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Driven by rapid technological advancements, the amount of data that is created, captured, communicated, and stored worldwide has grown exponentially over the past decades. Along with this development it has become critical for many disciplines of science and business to being able to gather and analyze large amounts of data. The sheer volume of the data often exceeds the capabilities of classical storage systems, with the result that current large-scale storage systems are highly distributed and are comprised of a high number of individual storage components. As with any other electronic device, the reliability of storage hardware is governed by certain probability distributions, which in turn are influenced by the physical processes utilized to store the information. The traditional way to deal with the inherent unreliability of combined storage systems is to replicate the data several times. Another popular approach to achieve failure tolerance is to calculate the block-wise parity in one or more dimensions. With better understanding of the different failure modes of storage components, it has become evident that sophisticated high-level error detection and correction techniques are indispensable for the ever-growing distributed systems. The utilization of powerful cyclic error-correcting codes, however, comes with a high computational penalty, since the required operations over finite fields do not map very well onto current commodity processors. This thesis introduces a versatile coding scheme with fully adjustable fault-tolerance that is tailored specifically to modern processor architectures. To reduce stress on the memory subsystem the conventional table-based algorithm for multiplication over finite fields has been replaced with a polynomial version. This arithmetically intense algorithm is better suited to the wide SIMD units of the currently available general purpose processors, but also displays significant benefits when used with modern many-core accelerator devices (for instance the popular general purpose graphics processing units). A CPU implementation using SSE and a GPU version using CUDA are presented. The performance of the multiplication depends on the distribution of the polynomial coefficients in the finite field elements. This property has been used to create suitable matrices that generate a linear systematic erasure-correcting code which shows a significantly increased multiplication performance for the relevant matrix elements. Several approaches to obtain the optimized generator matrices are elaborated and their implications are discussed. A Monte-Carlo-based construction method allows it to influence the specific shape of the generator matrices and thus to adapt them to special storage and archiving workloads. Extensive benchmarks on CPU and GPU demonstrate the superior performance and the future application scenarios of this novel erasure-resilient coding scheme.
During my thesis, I worked on two different membrane proteins. One is a bacterial secondary transporter and the second is a human mitochondrial calcium channel.
The first part of my thesis involves the structural and biochemical characterization of an L-carnitine/ γ-butyrobetaine antiporter from bacteria called CaiT. The aim of the project was to understand the Na+ independence of CaiT and to determine the crystal structures of CaiT in different conformations to expand the mechanistic understanding of substrate/ product antiport in CaiT.
The study revealed how a positively charged amino acid side chain (arginine 262) in CaiT could structurally and functionally mimic a sodium ion. Additionally, various crystal structures of CaiT obtained in this study demonstrate that the central substrate-binding site is highly dynamic and can accommodate the substrate in various orientations.
In the second part of my thesis, I was able to optimize the expression and purification conditions for the human mitochondrial calcium uniporter or the MCU. Understanding how this channel functions can help us unravel the mechanism of calcium uptake by mitochondria. Secondary structure prediction analysis in combination with mass spectrometry of degraded MCU products obtained during the purification of the full-length protein led to the identification of a stable MCU construct. This study resulted in the successful purification of milligram quantities of stable MCU protein for the first time. Further optimization may be required to obtain more homogenous protein that is amenable for crystallization.
Franz Th. Schuett hat ein umfangreiches und eigenstaendiges Werk geschaffen. Er kopierte keinen Kuenstler und blieb sich treu. Er war nicht innovativ, aber in seinem Rahmen war er wandlungsfaehig. Trotz aller positiver und kulturell stimulierenden Einfluessen und namhafter Lehrer in den Anfangsjahren, blieb bei ihm die Kreativitaet, sicherlich auch wegen Flucht und Vertreibung, auf der Strecke.Es gibt Anlehnungen im Fruehwerk an den veristischen Fluegel der Neuen Sachlichkeit. Motivisch war er nicht so praegnant wie seine Vorbilder Dix, Schlichter und Grosz. In der Strichfuehrung im Fruehwerk aehnelte er George Grosz. Er arbeitete zeitgemaess. In den Kriegsjahren bzw. bis 1947 erarbeitete er sich die Aquarelltechnik. Es entstanden stimmungsvolle Landschaftsbilder. Es stellte sich heraus, das unkontrollierbare der Technik lag ihm nicht, er war und blieb Zeichner. In den 50er Jahren probierte er verschiedene Zeichenmethoden. Ab 1954 bis 1959 versuchte er noch einmal einen Anlauf mit dem Kolorit und es entstanden stark farbige Temperablaetter, die neben realistischen Bildentwuerfen auch surreale Szenen beinhalteten. Erst in den 60er Jahren fand er wieder zu einer zeitgenössischen Ausdruckskraft. Er setzte nun seit den 30er Jahren erstmals wieder seine Motive in Oeltechnik um. Von 1938 bis 1960 musste er erneut einen zeitgenössischen Ausdruck entwickeln. Die allgemein vielfaeltigen realistischen Kunstrichtungen ab den 60er Jahren verhalfen seinem leicht sozialkritischen Realismus zum Durchbruch. Die nun beginnenden haeufigen Ausstellungen --ob Einzel- oder Beteiligungen – zeigten, dass er sich in der regionalen Kunstszene durchsetzte. Dieser Erfolg hielt bis zu seinem Lebensende 1990 an. In den 70er Jahren produzierte er weniger Bildwerke, aber in keinem Jahrzehnt nahm er an so vielen Ausstellungen teil. Es entstanden nun vermehrt Landschaften und er machte sich Gedanken zur Umweltproblematik. Er entwarf einiger Bilder zu dieser Thematik. Auch besann er sich auf fruehere Motive. Diese Rueckgriffe wurden aber weiter durchdacht. In den 80er Jahren entstanden weitflaechige, grosszuegige und von warmem Licht umhuellte Landschaften, die an Hopper erinnern können. Im Gegensatz zu frueheren Arbeiten hatte er endlich die kleinteiligen Strukturen und Dekors abgelegt und sich in diesem Jahrzehnt zum ersten Mal mit dem Licht und seinen Reflexen auseinandergesetzt. Er öffnete den Hintergrund in diesen Landschaften. In frueheren Perioden war selbst bei panorama-artigen Komposition der Landschaft der Bildhintergrund verriegelt. Die Arbeiten wirkten spröde, da er die Landschaft als Struktur oder Ornament sah. Die Bestaetigung seiner Arbeiten, die er in seinen letzten Jahren erfahren hatte, lenkte ihn zu solch harmonischen Oelbildern. Das Motiv der Dirnen -- seine frivolen Maedchen -- durchzieht sein gesamtes Werk. In der Art, wie er sie darstellte in seiner Formsprache, in ihrer Ueppigkeit und ihrer unbeschwerten Ausstrahlung, waren sie seine Bildschöpfung. Auch sie waren in den einzelnen Werkperioden einer Entwicklung unterlegen. Zu Anfang schienen sie unbeschwert und in den 60er und 70er Jahren stellte er sie dann dick, feist und mit bösem Gesichtsausdruck dar. In den 70ern reizte ihn das Motiv weniger, da er seine Damen nun aelter werden liess. Die Gesichter wurden verschlossener und abweisender abgebildet und Mitte der 70er Jahre wichen sie den Puppendarstellungen. Sein Realismus war keine beissende Anklage, keine vordergruendige, eher eine unterschwellige Kritik. Er kritisierte die Eitelkeit und Ruecksichtslosigkeit der Menschen. Er dachte und fuehlte mit den Schwaecheren unserer Gesellschaft. In vielen Arbeiten lag ein melancholischer Tenor, sodass er beim Betrachter Mitleid fuer die gezeigten Verhaeltnisse erweckte. So erweist sich Schuett als Nachfahre der Spaetexpressionisten, die ihre Kunst als ein aufklaerendes Medium verstanden. Schuett war zu Lebzeiten kein verschollener oder vergessener Kuenstler. Aber nachdem ein Grossteil seines Werkes in den Depots der Museen liegt, droht seinem Werk und damit ihm die Vergessenheit. Vielleicht kann diese Aufarbeitung des Werkes von Franz Th. Schuett den musealen Institutionen Anlass sein, ihm wieder -- vielleicht zu seinem 100. Geburtstag im Jahre 2008 -- eine Wuerdigung erfahren zu lassen.
Die 500 Seiten dieser Dissertation sind den Munsee gewidmet, einer Algonkin-Gruppe aus dem Nordosten der USA. Ihr heimatliches Siedlungsgebiet lag in einer Region, die heute von Metropolen wie New York und Philadelphia beherrscht wird. In der Forschung wurde bisher kaum berücksichtigt, wie ihr Rückzug aus dem Hudson- und Delaware Tal quer über den amerikanischen Kontinent verlaufen ist. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt daher auf den Migrationsrouten der Munsee in Richtung des westlichen New York, nach Kansas, Wisconsin und Ontario. Auch wird der Frage nachgegangen, welche Strategien diese Ost-Algonkin verfolgten, um während jener Phase ihrer Geschichte physisch und kulturell zu überleben. Manche Antworten waren nur in unveröffentlichten Materialien zu finden, wie z.B. den deutschsprachigen Aufzeichnungen der Herrnhuter Missionare. Sie belegen den Aktionsradius einzelner Bands und dokumentieren das Trauma von Krieg, Hunger und Heimatlosigkeit. Regierungsagenten des Office of Indian Affairs haben ebenfalls handschriftliche Korrespondenz hinterlassen, die Einsichten in die ökonomischen und legalen Probleme der Munsee während des 19. Jahrhunderts gewähren. In den einführenden Kapiteln wird die Situation der Munsee-Vorfahren beschrieben, die sich schon früh in Kolonialkriegen mit holländischen und britischen Einwanderen auseinander setzen mussten, bis sich die Überlebenden schließlich im 18. Jahrhundert nach Westen orientierten. Kapitel 3 bis 6 beschreiben die Überlebensstrategien der Munsee nach dem Verlust ihres Siedlungsgebietes. Die Migranten schufen sich durch langjährige Kontakte mit irokesischen Gruppen wie Seneca und Cayuga als auch mit sprachlich verwandten Algonkin-Gruppen von Mahican, Shawnee und Miami ein soziales Netzwerk, das bis in das Gebiet der westlichen Großen Seen hinein reichte. Die Autorin entwirft hier die Hypothese, dass intertribale Kontakte der Munsee vorwiegend auf der Klanebene stattfanden. Es konnten Hinweise gefunden werden, dass sich Mitglieder von Klanen verwandter Tiereponyme gegenseitige Hilfestellung gaben und gesellschaftlichen Konsens anstrebten. Im Laufe der Untersuchung wird deutlich, dass eine Gruppe verwandter Klane, hier Phratrie genannt, charakteristische sozio-kulturelle Vorgehensweisen entwickelte. Somit definierten Phratrien ein quasi-"nationales" Zusammengehörigkeitsgefühl, das überlebenswichtiger war als die jeweilige Stammeszugehörigkeit. In den Kapiteln 7 bis 10 wird die Fragilität dieses Gesellschaftssystems während der Vertragsperiode dargelegt. Seit sie die Atlantikstaaten verlassen hatten, waren die Munsee aus Sicht der Kolonialregierungen ohne Landbasis. Keinesfalls erkannten die USA oder Kanada intertribale Phratrienverwandtschaften an. Mit der Einrichtung von Reservationen wurden die Familienverbände der Munsee als "Gäste anderer Stämme" statt als deren adoptierte und integrierte Mitglieder anerkannt. Sie erhielten weder Anteile an finanziellen Entschädigungen ihrer "Gastgeber", noch konnten sie Versorgungsansprüche während der Deportationen geltend machen. Um 1840 entschieden daher die verstreuten Bands, traditionelle Pfade zu verlassen und für "die Nation der Munsee" eine Reservation im heutigen Kansas zu fordern. Im Anhang der Arbeit ist eine Petition aus dem Jahre 1849 beigefügt, welche die sog. Kansas-Munsee an den damaligen Präsidenten der Vereinigten Staaten, Zachary Taylor, schrieben. Dieses Dokument dient hier als Grundlage, die Hintergründe der Auseinandersetzungen der Munsee mit den zuständigen Behörden wie auch die zweifelhafte Rolle von Agenten und Missionaren ausführlicher zu untersuchen. Nachdem der Zusammenschluss aller Bands auf einer gemeinsamen Reservation missglückt war, verlagerten sich die Aktionen der Munsee im späten 19. Jahrhundert von der politischen auf die spirituelle Ebene. Nun nahmen die Munsee der Wolfs- und Truthahn-Phratrie in der Big House Ceremony als zentraler Jahresfeier eine führende Rolle ein. Ihr Engagement gewährleistete ein soziales Kontinuum und prägte ihr Bild als "Traditionalisten und Bewahrer der Kultur". Mit Beginn des 20. Jahrhunderts standen alle Munsee-Gruppen vor weiteren legalen Problemen. Ungelöste Landrechtsfragen, Hoffnung auf staatliche Anerkennung und das unklare Verhältnis zu den Delaware, lösten erneute Diskussionen um ihre Ethnizität aus. Doch die "Kern"-Identität als Mitglied einer Phratrie, die schon das Leben in der Heimatregion bestimmt und die Kontaktaufnahme zu anderen Stämmen während der Migration geprägt hatte, blieb bis zum Niedergang des Klanwesens von Bedeutung. Eigene Feldforschung bei heutigen Stammesmitgliedern zeigt auf, dass Reminiszenzen an dieses Klan/Phratrien-Konzept noch immer vorhanden sind. Die vorliegende Arbeit gewährt neue Einsichten in den komplementären Prozess von Migrationsgeschichte und ethnischer Identität, und darüber hinaus, einen wichtigen Beitrag zur Algonkin-Forschung.
In jüngster Zeit werden vom humanen Immundefizienzvirus-1-abgeleitete lentivirale Vektoren auch in der Gentherapie eingesetzt. Obwohl diese Vektoren nicht-mitotische Zellen transduzieren können, sind sie für einen Gentransfer in primäre ruhende Zellen oft nicht geeignet. In der Abteilung „Medizinische Biotechnologie“ des Paul-Ehrlich-Insituts wurde ein vom simianen Immundefizienzvirus SIVsmmPBj-abgeleiteter lentiviraler Vektor entwickelt, welcher im Gegensatz zu HIV-1-abgeleiteten Vektoren effizient in der G0-Phase des Zellzyklus arretierte humane Fibroblasten und humane primäre Monozyten transduzieren kann (Mühlebach et al., 2005). Im dieser Arbeit wurde das Potenzial dieses neuen Vektors für mögliche Anwendungen in der Gentherapie untersucht, indem seine Transduktionsfähigkeit für weitere primäre Zellen bestimmt wurde. Dabei waren humane hämatopoetische Stammzellen von besonderem Interesse, da sie die Vorläuferzellen aller Zellen des Blutes sind und die Eigenschaft zur Selbsterneuerung besitzen. Die Effizienz des Gentransfers in unstimulierten Stammzellen mit dem SIVsmmPBj-Vektor war jedoch nicht höher als mit anderen lentiviralen Vektoren. Interessanterweise konnte aber ein Einfluss der lentiviralen Vektoren auf das in vitro-Differenzierungspotenzial der transduzierten Stammzellen in die verschiedenen Vorläuferzellen beobachtet werden: Nach Transduktion mit dem SIVsmmPBj- und einem HIV-2-abgeleiteten Vektor differenzierten die Stammzellen bevorzugt in granulozytäre Vorläuferzellen, während die Transduktion mit einem HIV-1-abgeleiteten Vektor die Anzahl aller Vorläuferzellen deutlich reduzierte und insbesonders die Differenzierung in Makrophagenvorläuferzellen verminderte. Zur Untersuchung ihres Differenzierungs-potenzials in vivo wurden transduzierte hämatopoetische Stammzellen zur Repopulierung des Knochenmarks von NOD/SCID-Mäusen eingesetzt. Hierbei wurde jedoch kein Einfluss der verschiedenen lentiviralen Vektoren auf die Differenzierung der Stammzellen beobachtet. Allerdings konnte nur in einem sehr geringen Anteil der transplantierten Zellen eine Expression des übertragenen Gens nachgewiesen werden, so dass nicht ausgeschlossen werden kann, dass die transduzierten Zellen die Fähigkeit zur Repopulierung verloren hatten. Insgesamt ist jedoch zu sagen, dass entgegen der Erwartungen der neue Vektor keinen Vorteil gegenüber HIV-1-Vektoren zur Transduktion von hämatopoetischen Stammzellen aufweist. Weiter wurde die Transduktionsfähigkeit des SIVsmmPBj-Vekors für humanen B-Lymphozyten, Makrophagen und dendritische Zellen untersucht. Auf ruhenden B-Lymphozyten besaß der SIVsmmPBj-Vektor keinen Transduktionsvorteil gegenüber einem HIV-1-abgeleiteten Vektor, während Makrophagen und dendritische Zellen mit signifikant höherer Effizienz transduziert werden konnten. Die hohe Transduktionseffizienz des SIVsmmPBj-Vektors für Monozyten und dendritische Zellen eröffnet die Möglichkeit einer Anwendung in der Immuntherapie, da dendritische Zellen die professionellsten und effektivsten Antigen-präsentierenden Zellen sind. Daher wurde die generelle Eignung des SIVsmmPBj-Vektors für immuntherapeutische Anwendungen untersucht. Ein Tumor-assoziiertes Antigen (Mart-1) wurde in Monozyten übertragen und die transduzierten Zellen zu reifen dendritischen Zellen maturiert. Diese Zellen besaßen die Fähigkeit, Antigen-spezifische zytotoxische T-Zellen zu generieren, deren Funktion durch Sekretion von Zytokinen, in Einzelfällen auch durch spezifische Lyse von Mart-exprimierenden Tumorzellen nachgewiesen wurde. Weiterhin wurde gezeigt, dass nach Transduktion von Monozyten und deren Differenzierung zu Makrophagen auch diese prinzipiell in der Lage sind, Antigen-spezifische zytotoxische T-Zellen zu generieren. Obwohl hier keine vergleichenden Untersuchungen zur Effizienz des T-Zell-Primings durchgeführt werden konnten, ist die prinzipielle Eignung des SIVsmmPBj-abgeleiteten Vektors für eine Immuntherapie damit nachgewiesen. Schließlich wurde untersucht, ob die Maus oder nicht-menschliche Primaten als Tiermodelle für eine mögliche Weiterentwicklung des Vektors in Frage kommen. Murine Monozyten konnten jedoch nicht effizient transduziert werden. Hingegen erwies sich der SIVsmmPBj-Vektor als gut geeignet zur Transduktion von simianen Monozyten, so dass ein Affenmodell für Anwendungen des SIVsmmPBj-Vektors, wie beispielsweise zur Tumor-Immuntherapie oder für Vakzinierungsstudien, in Frage kommt.
Kardiovaskuläre Erkrankungen stellen in Deutschland die häufigste Todesursache dar [1]. Eine Schlüsselrolle wird hierbei der koronaren Herzkrankheit (KHK) auf dem Boden einer Atherosklerose zuteil. Die Prävalenz der koronaren Herzkrankheit in Deutschland lag 2012 laut Zahlen des Robert Koch-Instituts bei 8,3 %; dies entspricht 6,64 Millionen Menschen. Die Spitzengruppe bilden die über 65-Jährigen mit einer Erkrankungshäufigkeit von 18,3 % bei Frauen und 27,8 % bei Männern. Oberstes Therapieziel bei der Behandlung der KHK ist die Prävention von Myokardinfarkten und Herzinsuffizienz. Wegweisend für das therapeutische Procedere sind die klinische Situation des Patienten und die Ergebnisse der kardialen Diagnostik. Sind mehrere Koronargefäße betroffen oder bestehen komplizierte Gefäßverengungen ist die Indikation zur operativen Myokardrevaskularisierung gegeben. Im Jahr 2015 unterzogen sich in Deutschland 51.941 Patienten einem solchen Eingriff [2]; weltweit erhalten jährlich fast eine Millionen Patienten eine Bypass-Operation [3]. Für den Therapieerfolg ist postoperativ eine suffiziente Thrombozytenaggregationshemmung von essentieller Bedeutung. Daher wird zur Sekundärprophylaxe eine lebenslange antiaggregatorische Medikation empfohlen; das am häufigsten hierfür genutzte Medikament ist Acetylsalicylsäure (ASS) [4]....
Ziel der vorliegenden Studie war, mittels MEA, die Prävalenz und mögliche Prädiktoren einer ASS-Nonresponse in einer Kohorte kardiochirurgischer Patienten zu analysieren.
Es wurden folgende Nullhypothesen aufgestellt:
- Die tägliche Einnahme von 100 mg ASS ist ausreichend, um bei allen Patienten eine therapeutische Thrombozytenaggregationshemmung zu erreichen.
- Es existieren keine Prädiktoren für die mittels MEA detektierte ASSNonresponse.
Magnetische Quadrupole und Solenoide sind ein elementarer Bestandteil einer Beschleunigeranlage und begrenzen die transversale Ausdehnung eines Teilchenstrahls durch eine Reflexion der Teilchen in Richtung der Beschleunigerachse. Die konventionelle Bauweise als Elektromagnet besteht aus einem Eisenjoch welches mit Spulen umwickelt ist. In dieser Arbeit werden diese Magnetstrukturen auf Basis von Permanentmagneten designt und hinsichtlich ihrer Qualität zum Strahltransport optimiert, sowie Feldmessungen an permanentmagnetischen Quadrupolen durchgeführt. Diese wurden mit 3D-gedruckten Halterungen aus Kunststoff gefertigt, was eine Vielzahl von Formvariationen ermöglicht. Darauf aufbauend wurde ein im Vakuum befindlicher Aufbau entwickelt, mit welchem die Strahlenvelope im inneren eines permanentmagnetischen Quadrupol Tripletts diagnostiziert werden kann. Dies greift auf ein am Institut für angewandte Physik entwickeltes System zur nicht-invasiven Strahldiagnose mithilfe von Raspberry Pi Einplatinencomputern und Kameras in starken Magnetfeldern zurück.
Die in dieser Arbeit vorgestellte Konfiguration eines PMQ’s ist eine Weiterentwicklung des am CERN im Linac4, einem Alvarez-Driftröhrenbeschleuniger zur Beschleunigung von H– , verwendeten Designs. Bei diesem sind je acht quaderförmige Permanentmagnete aus Samarium Cobalt (SmCo) in die Driftröhren des Beschleunigers integriert.
Darauf aufbauend wurden die geometrischen Designparameter hinsichtlich ihres Einflusses auf die Qualität des Magnetfelds untersucht. In einem magnetischen Quadrupol zur Strahlfokussierung wird dies durch einen linearen Anstieg des Magnetfeldes von Quadrupolachse zu Polflächen charakterisiert. Das Design wurde im Zuge dessen zur Verwendung von industriellen Standardgeometrien von Quadermagneten und der Erhöhung der magnetischen Flussdichte erweitert. Dazu wurde untersucht wie sich das Hinzufügen von zusätzlichen Magneten auswirkt und ob eine bessere Feldqualität durch andere Magnetformen erreicht wird.
Die Kombination mehrerer PMQ in geringem Abstand (<10 mm) führt abhängig von der Geometrie der PMQ-Singlets zu einer erheblichen Verschlechterung der Feldlinearität, was eine Erhöhung des besetzten Phasenraumvolumens der Teilchen nach sich zieht.
Am Beispiel von PMQ-Tripletts werden die zu beachtenden Designparameter analysiert und Lösungsansätze vorgestellt. Die auftretenden Effekte werden anhand von Strahldynamiksimulation veranschaulicht. Für eine Anwendung der vorgestellten Designs wurde eine Magnethülle mit einer Wabenstruktur zur Aufnahme der Einzelmagnete entwickelt. Diese besteht aus zwei Halbschalen, welche jeweils den Kompletteinschluss aller Magnete garantiert und eine einfache Montage um ein Strahlrohr ermöglicht. Diese wurden in der Institutswerkstatt aus Kunststoff via 3D-Druck gefertigt. Aufgrund der höheren erreichbaren Magnetisierung wurden Neodym-Eisen-Bor-Magnete (Nd2F14B, Br =1,36 T) für den Bau der entwickelten Strukturen verwendet. Für eine Magnetfeldmessung zur Bestätigung der magnetostatischen Simulationen und einer Bewertung der Druckqualität wurde eine motorisierte xyz-Stage zur Bewegung einer Hallsonde aufgebaut. Die Messungen zeigen eine gute Zentrierung des Magnetfeldes, sodass PMQ mit einer Kunststoffhalterung eine schnelle und billige Möglichkeit sind, kurzfristig eine Quadrupol-Konfiguration aufzubauen. Die Kosten belaufen sich für einen einzelnen PMQ je nach Länge auf 50€ bis 100€.
Basierend auf der PMQ-Struktur wurde ein PMQ-Triplett in ein Vakuum versetzt und mit Raspberry Pi Kameras im Zwischenraum der Singlets ausgestattet. Dies ermöglichte die Aufnahme der Strahlenvelope innerhalb des Tripletts anhand der durch einen Heliumstrahl induzierten Fluoreszenz und erste Erkenntnisse für notwendige Weiterentwicklungen wurden gesammelt. Auf den genauen technischen Aufbau wird im abschließenden Kapitel der Arbeit detailliert eingegangen.
In der einfachsten Form wird ein PM-Solenoid anhand eines einzelnen axial magnetisierten Hohlzylinders realisiert und erzeugt näherungsweise die Feldverteilung einer Zylinderspule. Durch die radialen Magnetfeldkomponenten an den Rändern des Solenoiden erhalten Teilchen eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente und führen eine Gyrationsbewegung entlang der Solenoidachse aus. Diese reduziert den Strahlradius und die Teilchen behalten eine Geschwindigkeitskomponente, welche zur Solenoidachse zeigt. Für eine Maximierung dieser Fokussierung muss das Magnetfeld auf die Zylinderachse konzentriert werden. Insbesondere bei einer Verlängerung des Hohlzylinders wird die Kopplung der Polflächen über das Innenvolumen abgeschwächt. Aufgrund dessen wurde ein Design bestehend aus drei Hohlzylindersegmenten entwickelt. Dieses setzt sich aus zwei radial und einem axial magnetisierten Hohlzylinder zusammen und erhöht die mittlere magnetische Flussdichte für ausgewählte Geometrien um einen Faktor zwei im Vergleich zu einem einzelnen Hohlzylinder gleicher Geometrie. Dies ist gleichzusetzen mit einer Vervierfachung der Fokussierstärke, welche quadratisch mit der mittleren magnetischen Flussdichte skaliert. Die Strahldynamischen Konsequenzen werden anhand von Simulationen mit generierten Magnetfeldverteilungen erläutert. Für eine kostengünstige Bauweise wurde eine Design basierend auf quaderförmigen Magneten entwickelt.
Nukleinsäuren und Proteine bilden zusammen mit den Kohlenhydraten und Lipiden die vier großen Gruppen der Biomoleküle. Dabei setzen sich Nukleinsäuren aus einer variierenden Abfolge von Nukleotiden zusammen. Gleiches trifft auf die Proteine zu, wobei deren Bausteine als Aminosäuren bezeichnet werden. Die Reihenfolge der Bausteine bestimmt zusammen mit der Interaktion, die die einzelnen Bestandteile untereinander eingehen, deren Funktion. Um deren Wirkungsweise verstehen und nachverfolgen zu können, wurden unterschiedliche Methoden entwickelt, zu welchen auch die EPR-Spektroskopie gehört.
Durch den Einbau modifizierter Nukleotide oder Aminosäuren lassen sich Spinlabel in die sonst EPR-inaktiven Nukleinsäuren und Proteine einführen. Diese Marker lassen sich grundsätzlich in drei Klassen unterteilen (Metallionen, Nitroxidradikale und TAMs), weisen aber immer mindestens ein ungepaartes Elektronenpaar auf. Die Festphasensynthese ist eine Standardprozedur zur Herstellung von markierten Nukleinsäuren und Proteinen. Allerdings führen die Bedingungen dieser Methode zumindest teilweise zur Zersetzung der Nitroxidradikale, die dieser Arbeit zugrunde liegen, wenn sie direkt während der Synthese eingebaut werden. Der direkte Einbau ist aber in vielen Fällen essenziell, um bestimmte Eigenschaften zu erzielen.
Um den Abbau des Nitroxidradikals während der Festphasensynthese zu verhindern, kann dieses vorübergehend mit einer Schutzgruppe versehen werden, welche sich anschließend wieder abspalten lässt.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt hierbei auf der Darstellung neuer photolabil geschützter Spinlabel zur Synthese markierter Proteine und Nukleinsäuren.
Basierend auf den Nukleotiden Uridin und Cytidin konnten zwei für die RNA-Synthese vorgesehene Phosphoramidite synthetisiert werden, welche jeweils an der 5-Position des Pyrimidinrings mit einem photolabil geschützten Spinlabel auf Basis von TPA versehen waren. Durch Einbau des Uridinderivats in das Neomycin-Aptamer konnte zudem der Einfluss der Spinlabel auf die lokale Struktur mit Hilfe von in-line probing gezeigt werden.
Der gleiche TPA-Label konnte ebenfalls mit einem Lysin gekuppelt werden, welches später über ein orthogonales tRNA/Aminoacyl-tRNA Synthetase Paares in eine Polypeptid eingebaut werden sollte. In Kooperation mit dem AK Grininger ist auch ein nicht geschützter Spinlabel zur kupferfreien Markierung der Fettsäuresynthase entstanden. Abschließend war noch die Synthese eines auf Phenylalanin basierenden photolabil geschützten Spinlabel in Arbeit, welcher jedoch nicht beendet werden konnte. Dieser sollte mittels Festphasensynthese einbaubar sein, weswegen er am N-Terminus mit Fmoc geschützt ist.
In dieser Arbeit wird sowohl das Potenzial von molekularen Photoschaltern als lichtempfindliche Komponenten für photopharmakologische Anwendungen als auch das von künstlichen RNA-Aptameren als regulatorische Schalteinheiten für die Entwicklung von funktionellen Riboschaltern untersucht. Verschiedene wesentliche Aspekte beider Anwendungs-felder wurden eingehend einzeln untersucht und die beiden Schaltsysteme schließlich durch das Design eines synthetischen RNA-Aptamers kombiniert, dessen Ligandbindung durch licht-induzierte Isomerisierung seines Photoschalterliganden reguliert werden kann.
Molekulare Photoschalter wie Azobenzole und Spiropyrane haben sich als vielversprechende photochemische Werkzeuge erwiesen, um lichtgesteuert reversible und biochemisch nutzbare Effekte erzeugen. Spiropyrane bergen aufgrund der drastischen Veränderungen ihrer molekularen Eigenschaften infolge der Photoisomerisierung zum Merocyanin (MC) ein enormes Anwendungs-potenzial. Von den hier untersuchten wasserlöslichen Pyridin- (Py-) und Nitro-BIPS-Derivaten zeigt insbesondere die Py-BIPS-Verbindung 2 ein außerordentlich vielseitiges Verhalten. Im Vergleich zu anderen Vertretern dieser Photoschalterklasse wird ein deutlich höherer MC-Anteil von etwa 50% thermisch innerhalb von wenigen Minuten akkumuliert. Durch lichtinduzierten Ringschluss zum reinen Spiropyran (SP) und thermische Wiederherstellung des Gleichgewichts, kann diese hohe Schaltamplitude über mehrere Zyklen ohne signifikante Zersetzung beibehalten werden. Der Einsatz von schädlichem UV-Licht kann somit vermieden werden, was zusätzlich sehr vorteilhaft für einen möglichen Einsatz in einem biochemischen Kontext ist.
Verbindung 2 weist zudem mehrere Protonierungsstellen auf, die ihr in Abhängigkeit des pH-Wertes faszinierende photosaure Eigenschaften verleihen. Das einfach protonierte HMC Isomer ermöglicht eine lichtstimulierte reversible Kontrolle des pH-Wertes in einem Bereich von etwa 4,5 bis 7,5, mit möglichen pH-Sprüngen von bis zu 1,5 Einheiten. Durch transiente Absorptionsstudien wurde ein Mechanismus für die Protonenfreisetzung nachgewiesen, der lediglich auf der Veränderung des pKs-Wertes der N-protischen Position infolge des lichtinduzierten Ringschlusses beruht. Im Gegensatz dazu wird das phenolische Proton des doppelt protonierten HMCH Isomers innerhalb von 1-2 Pikosekunden nach Anregung aus dem angeregten Zustand an das Lösemittel übertragen. Durch eingehende Ultrakurzzeitmessungen der Freisetzung des phenolischen Protons, konnten die protonierten Spezies der Py- und Nitro-Merocyanine als Superphotosäuren etabliert werden. Sie können somit als ultraschnelle Auslöser für protonenvermittelte Prozesse eingesetzt werden, die zu den fundamentalsten Reaktionen in der Natur gehören.
Was potenzielle pharmakologische Zielsysteme betrifft, so dürfte RNA eine große Zukunft bevorstehen, da sie einfach zu synthetisieren ist und Zugang zu verschiedenen Ebenen zellulärer Regulationsmechanismen bietet. Insbesondere RNA-Aptamere, die in der Lage sind, niedermolekulare Liganden mit außergewöhnlich hoher Affinität und Spezifität zu binden, sind für die Entwicklung von künstlichen Riboschaltern hoch interessant. Während künstliche Aptamere für beliebige Liganden durch einen in vitro Selektionsprozess generiert werden können, ist nicht zur Gänze geklärt warum nur wenige von ihnen als aktive in vivo Riboschalter funktionieren. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen die Bedeutung der konformationellen Aptamerdynamik während der Ligandenbindung für das Regulationspotential. Die Mg2+-abhängigen Bindungsstudien des hochfunktionellen Tetrazyklin (TC) -Aptamers zeigen, dass zweiwertige Kationen nicht nur für die korrekte Vorfaltung des Aptamers wichtig sind, sondern auch an der Ligandenbindung und RNA-Strukturanpassung selbst beteiligt sein können. Nach der Assoziation von TC an die Bindungstasche pflanzt sich eine Konformationsanpassung zur entfernten Dreifachhelixregion fort, wo Mg2+ zusätzlich für die Ausbildung endgültig gebundenen Zustandes benötigt wird.
Neben dem Einfluss von Mg2+, zeigen zeitaufgelöste Ligandenbindungsstudien von drei Ciprofloxacin (CFX) -Aptameren eine klare Korrelation zwischen der Kinetik des Struktur-anpassungsschrittes der RNA an den Liganden und dem beobachteten Regulationspotenzial in parallel durchgeführten in vivo Assays. Es wird geschlussfolgert, dass eine beschleunigte und irreversible RNA-Anpassung auf eine Konformationsänderung hindeutet, die ausgeprägt genug ist, um eine Aktivität als Riboschalter zu ermöglichen. Diese Erkenntnisse werden durch die berichteten Ligandenbindungskinetiken von anderen künstlichen Aptameren und auch von natürlichen Riboschaltern bestätigt und sollten weitreichende Implikationen für die Optimierung von Selektionsprotokollen für funktionelle Aptamere haben.
Schließlich wird ein lichtempfindliches RNA-Aptamer vorgestellt, dessen Ligand auf dem Antibiotikum Chloramphenicol (Cm) basiert, welches synthetisch mit einem Azobenzolfragment versehen wurde (azoCm). Durch systematische Optimierung von in vitro Selektionsprotokollen und die erfolgreiche Implementierung eines Belichtungsschrittes zur Isomerisierung des Liganden konnten Aptamere erhalten werden, die spezifisch an die trans-Form von azoCm binden. Bindungsaffinitätsstudien bestätigen diese Selektivität und durch Zirkulardichroismusstudien konnte zudem eine lichtinduzierte reversible Dissoziation des von cis-azoCm gezeigt werden. Damit wird hier eine erfolgreiche Entwicklungsstrategie für lichtabhängige RNA-Aptamer – Ligandsysteme dargelegt, welche wiederum fundamental neuartige Ansätze für die Erschließung lichtstimulierter biologischer Regulationswege zugänglich machen.
Solid state NMR is a emerging method for the study of membrane proteins, which has received much interest in recent years. Limiting the study of many pharmacologically relevant targets, are the often long measuring times, required to obtain especially higher dimensional solid state NMR spectra of good quality. To address this problem, multiple methods where developed in this work, which can be categorized into two groups. The first set of methods aims at the quality of certain spectra, by implementing a spectral filter, which increases the fidelity of the measured data. The second set of methods, addresses the problem of long measuring times directly, by increasing the sensitivity per unit time, as could be shown, for example, on homo- and heteronuclear singlequantum-singlequantum correlation experiments. The gains in measuring time for the latter group of methods are typically in the order of 2-3, but some experiments allow multiple methods to be employed simultaneously, which can lead to a decrease in measuring time of a factor of up to 8. It is important to mention, that none of the methods introduced in this work require any equipment in addition to the conventional setup present in most sold state NMR laboratories and no changes or addition to the samples under study are required. Therefore the gains reported in this work come at no extra cost and require only minimal implementation effort on the side of the user.