitersparnis gegenüber den herkömmlichen Methoden beitragen. Ein attraktives Ziel stellt die Weiterentwicklung der HIP für den Pathogennachweis als Alternative zur LAMP dar. Hierbei können die neuen LAMP-Detektionsverfahren ebenfalls Anwendung finden. Die Verwendung von Bst DNA-Polymerase-abhängigen Reaktionen ermöglicht darüber hinaus die Integration einer robusten isothermalen Amplifikation in mikrofluidische Systeme. Durch die Kombination der Probenvorbereitung, Amplifikation und Detektion sind zukünftige Anwendungen mit kurzer Analysezeit und geringem apparativen Aufwand insbesondere in der Pathogendiagnostik möglich. N2 - Background: Established protein- and nucleic acid-based methods for the specific pathogen detection are usually performed under standardized laboratory conditions by trained staff and are associated with long processing time and high costs. In nucleic acid-based pathogen diagnostics, the isothermal amplification can be used as a rapid and cost-effective alternative to the polymerase chain reaction (PCR). Among all isothermal techniques, the loop-mediated isothermal amplification (LAMP) offers a wide range of applications for the rapid endpoint and real-time detection. A major goal of this work, was to improve the applicability of LAMP and the development of a new method to get a simple, fast and cost-effective diagnostic tool that is based on the detection of DNA and pyrophosphate. For this purpose, direct and indirect detection methods were investigated as well as additional metal ion-dependent fluorescent dyes for the selective detection of pyrophosphate in LAMP or other enzymatic reactions identified. As an alternative to the DNA-based digital LAMP, the previously established dyes were tested for the detection of pyrophosphate in emulsion. Finally, a new reaction mechanism was developed that allows the efficient generation of high molecular weight DNA under isothermal reaction conditions. Results: The detection of RNA- and DNA-based phytopathogens in closed reactions was established successfully with different dyes for real-time and endpoint detection. Berberine as DNA-intercalating fluorescent dye was used in the real-time detection of LAMP with comparable sensitivity to SYBR Green and EvaGreen for the first time. Additionally, the results revealed adequate tolerance of the Bst DNA polymerase to higher concentrations of the dye. Thus, it could be used directly in a closed LAMP reaction without any optimization. Furthermore, the magnesium indicator hydroxynaphthol blue (HNB) was used for fluorometric real-time detection in LAMP for the first time. To extend the number of indirect detection methods for the accumulating pyrophosphate in LAMP and other enzymatic reactions, new metal-ion-dependent dyes were identified. The developed platform could support the iterative process of finding new fluorescent dyes with regard to enzyme compatibility and their spectral properties in the presence or absence of manganese ions. To obtain a selective fluorometric displacement assay, the complex concentration dependence between all components was investigated successfully by the establishment of a combinatorial screening in a microtiter plate. The visualization of the calculated signal-to-noise ratio was then used to identify alizarin red S and tetracycline as promising candidates under simulated reaction conditions. By testing both dyes in the enzymatic assay, alizarin red S was confirmed as low-cost, non-toxic and robust dye for the pyrophosphate dependent increase of the fluorescence intensity. The previously established dyes (HNB, calcein and alizarin red S) were applied successfully for the indirect and fluorometric detection of pyrophosphate in a LAMP-optimized emulsion. The stability and homogeneity of the generated emulsion was increased by adding the surfactant poloxamer 188. The fluorescence microscopic analysis showed a distinct discrimination between positive and negative droplets, in particular by using calcein, HNB and alizarin red S. Additionally, a new amplification reaction that is also based on the Bst DNA polymerase was developed to prevent the complicated primer design and likelihood of unspecific amplification in LAMP. The efficient regeneration of the single stranded priming site was achieved by the integration of a specific linker (abasic site or hexaethylenglycol) between two priming sites to create a bifunctional hinge-primer. After the hybridization on the template sequence, the hinge-primer was used to induce the refolding to a hairpin structure and for blocking the polymerase activity on the reverse strand. Thus, an autocyclic amplification can be achieved at isothermal reaction conditions. Finally, the efficiency of the hinge-initiated primer dependent amplification (HIP) was improved by decreasing the distance between the modified hinge-primer and the corresponding PCR-like primer. Conclusion: Due to its robustness and efficiency, LAMP has been developed to a powerful alternative for the standardized PCR-based diagnostics in molecular biology in the past years. Different detection methods improve the performance of the qualitative and quantitative LAMP in field applications as well as in diagnostics. The new DNA and pyrophosphate based assays can be used in closed reactions and contribute to a simple pathogen detection. Furthermore, the advancements can lead to a considerable reduction of costs and time compared to conventional methods. An attractive achievement is the further optimization of the HIP as sensitive pathogen assay by using LAMP-based detection methods. The use of Bst DNA polymerasedependent reactions will allow a robust integration of the isothermal amplification in microfluidic systems. By combining sample preparation, amplification and detection in one device, powerful applications with short analysis time and low instrumental requirements are a future perspective in pathogen diagnostics. KW - isothermale Amplifikation KW - isothermal amplification KW - Pyrophosphat KW - pyrophosphate KW - DNA KW - DNA KW - Pathogen KW - pathogen KW - LAMP KW - LAMP Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-406072 ER - TY - THES A1 - Foti, Alessandro T1 - Characterization of the human aldehyde oxidase T1 - Charakterisierung der menschlichen Aldehydoxidase BT - Studies on the FAD active site and ROS generation N2 - In this work the human AOX1 was characterized and detailed aspects regarding the expression, the enzyme kinetics and the production of reactive oxygen species (ROS) were investigated. The hAOX1 is a cytosolic enzyme belonging to the molybdenum hydroxylase family. Its catalytically active form is a homodimer with a molecular weight of 300 kDa. Each monomer (150 kDa) consists of three domains: a N-terminal domain (20 kDa) containing two [2Fe-2S] clusters, a 40 kDa intermediate domain containing a flavin adenine dinucleotide (FAD), and a C-terminal domain (85 kDa) containing the substrate binding pocket and the molybdenum cofactor (Moco). The hAOX1 has an emerging role in the metabolism and pharmacokinetics of many drugs, especially aldehydes and N- heterocyclic compounds. In this study, the hAOX1 was hetereogously expressed in E. coli TP1000 cells, using a new codon optimized gene sequence which improved the expressed protein yield of around 10-fold compared to the previous expression systems for this enzyme. To increase the catalytic activity of hAOX1, an in vitro chemical sulfuration was performed to favor the insertion of the equatorial sulfido ligand at the Moco with consequent increased enzymatic activity of around 10-fold. Steady-state kinetics and inhibition studies were performed using several substrates, electron acceptors and inhibitors. The recombinant hAOX1 showed higher catalytic activity when molecular oxygen was used as electron acceptor. The highest turn over values were obtained with phenanthridine as substrate. Inhibition studies using thioridazine (phenothiazine family), in combination with structural studies performed in the group of Prof. M.J. Romão, Nova Universidade de Lisboa, showed a new inhibition site located in proximity of the dimerization site of hAOX1. The inhibition mode of thioridazine resulted in a noncompetitive inhibition type. Further inhibition studies with loxapine, a thioridazine-related molecule, showed the same type of inhibition. Additional inhibition studies using DCPIP and raloxifene were carried out. Extensive studies on the FAD active site of the hAOX1 were performed. Twenty new hAOX1 variants were produced and characterized. The hAOX1 variants generated in this work were divided in three groups: I) hAOX1 single nucleotide polymorphisms (SNP) variants; II) XOR- FAD loop hAOX1 variants; III) additional single point hAOX1 variants. The hAOX1 SNP variants G46E, G50D, G346R, R433P, A439E, K1231N showed clear alterations in their catalytic activity, indicating a crucial role of these residues into the FAD active site and in relation to the overall reactivity of hAOX1. Furthermore, residues of the bovine XOR FAD flexible loop (Q423ASRREDDIAK433) were introduced in the hAOX1. FAD loop hAOX1 variants were produced and characterized for their stability and catalytic activity. Especially the variants hAOX1 N436D/A437D/L438I, N436D/A437D/L438I/I440K and Q434R/N436D/A437D/L438I/I440K showed decreased catalytic activity and stability. hAOX1 wild type and variants were tested for reactivity toward NADH but no reaction was observed. Additionally, the hAOX1 wild type and variants were tested for the generation of reactive oxygen species (ROS). Interestingly, one of the SNP variants, hAOX1 L438V, showed a high ratio of superoxide prodction. This result showed a critical role for the residue Leu438 in the mechanism of oxygen radicals formation by hAOX1. Subsequently, further hAOX1 variants having the mutated Leu438 residue were produced. The variants hAOX1 L438A, L438F and L438K showed superoxide overproduction of around 85%, 65% and 35% of the total reducing equivalent obtained from the substrate oxidation. The results of this work show for the first time a characterization of the FAD active site of the hAOX1, revealing the importance of specific residues involved in the generation of ROS and effecting the overall enzymatic activity of hAOX1. The hAOX1 SNP variants presented here indicate that those allelic variations in humans might cause alterations ROS balancing and clearance of drugs in humans. N2 - Aldehydoxidasen (AOX) sind Molybdo-enzyme, die durch breite Substratspezifität gekennzeichnet sind, aromatische/aliphatische Aldehyde in die entsprechenden Carbonsäuren oxidieren und verschiedene heteroaromatische Ringe hydroxylieren. Die Enzyme verwenden Sauerstoff als terminalen Elektronenakzeptor und produzieren reduzierte Sauerstoffspezies während des Umsatzes. Die physiologische Funktion von Säugetier-AOX-Isoenzymen ist noch unklar, aber menschliches AOX (hAOX1) ist ein Enzym von Phase-I-Wirkstoff-Metabolismus. Weiterhin, wurden zahlreiche Einzelnukleotidpolymorphismen (SNP) und weitere hAOX1-Mutanten im hAOX1-Gen identifiziert. SNPs sind eine Hauptquelle für die interindividuelle Variabilität in der menschlichen Population, und SNP-basierte Aminosäureaustausche in hAOX1 modulieren die katalytische Funktion des Enzyms entweder positiv oder negativ. In diesem Bericht haben wir zehn neue SNPs ausgewählt, die zu Aminosäureaustauschen in der Nähe der FAD-Cofaktor von hAOX1 führen und die gereinigten Enzyme nach heterologen Expression in Escherichia coli charakterisieren. Darüber hinaus haben wir zehn weitere FAD-Varianten produziert. Die hAOX1-Varianten wurden sorgfältig durch quantitative Unterschiede in ihrer Fähigkeit zur Herstellung von Superoxidradikal charakterisiert. ROS repräsentieren markante Schlüsselmoleküle in physiologischen und pathologischen Zuständen in der Zelle. Unsere Daten zeigen signifikante Veränderungen der Superoxid-Anionenproduktion unter den Varianten. Insbesondere führte der Rest L438 in der Nähe des Isoalloxanzinringes des FAD-Cofaktors zu einer erhöhten Superoxid-Radikalproduktion von 75-85%. In Anbetracht der hohen Toxizität des Superoxid-Anions in der Zelle ist die hAOX1-L438V SNP-Variante ein eventueller Kandidat für kritische oder pathologische Rollen dieser natürlichen Variante innerhalb der menschlichen Population. KW - aldehyde KW - oxidase KW - ROS KW - reactive oxygen species Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-410107 ER - TY - THES A1 - Garcia, Francisca T1 - Mundos comunes T1 - Gemein(sam)e Welten BT - redes artísticas y tramas documentales en los setenta latinoamericanos BT - künstlerische Netzwerke und dokumentarische Gewebe in den lateinamerikanischen siebziger Jahren N2 - Vor dem Hintergrund unterschiedlicher Bewegungen und künstlerischer Dialoge in den siebziger und achtziger Jahren, stellt ihre Doktorarbeit den Begriff des „Lateinamerikanischen“ auf dem Gebiet der Kunst und Kultur in Frage. Über eine „sammelnde Reise“ von Spuren, Zeichen und Fährten durch europäische Städte, analysiert die Arbeit die Begriffe Ort, Gemeinschaft und kulturelles Gedächtnis, um eine neue Form des lateinamerikanischen Kontinents bilden zu können. N2 - A partir de la constatación de una serie de movimientos y diálogos artísticos, correspondientes a las décadas del setenta y ochenta, su tesis doctoral interroga la noción de “lo latinoamericano” en el ámbito del arte y la cultura. La investigación realiza un “viaje recopilatorio” de documentos a través de distintas ciudades europeas que permiten problematizar el lugar, la comunidad y la memoria cultural de lo latinoamericano. KW - archive KW - community KW - Latin American art KW - artistic network KW - 70s KW - archivo KW - redes artísticas transatlánticas KW - comunidad KW - arte latinoamericano KW - años 70 Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-400582 ER - TY - THES A1 - Georgiev, Vasil T1 - Light-induced transformations in biomembranes T1 - Lichtinduzierte Transformationen in Biomembranen N2 - Cellular membranes constantly experience remodeling, as exemplified by morphological changes during endo- and exocytosis. Regulation of membrane morphology is essential for these processes. In this work, we attempt to establish a regulation path based on the use of photoswitches exhibiting conformational changes in model membranes, namely, giant unilamellar vesicles (GUVs). The mechanism of the changes in the GUVs’ morphology caused by isomerization of the photosensitive molecules has been previously explored but still remains elusive. We examine the morphological reshaping of GUVs in the presence of the photoswitch o-tetrafluoroazobenzene (F-azo) and show that the mechanism behind the resulting morphological changes involves both an increase in the membrane area and generation of a positive spontaneous curvature. First, we characterize the partitioning of F-azo in a single-component membrane using both experimental and computational approaches. The partition coefficient calculated from molecular dynamic simulations agrees with experimental data obtained with size-exclusion chromatography. Then, we implement the approach of vesicle electrodeformation in order to assess the increase in the membrane area, which is observed as a result of the conformational change of F-azo. Finally, the local and the effective membrane spontaneous curvatures were estimated from the observed shapes of vesicles exhibiting outward budding. We then extend the application of the F-azo to multicomponent lipid membranes, which exhibit a coexistence of domains in different liquid phases due to a miscibility gap between the lipids. We perform initial experiments to investigate whether F-azo can be employed to modulate the lateral lipid packing and organization. We observe either complete mixing of the domains or the appearing of disordered domains within the domains of more ordered phase. The type of behavior observed in response to the photoisomerization of F-azo was dependent on the used lipid composition. We believe that the findings introduced here will have an impact in understanding and controlling both lipid phase modulation and regulation of the membrane morphology in membrane systems. N2 - Zelluläre Membranen durchlaufen ständige Formveränderungen wie zum Beispiel bei der Endo- und Exozytose. Für diese und andere Prozesse ist eine Regulierung der Membranmorphologie notwendig. In der vorliegenden Arbeit wurden riesen unilamellare Vesikel (giant unilamellar vesicles, GUVs) als Modelmembranen genutzt. Änderungen der Vesikelform wurde durch lichtschaltbare Moleküle (Fotoschalter) erzielt. Dass die Isomerisierung von lichtempfindlichen Molekülen eine Verformung von GUV ermöglichen kann, war bekannt. Jedoch war der zugrunde liegende Mechanismus unklar. In dieser Arbeit wurde zur Untersuchung dieses Mechanismus o-Tetrafluoroazobenzol (F-azo) als Fotoschalter verwendet. Damit konnte gezeigt werden, dass sowohl eine Vergrößerung der Membranfläche als auch das Entstehen einer positiven, spontanen Membrankrümmung den morphologischen Veränderungen zu Grunde liegen. Durch experimentelle und computergestützte Methoden konnte zunächst die Verteilung von F-azo in Membranen, die aus nur einer Komponente bestehen, quantifiziert werden. Der Verteilungskoeffizient aus molekular-dynamik Simulationen stimmte dabei mit den experimentellen Daten aus der Größenausschluss-Chromatographie überein. Im Anschluss bestimmten wir die Änderung der Membranfläche mit Hilfe von GUV-Verformung durch elektrische Felder, und konnten die Veränderung der lokalen und effektiven spontanen Membrankrümmung durch Beobachtung der Vesikelformen abschätzen. Um herauszufinden ob F-azo die laterale Verdichtung und Organisation von Membranlipiden moduliert, weitteten wir die Experimente auf mehr-komponenten Membranen aus. Diese sind durch die Koexistenz von Domänen zweier flüssiger Lipid-Phasen gekennzeichnet. Wir konnten sowohl das Auftreten von Domänen ungeordneter Lipidphasen in geordneten Lipidphasen beobachten, als auch die Entstehung homogener GUVs durch komplette Mischung beider Lipidphasen. Wir konnten zeigen, dass die unterschiedliche Beeinflussung der Domänen durch die Licht-induzierte Isomerisierung von F-azo dabei von der Zusammensetzung der Membranen abhängig ist. Mit den hier beschriebenen Ergebnissen legen wir einen Grundstein, für die lichtinduzierte Kontrolle über Membranenmorphologien sowie für die Foto-Modulation von Lipidphasen. KW - giant unilamellar vesicles KW - morphological changes KW - light KW - photoswitches KW - riesen unilamellare Vesikel KW - morphologischen Veränderungen KW - Licht KW - Fotoschalter Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-395309 ER - TY - THES A1 - Golly, Antonius T1 - Formation and evolution of channel steps and their role for sediment dynamics in a steep mountain stream T1 - Formation und Evolution von Bachstufen und ihr Einfluss auf die Sedimentdynamik eines steilen Gebirgseinzugsgebietes N2 - Steep mountain channels are an important component of the fluvial system. On geological timescales, they shape mountain belts and counteract tectonic uplift by erosion. Their channels are strongly coupled to hillslopes and they are often the main source of sediment transported downstream to low-gradient rivers and to alluvial fans, where commonly settlements in mountainous areas are located. Hence, mountain streams are the cause for one of the main natural hazards in these regions. Due to climate change and a pronounced populating of mountainous regions the attention given to this threat is even growing. Although quantitative studies on sediment transport have significantly advanced our knowledge on measuring and calibration techniques we still lack studies of the processes within mountain catchments. Studies examining the mechanisms of energy and mass exchange on small temporal and spatial scales in steep streams remain sparse in comparison to low-gradient alluvial channels. In the beginning of this doctoral project, a vast amount of experience and knowledge of a steep stream in the Swiss Prealps had to be consolidated in order to shape the principal aim of this research effort. It became obvious, that observations from within the catchment are underrepresented in comparison to experiments performed at the catchment’s outlet measuring fluxes and the effects of the transported material. To counteract this imbalance, an examination of mass fluxes within the catchment on the process scale was intended. Hence, this thesis is heavily based on direct field observations, which are generally rare in these environments in quantity and quality. The first objective was to investigate the coupling of the channel with surrounding hillslopes, the major sources of sediment. This research, which involved the monitoring of the channel and adjacent hillslopes, revealed that alluvial channel steps play a key role in coupling of channel and hillslopes. The observations showed that hillslope stability is strongly associated with the step presence and an understanding of step morphology and stability is therefore crucial in understanding sediment mobilization. This finding refined the way we think about the sediment dynamics in steep channels and motivated continued research of the step dynamics. However, soon it became obvious that the technological basis for developing field tests and analyzing the high resolution geometry measured in the field was not available. Moreover, for many geometrical quantities in mountain channels definitions and a clear scientific standard was not available. For example, these streams are characterized by a high spatial variability of the channel banks, preventing straightforward calculations of the channel width without a defined reference. Thus, the second and inevitable part of this thesis became the development and evaluation of scientific tools in order to investigate the geometrical content of the study reach thoroughly. The developed framework allowed the derivation of various metrics of step and channel geometry which facilitated research on the a large data set of observations of channel steps. In the third part, innovative, physically-based metrics have been developed and compared to current knowledge on step formation, suggested in the literature. With this analyses it could be demonstrated that the formation of channel steps follow a wide range of hydraulic controls. Due to the wide range of tested parameters channel steps observed in a natural stream were attributed to different mechanisms of step formation, including those based on jamming and those based on key-stones. This study extended our knowledge on step formation in a steep stream and harmonized different, often time seen as competing, processes of step formation. This study was based on observations collected at one point in time. In the fourth part of this project, the findings of the snap-shot observations were extended in the temporal dimension and the derived concepts have been utilized to investigate reach-scale step patterns in response to large, exceptional flood events. The preliminary results of this work based on the long-term analyses of 7 years of long profile surveys showed that the previously observed channel-hillslope mechanism is the responsible for the short-term response of step formation. The findings of the long-term analyses of step patterns drew a bow to the initial observations of a channel-hillslope system which allowed to join the dots in the dynamics of steep stream. Thus, in this thesis a broad approach has been chosen to gain insights into the complex system of steep mountain rivers. The effort includes in situ field observations (article I), the development of quantitative scientific tools (article II), the reach-scale analyses of step-pool morphology (article III) and its temporal evolution (article IV). With this work our view on the processes within the catchment has been advanced towards a better mechanistic understanding of these fluvial system relevant to improve applied scientific work. N2 - Gebirgsbäche sind stark gekoppelt mit angrenzenden Hängen, welche eine Hauptquelle von Sediment darstellen. Dieses Sediment wird durch erosive Prozesse weiter im fluvialen System stromabwärts transportiert, häufig auch in Bereiche alpiner Besiedlung. Das transportierte Sediment kann dort verheerende Schäden an Gebäuden und Infrastruktur anrichten. Daher stellen Gebirgsbäche eine Hauptursache für Naturgefahren in steilen Regionen dar, welche durch den Wandel des Klimas und die fortschreitende Besiedlung durch den Menschen noch verstärkt werden. Wenngleich quantitative Studien unser Wissen über Mess- und Kalibrierungstechniken zur Erfassung von Sedimenttransport erweitert haben, so sind doch viele Prozesse innerhalb der Einzugsgebiete in Hinblick auf Erosion und Sedimentverfügbarkeit weitgehend unerforscht. So stellen Beobachtungen von Mechanismen von Energie- und Massenaustausch auf kleinen räumlichen und zeitlichen Skalen innerhalb steiler Gebirgseinzugsgebiete eine Ausname dar. Diese Doktorarbeit basiert auf hoch-qualitativen Feldbeobachtungen in einem schweizer Gebirgsbach um Forschungsfragen in Hinblick auf die Sediementdyanmik zu behandeln. Das erste Ziel war es, die Gerinne-Hang-Kopplung zu erforschen und zu verstehen, um mögliche Sedimentquellen zu identifizieren, sowie die Mechanismen und Prozesse der Sedimentgenerierung in den Kontext der allgemeinen Dynamik von Gebirgsbächen zu bringen. Die erste Studie, welche auf visuellen Beobachtungen basiert, offenbarte eine Schlüsselrolle von Bachstufen in der Gerinne-Hang-Kopplung. Auf dieser Grundlage wurde ein konzeptuelles Modell entwickelt (Artikel I): durch die Erosion von Bachstufen werden angrenzende Hänge destabilisiert und ermöglichen anhaltenden Sedimenteintrag. Diese Forschung regte eine genauere Beobachtung der räumlichen und zeitlichen Evolution von Bachstufen an. Die weitere Forschung erforderte jedoch neue technologische Werkzeuge und Methoden welche zunächst in dieser Doktorarbeit eigens entwickelt wurden (Artikel II). Mit diesen Werkzeugen wurde dann ein Datensatz eingemessener Bachstufen in Hinblick auf den Formationsprozess analysiert (Artikel III). Mit dieser Analyse konnten verschiedene Stufenbildungstheorien überprüft und und zwei dominante Mechanismen verifiziert werden: Bachstufen formen sich in engen und verengenden Bachabchnitten durch Verklemmung, sowie in breiten und breiter werdenden Abschnitten durch die Ablagerung von Schlüsselsteinen. Durch diese Beobachtung wurde unser Wissen über Stufenbildung erweitert indem verschiedene hypothetisierte Mechanismen in einem Gebirgsbach harmonisiert wurden. Zu guter Letzt wurde diese Punktbeobachtung schließlich in den zeitlichen Kontext gesetzt, indem die Muster von Bachstufen über 7 Jahre nach einem hydrologischen Großereignis in 2010 untersucht wurden (Artikel IV). Die vorläufigen Ergebnisse zeigen, dass Großereignisse einen erheblichen Einfluss auf die Gerinnebreite haben: sowohl die räumlich gemittelte Gerinnebreite, als auch die mittlere Gerinnebreite an Bachstufen ist unmittelbar nach dem Großereignis deutlich erhöht. Weiterhin ist die relative Anzahl der Bachstufen welche durch Schlüsselsteine erzeugt werden größer nach dem Großereignis. Dies deutet darauf hin, dass der zuerst beobachtete Mechanismus der Gerinne-Hang-Kopplung (Artikel I) verantwortlich ist für die zeitliche Evolution der Bachstufen nach Großereignissen (Artikel IV). KW - Geomorphologie KW - geomorphology KW - Naturgefahren KW - natural hazards KW - Gebirgsbäche KW - mountain rivers KW - Geschiebetransport KW - bedload transport KW - Bachstufen KW - channel steps KW - Gerinne-Hang-Kopplung KW - channel-hillslope coupling Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-411728 ER - TY - THES A1 - Graglia, Micaela T1 - Lignin valorization T1 - Lignin Valorisierung BT - extraction, characterization and applications BT - Extraktion, Charakterisierung und Anwendungen N2 - The topic of this project is the use of lignin as alternative source of aromatic building blocks and oligomers to fossil feedstocks. Lignin is known as the most abundant aromatic polymer in nature and is isolated from the lignocellulosic component of plants by different possible extraction treatments. Both the biomass source and the extraction method affect the structure of the isolated lignin, therefore influencing its further application. Lignin was extracted from beech wood by two different hydrothermal alkaline treatments, which use NaOH and Ba(OH)2 as base and by an acid-catalyzed organosolv process. Moreover, lignin was isolated from bamboo, beech wood and coconut by soda treatment of the biomasses. A comparison of the structural features of such isolated lignins was performed through the use of a wide range of analytical methods. Alkaline lignins resulted in a better candidate as carbon precursor and macromonomers for the synthesis of polymer than organosolv lignin. In fact, alkaline lignins showed higher residual mass after carbonization and higher content of the reactive hydroxy functionalities. In contrast, the lignin source turned out to slightly affect the lignin hydroxyl content. One of the most common lignin modifications is its deconstruction to obtain aromatic molecules, which can be used as starting materials for the synthesis of fine chemicals. Lignin deconstruction leads to a complex mixture of aromatic molecules. A gas chromatographic analytical method was developed to characterize the mixture of products obtained by lignin deconstruction via heterogeneous catalytic hydrogenolysis. The analytical protocol allowed the quantification of three main groups of molecules by means of calibration curves, internal standard and a preliminary silylation step of the sample. The analytical method was used to study the influence of the hydrogenolysis catalyst, temperature and system (flow and batch reactor) on the yield and selectivity of the aromatic compounds. Lignin extracted from beech wood by a hydrothermal process using Ba(OH)2 as base, was functionalized by aromatic nitration in order to add nitrogen functionalities. The final goal was the synthesis of a nitrogen doped carbon. Nitrated lignin was reduced to the amino form in order to compare the influence of different nitrogen functionalities on the porosity of the final carbon. The carbons were obtained by ionothermal treatment of the precursors in the presence of the eutectic salt mixture KCl/ZnCl2 Such synthesized carbons showed micro-, macro- and mesoporosity and were tested for their electrocatalytic activity towards the oxygen reduction reaction. Mesoporous carbon derived from nitro lignin displayed the highest electrocatalytic activity. Lignins isolated from coconut, beech wood and bamboo were used as macromonomers for the synthesis of biobased polyesters. A condensation reaction was performed between lignin and a hyper branched poly(ester-amine), previously obtained by condensation of triethanolamine and adipic acid. The influence of the lignin source and content on the thermochemical and mechanical properties of the final material was investigated. The prepolymer showed adhesive properties towards aluminum and its shear strength was therefore measured. The gluing properties of such synthesized glues turned out to be independent from the lignin source but affected by the amount of lignin in the final material. This work shows that, although still at a laboratory scale, the valorization of lignin can overcome the critical issues of lignin´s structure variability and complexity. N2 - Das Thema dieser Arbeit ist Lignin als alternative Quelle für aromatische Moleküle einzusetzen, welche sonst aus fossilen Rohstoffen hergestellt werden. Lignin ist das am häufigsten vorkommende aromatische Polymer in der Natur. Es wird durch verschiedene Extraktionsmethoden aus pflanzlicher Lignocellulose isoliert. Sowohl der Rohstoff als auch das Extraktionsverfahren beeinflussen die Struktur des isolierten Lignins und bestimmen dadurch die weiteren Anwendungsmöglichkeiten. In der vorliegenden Arbeit die wurde Lignin durch zwei alkalisch hydrothermale Extraktionsmethoden aus Buchenholz extrahiert, wobei entweder NaOH oder Ba(OH)2 verwendet wurde. Eine dritte Methode bedient sich der sogenannten säuerekatalysierten Organosolv-Extraktion. Das Weiteren wurden drei Lignine durch eine Soda Extraktionsmethode aus Bambus, Buchenholz und Kokosnussschalen isoliert. Die Strukturen dieser wurden mit Hilfe verschiedener analytischer Techniken analysiert und verglichen. Während alkalische Lignine sich besser als Ausgangsstoff für poröse Kohlenstoffmaterialien und Makromonomere für die Synthese von Polymeren eignen, zeigen Lignine aus dem Organosolv Prozess weniger gute Eigenschaften hinsichtlich dieser Applikationen. Die bis heute häufigste Modifikation von Lignin beschäftigt sich mit der Aufschließung zu aromatischen Molekülen, welche die Grundlage für die weitere Herstellung von Chemikalien darstellen. Um die Aufschlussprodukte der Hydrogenolyse aus Lignin vergleichen zu können, wurde während dieser Arbeit wurde eine Gaschromatographiemethode entwickelt. In einem weiteren Schritt wurde isoliertes Lignin aus Buchenholzspänen durch Nitrierung mit zusätzlichem Stickstoff funktionalisiert. Das modifizierte Lignin konnte direkt al Präkursor für stickstoffdotierte kohlen dienen, welche mittels ionothermaler Synthese mit Hilfe von KCl/ZnCl2 als eutektischem Salz hergestellt wurden. Diese Materialien wurden erfolgreich in der Sauerstoffreduktion als Katalysator zum Einsatz gebracht. Die gewonnen Lignine aus Kokosnussschalen, Bambus und Buchenholz wurden als Makromonomere für die Herstellung von biobasiertem Polyester verwendet. Sowohl die thermochemischen als auch die mechanischen Eigenschaften wurden durch die unterschiedlichen Lignine der verschiedenen Pflanzen beeinflusst. Das hergestellte Polymer zeigte gute Eigenschaften als Biomass-basierter Kleber. Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Lignin, obwohl es eine sehr variable und komplexe Struktur aufweis, in verschiedenen Anwendungsbereichen zum Einsatz kommen kann, auch wenn diese bis heute nur im Labormaßstab verwirklicht wurden. KW - Lignin KW - biorefinery KW - biomass KW - Lignin KW - Biomasse KW - Bioraffinerie Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-104863 ER -