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Kolorektalkrebs (CRC) ist die dritthäufigste Tumorerkrankung weltweit. Neben dem Alter spielt auch die Ernährung eine wichtige Rolle bei der Entstehung der Krankheit. Eine vermutlich krebspräventive Wirkung wird dabei dem Spurenelement Selen zugeschrieben, das fast ausschließlich über Lebensmittel aufgenommen wird. So hängt beispielsweise ein niedriger Selenstatus mit dem Risiko, im Laufe des Lebens an CRC zu erkranken, zusammen. Seine Funktionen vermittelt Selen dabei überwiegend durch Selenoproteine, in denen es in Form von Selenocystein eingebaut wird. Zu den bisher am besten untersuchten Selenoproteinen mit möglicher Funktion während CRC zählen die Glutathionperoxidasen (GPXen). Die Mitglieder dieser Familie tragen aufgrund ihrer Hydroperoxid-reduzierenden Eigenschaften entscheidend zum Schutz der Zellen vor oxidativem Stress bei. Dies kann je nach Art und Stadium des Tumors entweder krebshemmend oder -fördernd wirken, da auch transformierte Zellen von dieser Schutzfunktion profitieren.
In dieser Arbeit wurde die GPX2 in HT29-Darmkrebszellen mithilfe stabil-transfizierter shRNA herunterreguliert, um die Funktion des Enzyms vor allem in Hinblick auf regulierte Signalwege zu untersuchen. Ein Knockdowns (KD) der strukturell ähnlichen GPX1 kam ebenfalls zum Einsatz, um gezielt Isoform-spezifische Funktionen unterscheiden zu können. Anhand eines PCR-Arrays wurden Signalwege identifiziert, die auf einen Einfluss der beiden Proteine im Zellwachstum hindeuteten. Anschließende Untersuchungen ließen auf einen verminderten Differenzierungsstatus in den GPX1- und GPX2-KDs aufgrund einer geringeren Aktivität der Alkalischen Phosphatase schließen. Zudem war die Zellviabilität im Neutralrot-Assay (NRU) bei Fehlen der GPX1 bzw. GPX2 im Vergleich zur Kontrolle reduziert. Die Ergebnisse des PCR-Arrays, und speziell für die GPX2 frühere Untersuchungen der Arbeitsgruppe, wiesen weiterhin auf eine Rolle der beiden Proteine in der entzündungsgetriebenen Karzinogenese hin. Daher wurden auch mögliche Interaktionen mit dem NFκB-Signalweg analysiert. Eine Stimulation der Zellen mit dem proinflammatorischen Zytokin IL1β ging mit einer verstärkten Aktivierung der MAP-Kinasen ERK1/2 in den Zellen mit GPX1- bzw. GPX2-KD einher. Die gleichzeitige Behandlung mit dem Antioxidans NAC führte nicht zur Rücknahme der Effekte in den KDs, sodass möglicherweise nicht nur die antioxidativen Eigenschaften der Enzyme bei der Interaktion mit diesen Signalwegsproteinen relevant sind.
Weiterhin wurden Analysen zum Substratspektrum der GPX2 in HCT116-Zellen mit einer Überexpression des Proteins durchgeführt. Dabei zeigte sich mittels NRU-Assay und DNA-Laddering, dass die GPX2 besonders vor den proapoptotischen Effekten einer Behandlung mit den Lipidhydroperoxiden HPODE und HPETE schützt.
Im Gegensatz zur GPX2 lässt sich Selenoprotein H (SELENOH) stärker durch die alimentäre Selenzufuhr beeinflussen. Einer möglichen Nutzung als Biomarker oder gar als Ansatzpunkt bei der Prävention bzw. Behandlung von CRC steht allerdings unvollständiges Wissen über die Funktion des Proteins gegenüber. Zur genaueren Charakterisierung von SELENOH wurden daher stabil-transfizierte KD-Klone in HT29- und Caco2-Zellen hergestellt und zunächst auf ihre Tumorigenität untersucht.
Zellen mit SELENOH-KD bildeten mehr und größere Kolonien im Soft Agar und zeigten ein erhöhtes Proliferations- und Migrationspotenzial im Vergleich zur Kontrolle.
Ein Xenograft in Nacktmäusen resultierte zudem in einer stärkeren Tumorbildung nach Injektion von KD-Zellen. Untersuchungen zur Beteiligung von SELENOH an der Zellzyklusregulation deuten auf eine hemmende Rolle des Proteins in der G1/S-Phase hin.
Die weiterhin beobachtete Hochregulation von SELENOH in humanen Adenokarzinomen und präkanzerösem Mausgewebe lässt sich möglicherweise mit der postulierten Schutzfunktion vor oxidativen Zell- und DNA-Schäden erklären. In gesunden Darmepithelzellen war das Protein vorrangig am Kryptengrund lokalisiert, was zu einer potenziellen Rolle während der gastrointestinalen Differenzierung passt.
Von einer Säkularisierung in einem Land wie Israel zu sprechen, wo die Religion offensichtlich einen wichtigen Teil des öffentlichen Lebens darstellt, scheint widersprüchlich zu sein. Doch Israel befindet sich bedingt durch Globalisierung, Pluralisierung und Modernisierung an einem Scheideweg. Teile der israelischen Gesellschaft säkularisieren sich bereits. Die religiöse orthodoxe Vorherrschaft scheint zu bröckeln. Kann jedoch deswegen von einem Mentalitätswandel oder einer Säkularisierung des Staates gesprochen werden? Kann ein Säkularisierungsprozess in Israel erfolgreich sein? Wie muss ein säkularer Staat beschaffen sein, um den unterschiedlichen religiösen Denominationen die gleichen Möglichkeiten zu bieten? Welche Rolle spielen dabei die jüdische Diaspora, Einwanderungen und gesellschaftliche Minderheiten? Ziel der vorliegenden Arbeit ist es diese Fragen zu erörtern. Auch wenn die enge Verknüpfung von Nation und Religion im Judentum eine Säkularisierung scheinbar unmöglich macht, so erlaubt unter Bezugnahme der Konzepte von Säkularismus und Nationalismus im Kontext der historischen Entwicklungen des Judentums eine differenziertere Betrachtung dieser Verknüpfung. Durch die Nutzung von unterschiedlichen qualitativen Methoden, wie der hermeneutischen Methode zur Betrachtung der verschiedenen theoretischen Begriffe und der Analyse des Verhältnisses von Nation und Religion im Judentum; der Nutzung von Zeitungsartikel zur Aufarbeitung der aktuellen Debatten in der israelischen Gesellschaft; der Auswertung von Statistiken; sowie der Durchführung von Experteninterviews erlauben einen vielseitigen Zugang zum Forschungsgegenstand. Letztendlich soll aufgezeigt werden, dass sich Israel zwar zunehmend säkularisiert, aber vor verschiedenen Herausforderungen, wie dem gesellschaftlichen Pluralismus, der instabilen Sicherheitslage, sowie einem zunehmenden religiösen Nationalismus steht.
Biological invasions are the dispersal and following establishment of species outside their native habitat. Due to globalisation, connectivity of regions and climate changes the number of invasive species and their successful establishment is rising. The impact of these species is mostly negative, can induce community and habitat alterations, and is one main cause for biodiversity loss. This impact is particularly high and less researched in aquatic systems and microbial organisms and despite the high impact, the knowledge about overall mechanisms and specific factors affecting invasions are not fully understood. In general, the characteristics of the habitat, native community and invader determine the invasiveness.
In this thesis, I aimed to provide a better understanding of aquatic invasions focusing on the invader and its traits and identity. This thesis used a set of 12 strains of the invasive cyanobacterium <i>Cylindrospermopsis raciborskii</i> to examine the effect and impact of the invaders’ identity and genetic diversity. Further, the effect of timing on the invasion potential and success was determined, because aquatic systems in particular undergo seasonal fluctuations.
Most studies revealed a higher invasion success with increasing genetic diversity. Here, the increase of the genetic diversity, by either strain richness or phylogenetic dissimilarity, is not firstly driving the invasion, but the strain-identity. The high variability among the strains in traits important for invasions led to the highly varying strain-specific invasion success. This success was most dependent on nitrogen uptake and efficient resource use. The lower invasion success into communities comprising further N-fixing species indicates <i>C. raciborskii</i> can use this advantage only without the presence of competitive species. The relief of grazing pressure, which is suggested to be more important in aquatic invasions, was only promoting the invasion when unselective and larger consumers were present. High abundances of unselective consumers hampered the invasion success.
This indicates a more complex and temporal interplay of competitive and consumptive resistance mechanisms during the invasion process. Further, the fluctuation abundance and presence of competitors (= primary producers) and consumers (= zooplankton) in lakes can open certain ‘invasion windows’.
Remarkably, the composition of the resident community was also strain-specific affected and altered, independent of a high or low invasion success. Prior, this was only documented on the species level. Further, investigations on the population of invasive strains can reveal more about the invasion patterns and how multiple strain invasions change resident communities.
The present dissertation emphasises the importance of invader-addition experiments with a community context and the importance of the strain-level for microbial invasions and in general, e.g. for community assemblies and the outcome of experiments. The strain-specific community changes, also after days, may explain some sudden changes in communities, which have not been explained yet. This and further knowledge may also facilitate earlier and less cost-intensive management to step in, because these species are rarely tracked until they reach a high abundance or bloom, because of their small size.
Concluded for <i>C. raciborskii</i>, it shows that this species is no ‘generalistic’ invader and its invasion success depends more on the competitor presence than grazing pressure. This may explain its, still unknown, invasion pattern, as <i>C. raciborskii</i> is not found in all lakes of a region.
Im Januar 1916 eroberte die Armee des Habsburgerreichs das Königreich Montenegro, den kleinsten und bevölkerungsärmsten Staat Südosteuropas, der an der Seite Serbiens in den Ersten Weltkrieg eingetreten war. Bereits im Sommer 1916 formierte sich bewaffneter Widerstand gegen die Besatzer, 1918 eskalierte dieser zu einer Aufstandsbewegung. Diese Studie zum k. u. k. Militärgeneralgouvernement in Montenegro macht deutlich, welche Relevanz (Fehl-)Einschätzungen und (Fehl-)Entscheidungen in Besatzungssituationen zukommt. Außerdem arbeitet sie die Bedeutung der Geografie des Besatzungsgebiets, des strategischen Kontexts der Besatzung sowie des soziokulturellen Referenzrahmens der Besatzer wie der Besetzten heraus.
Spatio-temporal data denotes a category of data that contains spatial as well as temporal components. For example, time-series of geo-data, thematic maps that change over time, or tracking data of moving entities can be interpreted as spatio-temporal data.
In today's automated world, an increasing number of data sources exist, which constantly generate spatio-temporal data. This includes for example traffic surveillance systems, which gather movement data about human or vehicle movements, remote-sensing systems, which frequently scan our surroundings and produce digital representations of cities and landscapes, as well as sensor networks in different domains, such as logistics, animal behavior study, or climate research.
For the analysis of spatio-temporal data, in addition to automatic statistical and data mining methods, exploratory analysis methods are employed, which are based on interactive visualization. These analysis methods let users explore a data set by interactively manipulating a visualization, thereby employing the human cognitive system and knowledge of the users to find patterns and gain insight into the data.
This thesis describes a software framework for the visualization of spatio-temporal data, which consists of GPU-based techniques to enable the interactive visualization and exploration of large spatio-temporal data sets. The developed techniques include data management, processing, and rendering, facilitating real-time processing and visualization of large geo-temporal data sets. It includes three main contributions:
- Concept and Implementation of a GPU-Based Visualization Pipeline.
The developed visualization methods are based on the concept of a GPU-based visualization pipeline, in which all steps -- processing, mapping, and rendering -- are implemented on the GPU. With this concept, spatio-temporal data is represented directly in GPU memory, using shader programs to process and filter the data, apply mappings to visual properties, and finally generate the geometric representations for a visualization during the rendering process. Data processing, filtering, and mapping are thereby executed in real-time, enabling dynamic control over the mapping and a visualization process which can be controlled interactively by a user.
- Attributed 3D Trajectory Visualization.
A visualization method has been developed for the interactive exploration of large numbers of 3D movement trajectories. The trajectories are visualized in a virtual geographic environment, supporting basic geometries such as lines, ribbons, spheres, or tubes. Interactive mapping can be applied to visualize the values of per-node or per-trajectory attributes, supporting shape, height, size, color, texturing, and animation as visual properties. Using the dynamic mapping system, several kind of visualization methods have been implemented, such as focus+context visualization of trajectories using interactive density maps, and space-time cube visualization to focus on the temporal aspects of individual movements.
- Geographic Network Visualization.
A method for the interactive exploration of geo-referenced networks has been developed, which enables the visualization of large numbers of nodes and edges in a geographic context. Several geographic environments are supported, such as a 3D globe, as well as 2D maps using different map projections, to enable the analysis of networks in different contexts and scales. Interactive filtering, mapping, and selection can be applied to analyze these geographic networks, and visualization methods for specific types of networks, such as coupled 3D networks or temporal networks have been implemented.
As a demonstration of the developed visualization concepts, interactive visualization tools for two distinct use cases have been developed. The first contains the visualization of attributed 3D movement trajectories of airplanes around an airport. It allows users to explore and analyze the trajectories of approaching and departing aircrafts, which have been recorded over the period of a month. By applying the interactive visualization methods for trajectory visualization and interactive density maps, analysts can derive insight from the data, such as common flight paths, regular and irregular patterns, or uncommon incidents such as missed approaches on the airport.
The second use case involves the visualization of climate networks, which are geographic networks in the climate research domain. They represent the dynamics of the climate system using a network structure that expresses statistical interrelationships between different regions. The interactive tool allows climate analysts to explore these large networks, analyzing the network's structure and relating it to the geographic background. Interactive filtering and selection enables them to find patterns in the climate data and identify e.g. clusters in the networks or flow patterns.
Der organisierte Fall
(2018)
Stefanie Büchner untersucht in ihrer qualitativ-explorativen Studie die Fallbearbeitung in drei Jugendämtern. Sie zeigt, dass sich die Bearbeitung von Fällen nur unzureichend verstehen lässt, wenn man Organisationen primär als Rahmen begreift oder auf ihre formale Logik reduziert. Vielmehr strukturieren Organisationen als soziale Systeme Fallbearbeitung modular. Fünf Module der Strukturierung stehen im Zentrum der Untersuchung: Wie werden Fälle arbeitsteilig bearbeitet und wie schlägt sich Organisation in der Zusammenarbeit mit Klientinnen und Klienten nieder? Wie lässt sich die unterschiedliche Relevanz von Standards beschreiben? Worin besteht die Herausforderung für Jugendämter, Hilfe und Eingriff zu verantworten und was dokumentiert sich in Dokumentation? Für die Beantwortung dieser Fragen plädiert die Autorin für ein komplexes, allgemeines und spezifisches Verständnis von Organisationen im Feld sozialer Hilfe.
Funktionelle Bauchschmerzen des Kindes betreffen die ganze Familie, wobei die Literatur insbesondere die Rolle der Eltern hervorhebt. Bisher wurden die Eltern jedoch primär als „critical behavioral agents“ (Palermo & Eccleston, 2009) gesehen, die einen Einfluss auf die Bauchschmerzen und Beeinträchtigung des Kindes ausüben. Untersuchungen der psychosozialen Auswirkungen der Bauchschmerzen und der Beeinträchtigung des Kindes auf die Eltern wurden bislang vernachlässigt (Palermo & Eccleston, 2009). Die Dissertation hatte daher zum Ziel, die Rolle der Eltern bei funktionellen Bauchschmerzen umfassend zu betrachten, indem sowohl schmerzbezogene Reaktionen der Eltern, als auch die psychosoziale Belastung der Eltern berücksichtigt und systematisch in Zusammenhang zu den Bauchschmerzen und der Beeinträchtigung des Kindes untersucht wurden. Zum anderen sollten durch Interventionsstudien Aussagen über die Veränderbarkeit spezifischer Belastungsmerkmale der Eltern und über das Wechselspiel zwischen der Ebene der Eltern und der Ebene des Kindes ermöglicht werden. Anhand von vier Studien sollten die Fragen beantworten werden 1) welche Faktoren die ärztliche Inanspruchnahme beeinflussen und welche besondere Relevanz dabei die Bewertungsprozesse der Eltern besitzen, 2) wie die psychosoziale Belastung der Eltern charakterisiert ist und durch welche Faktoren sie beeinflusst wird, 3) welche Veränderungen im Rahmen einer kindzentrierten verhaltenstherapeutischen Intervention auf Seiten der Eltern zu beobachten sind und 4) wie sich diese Veränderungen seitens der Eltern und seitens des Kindes gegenseitig beeinflussen.
Die deutsche Berufsausbildung hat in den vergangenen Jahren stark an Zuspruch verloren. Dies trifft insbesondere auch auf die duale kaufmännische Berufsausbildung zu. Galt sie vor einigen Jahren noch als ein möglicher Ausbildungsweg für leistungsstarke Schüler/-innen, präferieren diese heute zum großen Teil das Studium. Die wachsende Anzahl an Studienabbrechern belegt jedoch, dass dadurch auch Potenzial verloren geht, weil sich Jugendliche mit dem Studium für einen Ausbildungsweg entscheiden, der für sie nicht geeignet ist. Bisherige Bemühungen zur Etablierung alternativer Bildungswege wie zum Beispiel Berufsakademien weisen zwar Erfolge auf, basieren jedoch auf einem Konzept, das sich ausschließlich am Bedarf der Wirtschaft orientiert. Es ist jedoch die Überzeugung der Autorin, dass neue innovative Bildungswege auch die Bedürfnisse und Vorstellungen derjenigen berücksichtigen müssen, für die sie entworfen werden. Denn die Generation der heutigen Jugendlichen zeichnet sich dadurch aus, dass sie ein anderes Wertekonzept als ihre Vorgängergenerationen aufweist. Die Dissertation entwickelt daher ein Modell einer wirtschaftsorientierten Ausbildung, welches sich aus unterschiedlichen motivationstheoretischen Elementen ableitet und zugleich die Werte der Generation der heutigen Jugend-lichen berücksichtigt. Es umfasst sowohl die Anreiz-Beitrags-Theorie nach Barnard als auch die Inhalts-Erwartungstheorie nach Vroom. Zudem liegt ein Hauptaugenmerk dieser Arbeit auf der Anpassung der Zwei-Faktoren-Theorie nach Herzberg auf die heutige Zeit.
Empirisch basiert die Dissertation auf einem dreistufigen Untersuchungsdesign. Die erste Stufe umfasst eine quantitative Befragung von insgesamt 459 Abiturienten/-innen und 100 Studierenden. In der zweiten Stufe wurden 10 Studieren-de und 12 Abiturienten/-innen qualitativ befragt. Eine Validierung der Ergebnis-se erfolgte in der dritten Stufe mittels Experteninterviews. Das Ziel der empirischen Untersuchung bestand in der Überprüfung von vier Hypothesen als Basis zur Modellableitung:
Hypothese H1 - Flexibilität erhöht die Attraktivität einer wirtschaftsorientierten Ausbildung: Der Faktor Flexibilität wurde als ein relevanter Motivator für die Wahl eines Ausbildungsweges identifiziert. Jugendliche wollen sich heutzutage nicht sofort bzw. nicht zu früh festlegen müssen.
Hypothese H2 - Auslandsaufenthalte erhöhen die Attraktivität einer wirtschaftsorientierten Ausbildung: Es wurde bestätigt, dass Auslandsaufenthalte die Attraktivität einer wirtschaftsorientierten Ausbildung steigert, es besteht jedoch eine Reihe von Barrieren, die Jugendliche (obwohl sie den grundsätzlichen Vor-teil sehen) davon abhalten, einen Auslandsaufenthalt für sich selbst in Betracht zu ziehen.
Hypothese H3 - Das Aufzeigen einer Karriereperspektive erhöht die Attraktivität einer wirtschaftsorientierten Ausbildung: Für die Generation der heutigen Jugendlichen steht bezüglich der Wahl ihres Ausbildungsweges die Aussicht auf eine Tätigkeit im Vordergrund, die ein gesichertes Einkommen und somit ein gutes Leben ermöglicht und zudem aus ihrer Sicht eine gewisse Sinnhaftigkeit hat. Führungspositionen, in denen auch höhere Verantwortung übernommen wird, strebt nur eine Minderheit an.
Hypothese H4 - Zusätzliche monetäre Anreize erhöhen die Attraktivität einer wirtschaftsorientierten Ausbildung: Vergütungsbestandteile werden grundsätzlich nicht abgelehnt (das wäre auch irrational), haben jedoch auch nicht die Anreizfunktion, die ihr auf Basis der Voruntersuchung im Rahmen dieser Arbeit hätte unterstellt werden können. Für die Entscheidungsfindung bezüglich eines Ausbildungsweges spielen sie nur eine untergeordnete Rolle. Dennoch trägt die Vergütung zur Attraktivität eines Ausbildungsweges bei.
Basierend auf den zuvor genannten Ergebnissen wurde das Modell einer wirtschaftsorientieren Ausbildung abgeleitet, das sowohl horizontal als auch vertikal flexibel ist. Horizontale Flexibilität ist dadurch gegeben, dass innerhalb eines Ausbildungsjahres unterschiedliche Unternehmen und Branchen kennengelernt werden (Jahr 1 und Jahr 2). Eine Spezialisierung erfolgt erst in den späteren Ausbildungsjahren. Durch die Möglichkeit, nach jedem Ausbildungsjahr mit einem Abschluss ins Berufsleben zu wechseln und die Ausbildung gegebenenfalls zu einem späteren Zeitpunkt fortzusetzen, ist auch eine vertikale Flexibilität gegeben. Zudem bietet das Modell Studienabbrechern/-innen die Möglichkeit, im Ausbildungsjahr 2 bzw. 3 in die Ausbildung einzusteigen. Im Jahr 2 und/oder Jahr 3 sind Auslandsaufenthalte integriert. Diese werden fakultativ an-geboten. Bereits ab dem Jahr 1 besteht die Möglichkeit, Vorbereitungskurse zu belegen. Der hohen Bedeutung der Karriereperspektive wird im abgeleiteten Modell auf mehreren Ebenen Rechnung getragen. So werden nach jedem Ausbildungsjahr anerkannte Abschlüsse erreicht. Während diese in den Jahren 1 und 2 mit IHK-Abschlüssen gleichzusetzen sind, beginnen ab Jahr 3 die akademischen Graduierungen (Jahr 3 Bachelor, Jahr 4 Master). Die Vergütung wird Bestandteil einer wirtschaftsorientierten Ausbildung, wobei ihre Höhe mit Dauer der Ausbildung zunimmt.
Da mit der Einführung des Modells einer wirtschaftsorientierten Ausbildung die Überwindung von institutionellen Paradigmen und Schranken verbunden sind, erfolgte im Rahmen des Ausblicks der Arbeit eine weitere Expertenbefragung bezüglich seiner Umsetzbarkeit. Es setzt eine Beweglichkeit von institutioneller Seite voraus (hierbei insbesondere auch von den Kammern), die von der Mehr-zahl der Experten derzeit skeptisch gesehen wird. Die konzeptionelle Ausgestaltung findet grundsätzlichen Zuspruch, wobei in einigen Details, zum Beispiel in der Dauer der Ausbildung, noch Klärungsbedarf besteht.
Grundsätzlich schließen sich die Experten/-innen der Meinung der Autorin an, dass ein Sinneswandel in der deutschen Ausbildungslandschaft gewünscht und gefordert wird. Dies betrifft insbesondere auch den kaufmännischen Bereich. Diese Arbeit liefert mit dem Modell der wirtschaftsorientierten Ausbildung einen wichtigen Beitrag zur Diskussion über neue Ausbildungswege.
The utilization of lignin as renewable electrode material for electrochemical energy storage is a sustainable approach for future batteries and supercapacitors. The composite electrode was fabricated from Kraft lignin and conductive carbon and the charge storage contribution was determined in terms of electrical double layer (EDL) and redox reactions. The important factors at play for achieving high faradaic charge storage capacity contribute to high surface area, accessibility of redox sites in lignin and their interaction with conductive additives. A thinner layer of lignin covering the high surface area of carbon facilitates the electron transfer process with a shorter pathway from the active sites of nonconductive lignin to the current collector leading to the improvement of faradaic charge storage capacity.
Composite electrodes from lignin and carbon would be even more sustainable if the fluorinated binder can be omitted. A new route to fabricate a binder-free composite electrode from Kraft lignin and high surface area carbon has been proposed by crosslinking lignin with glyoxal. A high molecular weight of lignin is obtained to enhance both electroactivity and binder capability in composite electrodes. The order of the processing step of crosslinking lignin on the composite electrode plays a crucial role in achieving a stable electrode and high charge storage capacity. The crosslinked lignin based electrodes are promising since they allow for more stable, sustainable, halogen-free and environmentally benign devices for energy storage applications. Furthermore, improvement of the amount of redox active groups (quinone groups) in lignin is useful to enhance the capacity in lithium battery applications. Direct oxidative demethylation by cerium ammonium nitrate has been carried out under mild conditions. This proves that an increase of quinone groups is able to enhance the performance of lithium battery. Thus, lignin is a promising material and could be a good candidate for application in sustainable energy storage devices.
Nanoparticles (NPs) are particles between 1 and 100 nanometers in size. They have attracted enormous research interests owing to their remarkable physicochemical properties and potential applications in the optics, catalysis, sensing, electronics, or optical devices. The thesis investigates systems of NPs attached to planar substrates.
In the first part of the results section of the thesis a new method is presented to immobilize NPs. In many NP applications a strong, persistent adhesion to substrates is a key requirement. Up to now this has been achieved with various methods, which are not always the optimum regarding adhesion strength or applicability. We propose a new method which uses capillarity to enhance the binding agents in the contact area between NP and substrate. The adhesion strength resulting from the new approach is investigated in detail and it is shown that the new approach is superior to older methods in several ways.
The following section presents the optical visualization of nano-sized objects through a combination of thin film surface distortion and interference enhanced optical reflection microscopy. It is a new, fast and non-destructive technique. It not only reveals the location of NPs as small as 20nm attached to planar surfaces and embedded in a molecularly thin liquid film. It also allows the measurement of the geometry of the surface distortion of the liquid film. Even for small NPs the meniscus reaches out for micrometers, which is the reason why the NPs produce such a pronounced optical footprint.
The nucleation and growth of individual bubbles is presented in chapter 5. Nucleation is a ubiquitous natural phenomenon and of great importance in numerous industrial processes. Typically it occurs on very small scales (nanometers) and it is of a random nature (thermodynamics of small systems). Up to now most experimental nucleation studies deal with a large number of individual nucleation processes to cope with its inherently statistical, spatio-temporal character. In contrast, in this thesis the individual O2-bubble formation from single localized platinum NP active site is studied experimentally. The bubble formation is initiated by the catalytic reaction of H2O2 on the Pt surface. It is studied how the bubble nucleation and growth depends on the NP size, the H2O2 concentration and the substrate surface properties. It is observed that in some cases the bubbles move laterally over the substrate surface, driven by the O2-production and the film ablation.
Human actuation
(2018)
Ever since the conception of the virtual reality headset in 1968, many researchers have argued that the next step in virtual reality is to allow users to not only see and hear, but also feel virtual worlds. One approach is to use mechanical equipment to provide haptic feedback, e.g., robotic arms, exoskeletons and motion platforms. However, the size and the weight of such mechanical equipment tends to be proportional to its target’s size and weight, i.e., providing human-scale haptic feedback requires human-scale equipment, often restricting them to arcades and lab environments.
The key idea behind this dissertation is to bypass mechanical equipment by instead leveraging human muscle power. We thus create software systems that orchestrate humans in doing such mechanical labor—this is what we call human actuation. A potential benefit of such systems is that humans are more generic, flexible, and versatile than machines. This brings a wide range of haptic feedback to modern virtual reality systems.
We start with a proof-of-concept system—Haptic Turk, focusing on delivering motion experiences just like a motion platform. All Haptic Turk setups consist of a user who is supported by one or more human actuators. The user enjoys an interactive motion simulation such as a hang glider experience, but the motion is generated by those human actuators who manually lift, tilt, and push the user’s limbs or torso. To get the timing and force right, timed motion instructions in a format familiar from rhythm games are generated by the system.
Next, we extend the concept of human actuation from 3-DoF to 6-DoF virtual reality where users have the freedom to walk around. TurkDeck tackles this problem by orchestrating a group of human actuators to reconfigure a set of passive props on the fly while the user is progressing in the virtual environment. TurkDeck schedules human actuators by their distances from the user, and instructs them to reconfigure the props to the right place on the right time using laser projection and voice output.
Our studies in Haptic Turk and TurkDeck showed that human actuators enjoyed the experience but not as much as users. To eliminate the need of dedicated human actuators, Mutual Turk makes everyone a user by exchanging mechanical actuation between two or more users. Mutual Turk’s main functionality is that it orchestrates the users so as to actuate props at just the right moment and with just the right force to produce the correct feedback in each other's experience.
Finally, we further eliminate the need of another user, making human actuation applicable to single-user experiences. iTurk makes the user constantly reconfigure and animate otherwise passive props. This allows iTurk to provide virtual worlds with constantly varying or even animated haptic effects, even though the only animate entity present in the system is the user. Our demo experience features one example each of iTurk’s two main types of props, i.e., reconfigurable props (the foldable board from TurkDeck) and animated props (the pendulum).
We conclude this dissertation by summarizing the findings of our explorations and pointing out future directions. We discuss the development of human actuation compare to traditional machine actuation, the possibility of combining human and machine actuators and interaction models that involve more human actuators.
This project was focused on exploring the phase behavior of poly(styrene)187000-block-poly(2-vinylpyridine)203000 (SV390) with high molecular weight (390 kg/mol) in thin films, in which the self-assembly of block copolymers (BCPs) was realized via thermo-solvent annealing. The advanced processing technique of solvent vapor treatment provides controlled and stable conditions.
In Chapter 3, the factors to influence the annealing process and the swelling behavior of homopolymers are presented and discussed. The swelling behavior of BCP in films is controlled by the temperature of the vapor and of the substrate, on one hand, and variation of the saturation of the solvent vapor atmosphere (different solvents), on the other hand. Additional factors like the geometry and material of the chamber, the type of flow inside the chamber etc. also influence the reproducibility and stability of the processing. The slightly selective solvent vapor of chloroform gives 10% more swelling of P2VP than PS in films with thickness of ~40 nm.
The tunable morphology in ultrathin films of high molecular weight BCP (SV390) was investigated in Chapter 4. First, the swelling behavior can be precisely tuned by temperature and/or vapor flow separately, which provided information for exploring the multiple-parameter-influenced segmental chain mobility of polymer films. The equilibrium state of SV390 in thin films influenced by temperature was realized at various temperatures with the same degree of swelling. Various methods including characterization with SFM, metallization and RIE were used to identify the morphology of films as porous half-layer with PS dots and P2VP matrix. The kinetic investigations demonstrate that on substrates with either weak or strong interaction the original morphology of the BCP with high molecular weight is changed very fast within 5 min, and the further annealing serves for annihilation of defects.
The morphological development of symmetric BCP in films with thickness increasing from half-layer to one-layer influenced by confinement factors of gradient film thicknesses and various surface properties of substrates was studied in Chapter 5. SV390 and SV99 films show bulk lamella-forming morphology after slightly selective solvent vapor (chloroform) treatment. SV99 films show cylinder-forming morphology under strongly selective solvent vapor (toluene) treatment since the asymmetric structure (caused by toluene uptake in PS blocks only) of SV99 block copolymer during annealing. Both kinds of morphology (lamella and cylinder) are influenced by the film thickness. The annealed morphology of SV390 and SV99 influenced by the combination of confined film and substrate property is similar to the morphology on flat silicon wafers. In this chapter the gradients in the film thickness and surface properties of the substrates with regard to their influence on the morphological development in thin BCP films are presented. Directed self-assembly (graphoepitaxy) of this SV390 was also investigated to compare with systematically reported SV99.
In Chapter 6 an approach to induced oriented microphase separation in thick block copolymer films via treatment with the oriented vapor flow using mini-extruder is envisaged to be an alternative to existing methodologies, e.g. via non-solvent-induced phase separation. The preliminary tests performed in this study confirm potential perspective of this method, which alters the structure through the bulk of the film (as revealed by SAXS measurements), but more detailed studies have to be conducted in order to optimize the preparation.
Nanophotonics is the field of science and engineering aimed at studying the light-matter interactions on the nanoscale. One of the key aspects in studying such optics at the nanoscale is the ability to assemble the material components in a spatially controlled manner. In this work, DNA origami nanostructures were used to self-assemble dye molecules and DNA coated plasmonic nanoparticles. Optical properties of dye nanoarrays, where the dyes were arranged at distances where they can interact by Förster resonance energy transfer (FRET), were systematically studied according to the size and arrangement of the dyes using fluorescein (FAM) as the donor and cyanine 3 (Cy 3) as the acceptor. The optimized design, based on steady-state and time-resolved fluorometry, was utilized in developing a ratiometric pH sensor with pH-inert coumarin 343 (C343) as the donor and pH-sensitive FAM as the acceptor. This design was further applied in developing a ratiometric toxin sensor, where the donor C343 is unresponsive and FAM is responsive to thioacetamide (TAA) which is a well-known hepatotoxin. The results indicate that the sensitivity of the ratiometric sensor can be improved by simply arranging the dyes into a well-defined array. The ability to assemble multiple fluorophores without dye-dye aggregation also provides a strategy to amplify the signal measured from a fluorescent reporter, and was utilized here to develop a reporter for sensing oligonucleotides. By incorporating target capturing sequences and multiple fluorophores (ATTO 647N dye molecules), a reporter for microbead-based assay for non-amplified target oligonucleotide sensing was developed. Analysis of the assay using VideoScan, a fluorescence microscope-based technology capable of conducting multiplex analysis, showed the DNA origami nanostructure based reporter to have a lower limit of detection than a single stranded DNA reporter. Lastly, plasmonic nanostructures were assembled on DNA origami nanostructures as substrates to study interesting optical behaviors of molecules in the near-field. Specifically, DNA coated gold nanoparticles, silver nanoparticles, and gold nanorods, were placed on the DNA origami nanostructure aiming to study surface-enhanced fluorescence (SEF) and surface-enhanced Raman scattering (SERS) of molecules placed in the hotspot of coupled plasmonic structures.
Ceauşescus Polizei
(2018)
Das Buch behandelt die gesellschaftliche Wirkung der sozialistischen Volkspolizei, indem es offizielle Bilder derselben in den Jahren vor dem Ceaușescu-Regime und während desselben mit Vorstellungen vergleicht, die in der Bevölkerung von der Polizei bestanden. Damit enthüllt das Buch zugleich das Verhältnis zwischen dem staatlichen Ordnungsdiskurs und einem Gegendiskurs, der ansatzweise sogar vor 1989 stattgefunden hat. Vorrangiges Ziel ist ein klareres Verständnis des (De-)Legitimierungsprozesses des Regimes. Eine Interdependenz der beiden Diskurse, so die Grundaussage des Buches, diente zunächst der Stabilitätsphase des politischen Regimes, bedingte später dann aber zum Teil den schrittweisen Kollaps seiner Herrschaft in Rumänien. In einem weiteren Sinne untermauern die Erkenntnisse über die Entzauberung des sozialistischen "Ordnungshüters" das bessere Verstehen der allgemeinen sozialpolitischen Ernüchterung in Mittelost- und Südosteuropa gegen 1989 hin. Zahlreiche Widersprüche auf der Ebene der Repräsentation untermauern die Hypothese einer De-Legitimation der Volkspolizei als Institution und nicht zuletzt deshalb im Weiteren des politischen Regimes im Allgemeinen.
Microswimmers, i.e. swimmers of micron size experiencing low Reynolds numbers, have received a great deal of attention in the last years, since many applications are envisioned in medicine and bioremediation. A promising field is the one of magnetic swimmers, since magnetism is biocom-patible and could be used to direct or actuate the swimmers. This thesis studies two examples of magnetic microswimmers from a physics point of view.
The first system to be studied are magnetic cells, which can be magnetic biohybrids (a swimming cell coupled with a magnetic synthetic component) or magnetotactic bacteria (naturally occurring bacteria that produce an intracellular chain of magnetic crystals). A magnetic cell can passively interact with external magnetic fields, which can be used for direction. The aim of the thesis is to understand how magnetic cells couple this magnetic interaction to their swimming strategies, mainly how they combine it with chemotaxis (the ability to sense external gradient of chemical species and to bias their walk on these gradients). In particular, one open question addresses the advantage given by these magnetic interactions for the magnetotactic bacteria in a natural environment, such as porous sediments. In the thesis, a modified Active Brownian Particle model is used to perform simulations and to reproduce experimental data for different systems such as bacteria swimming in the bulk, in a capillary or in confined geometries. I will show that magnetic fields speed up chemotaxis under special conditions, depending on parameters such as their swimming strategy (run-and-tumble or run-and-reverse), aerotactic strategy (axial or polar), and magnetic fields (intensities and orientations), but it can also hinder bacterial chemotaxis depending on the system.
The second example of magnetic microswimmer are rigid magnetic propellers such as helices or random-shaped propellers. These propellers are actuated and directed by an external rotating magnetic field. One open question is how shape and magnetic properties influence the propeller behavior; the goal of this research field is to design the best propeller for a given situation. The aim of the thesis is to propose a simulation method to reproduce the behavior of experimentally-realized propellers and to determine their magnetic properties. The hydrodynamic simulations are based on the use of the mobility matrix. As main result, I propose a method to match the experimental data, while showing that not only shape but also the magnetic properties influence the propellers swimming characteristics.
Synthesis of artificial building blocks for sortase-mediated ligation and their enzymatic linkage
(2018)
The enzyme Sortase A catalyzes the formation of a peptide bond between the recognition sequence LPXTG and an oligoglycine. While manifold ligations between proteins and various biomolecules, proteins and small synthetic molecules as well as proteins and surfaces have been reported, the aim of this thesis was to investigate the sortase-catalyzed linkage between artificial building blocks. Hence, this could pave the way for the use of sortase A for tasks from a chemical point of view and maybe even materials science.
For the proof of concept, the studied systems were kept as simple as possible at first by choosing easily accessible silica NPs and commercially available polymers. These building blocks were functionalized with peptide motifs for sortase-mediated ligation. Silica nanoparticles were synthesized with diameters of 60 and 200 nm and surface modified with C=C functionalities. Then, peptides bearing a terminal cysteine were covalently linked by means of a thiol-ene reaction. 60 nm SiO2 NPs were functionalized with pentaglycines, while peptides with LPETG motif were linked to 200 nm silica particles. Polyethyleneglycol (PEG) and poly(N isopropylacrylamide) (PNIPAM) were likewise functionalized with peptides by thiol-ene reaction between cysteine residues and C=C units in the polymer end groups. Hence, G5-PEG and PNIPAM-LPETG conjugates were obtained. With this set of building blocks, NP–polymer hybrids, NP–NP, and polymer–polymer structures were generated by sortase-mediated ligation and the product formation shown by transmission electron microscopy, MALDI-ToF mass spectrometry and dynamic light scatting, among others. Thus, the linkage of these artificial building blocks by the enzyme sortase A could be demonstrated.
However, when using commercially available polymers, the purification of the polymer–peptide conjugates was impossible and resulted in a mixture containing unmodified polymer. Therefore, strategies were developed for the own synthesis of pure peptide-polymer and polymer-peptide conjugates as building blocks for sortase-mediated ligation. The designed routes are based on preparing polymer blocks via RAFT polymerization from CTAs that are attached to N- or C-terminus, respectively, of a peptide. GG-PNIPAM was synthesized through attachment of a suitable RAFT CTA to Fmoc-GG in an esterification reaction, followed by polymerization of NIPAM and cleavage of the Fmoc protection group. Furthermore, several peptides were synthesized by solid-phase peptide synthesis. The linkage of a RAFT CTA (or
polymerization initiator) to the N-terminus of a peptide can be conducted in an automated fashion as last step in a peptide synthesizer. The synthesis of such a conjugate couldn’t be realized in the time frame of this thesis, but many promising strategies exist to continue this strategy using different coupling reagents. Such polymer building blocks can be used to synthesize protein-polymer conjugates catalyzed by sortase A and the approach can be carried on to the synthesis of block copolymers by using polymer blocks with peptide motifs on both ends.
Although the proof of concept demonstrated in this thesis only shows examples that can be also synthesized by exclusively chemical techniques, a toolbox of such building blocks will enable the future formation of new materials and pave the way for the application of enzymes in materials science. In addition to nanoparticle systems and block copolymers, this also includes combination with protein-based building blocks to form hybrid materials. Hence, sortase could become an enzymatic tool that complements established chemical linking technologies and provides specific peptide motifs that are orthogonal to all existing chemical functional groups.