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Blockchains in public administration : a RADIUS on blockchain framework for public administration
(2023)
The emergence of blockchain technology has generated a great deal of attention, as reflected in numerous scientific and journalistic articles. However, the implementation of blockchain for public administrations in Germany has encountered a setback owing to unsuccessful initiatives. Initial enthusiasm was followed by disillusionment. Nevertheless, technology continues to evolve. This paper examines whether the use of a blockchain can still optimize the processes of public administrations. Not only the failed projects are analysed, but also more current applications of the technology and their potential relevance for the administration, especially in the state of Hesse.
To answer if blockchains are promising to administrations, a Design Science Research (DSR) research approach is chosen. The DSR method is a research-based approach that aims to create new and innovative solutions to real-world problems through the development and evaluation of artefacts such as models, methods, or prototypes. For this work, the implementation of a framework to realize an Authentication, Authorization, and Accounting (AAA) system on the blockchain was identified as profitable. The framework aims to implement the aforementioned AAA tasks using a blockchain. The Remote Authentication Dial-In User Service (RADIUS) protocol has been identified as a potential protocol of the AAA system. The goal is to create a way to implement the system either entirely on a blockchain or as a hybrid system. Various blockchain technologies will be considered. Suitable for development, the framework AAA-me is named.
The development of AAA-me has shown that the desired framework for implementing RADIUS on the blockchain is possible in various degrees of implementation. Previous work mostly relied on full development. Additionally, it has been shown that AAA-me can be used to perform hybrid integration at different implementation levels. This makes AAA-me stand out from the few hybrid previous approaches. Furthermore, AAA-me was investigated in different laboratory environments. This was to determine the expected resilience against Single Point of Failure (SPOF). The results of the lab investigation indicated that a RADIUS system on top of a blockchain can provide benefits in terms of security and performance. In the lab environment, times were measured within which a series of authorization requests were processed. In addition, it was illustrated how a RADIUS system implemented using blockchain can protect itself against Man-in-the-Middle (MITM) attacks.
Finally, in collaboration with the Hessian Central Office for Data Processing (German: Hessische Zentrale für Datenverarbeitung) (HZD), another test lab demonstrated how a RADIUS system on the blockchain can integrate with the existing IT systems of the German state of Hesse. Based on these findings, this work reevaluated the applicability of blockchain technology for public administration processes.
The work has thus shown that the use of a blockchain can still be purposeful. However, it has also been shown that an implementation can bring many problems with it. The small number of blockchain developers and engineers also poses the risk of finding people to develop and maintain a system. In addition, one faces the problem of determining an architecture now that will be applied to many projects in the future. However, each project can, in turn, have an impact on the choice of architecture. Once one has solved this problem and a blockchain infrastructure is available, it can be established quickly and be more SPOF resistant, for example, for Public Key Infrastructure (PKI) systems.
AAA-me was only applied in lab and test environments. As a result, no real data ran over its own infrastructure. This allowed the necessary flexibility for development. However, system-related properties could appear in real situations that are not detectable here in this way. Furthermore, the initial stage of AAA-me’s development is still in its infancy. Many manual adjustments need to be made in order for this to integrate with an existing RADIUS system. Also, no system security effort in and of itself has been carried out in the lab environments. Thus, vulnerabilities can quickly open up on web servers due to misconfigurations and missing updates. For the above reasons, productive use should be discouraged unless major developments are carried out.
Discrepancies between knockdown and knockout animal model phenotypes have long stood as a perplexing phenomenon. Several mechanisms explaining such observations have been proposed, namely the toxicity or the off-target effects of the knockdown reagents, as well as, in certain cases, genetic robustness – an organism's ability to maintain its phenotype despite genetic perturbations. In addition to these explanations, transcriptional adaptation (TA), a phenomenon defined as an event whereby a mutation in one gene leads to transcriptional upregulation or downregulation of another, adapting, gene or genes expression, has been recently proposed as an alternative explanation for the conflicting knockdown and knockout phenotype paradox.
Since its discovery in 2015, TA's precise mechanism remains a subject of ongoing research. Majority of evidence suggests that mutant mRNA degradation plays a central in TA. Epigenetic remodeling is also thought to play a role, as evidenced by an increase in active histone marks at the transcription start sites of the adapting genes. Whether mRNA degradation is indeed the key player in TA remains debated. Furthermore, it is still unknown how exactly TA develops, what adapting genes it targets, and whether genomic mutations that render mutant mRNA sensitive to degradation are required for TA to occur.
Throughout the experiments described in this Dissertation, I have designed an inducible TA system where TA can be triggered on demand and its effects on the cell’s transcriptome followed through time. I have demonstrated that degradation-prone transgenes, once induced and expressed, can be efficiently degraded, resulting in the protein loss-independent upregulation of adapting genes via TA. Adapting genes with higher degree of sequence similarity become upregulated faster than genes with lower degree of sequence similarity. Further functionality of this approach to study TA is limited by the leakiness of the inducible gene expression system; however, constitutively expressed degradation-prone transgenes were used to demonstrate TA in human cells.
In addition, I have developed an approach to target wild-type cytoplasmic mRNAs without altering the cell’s genome and reported a TA-like phenomenon, which manifested as adapting gene upregulation not relying on mutations in other genes. Cytoplasmic mRNA cleavage with CRISPR-Cas13d triggered a TA-like response in three different gene models: Actg1 knockdown, Ctnna1 knockdown, and Nckap1 knockdown. After comparing two different modes of triggering TA, CRISPR-Cas9 knockout versus CRISPR-Cas13d knockdown, I reported little overlap between the dysregulated genes and suggested that diverse mRNA degradation modes led to distinct TA responses. In addition, the transcriptional increase of Actg2 caused by CRISPR-Cas13d-mediated Actg1 mRNA cleavage did not require chromatin accessibility changes.
Experiments and genetic tools described in this dissertation investigated how TA develops from its earliest onset, how it affects the global transcriptome of the cell, as well as provided compelling evidence for an mRNA degradation-central TA mechanism. I have created tools to study both direct and indirect TA gene targets and unveiled important insights into the temporal dynamics of TA. Genes with higher sequence similarity were found to be upregulated more rapidly than those with lower similarity. Furthermore, it was revealed that the epigenetic properties of TA responses vary depending on the triggering mechanism. Cas13d-mediated degradation of wild-type mRNAs led to immediate transcriptional enhancement independent of epigenetic changes, which stood in contrast to previously measured alterations in chromatin accessibility in CRISPR-Cas9 mutants. This research has thus significantly advanced our knowledge of TA and provided valuable tools and findings that contribute to the broader understanding of gene expression regulation in response to mRNA degradation.
Type 1 diabetes (T1D) is precipitated by the autoimmune destruction of the insulin-producing beta-cells in the pancreatic islets of Langerhans. Chemokines have been identified as major conductors of the islet infiltration by autoaggressive leukocytes, including antigen-presenting cells and islet autoantigen-specific T cells. We have previously generated a roadmap of the gene expression in the islet microenvironment during T1D in a mouse model and found that most of the chemokine axes are chronically upregulated during T1D. We focused our attention on CXCL10/CXCR3, CCL5/CCR5, CXCL16/CCR6, CX3CL1/CX3CR1, and XCL1/XCR1. First, we found that the absence of CCR6 and of CX3CR1 diminished T1D incidence in a mouse model for T1D. Further, the XCL1/XCR1 chemokine axis is of particular interest, since XCR1 is exclusively expressed on convention dendritic cells type 1 (cDC1) that excel by their high capacity for T cell activation. Here we demonstrate that cDC1 expressing XCR1 are present in and around the islets of patients with T1D and of islet-autoantibody positive individuals. Further, in an inducible mouse model for T1D, we show that XCL1 plays an important role in the attraction of highly potent dendritic cells expressing XCR1 to the islets. XCL1-deficient mice display a diminished infiltration of XCR1+ cDC1 and subsequently also a reduced magnitude and activity of islet autoantigen-specific T cells. XCR1-deficient mice display a reduced magnitude and activity of islet autoantigen-specific T cells. A 3D-visualization of the entire pancreas reveals that both XCL1-deficient mice and XCR1-deficient mice indeed maintain most of their functional islets after induction of the disease. Thus, the absence of XCL1 results in a profound decrease in T1D incidence. The XCR1-deficiency also reduces T1D incidence, even if in a less drastic way compared to XCL1-deficiency. An interference with the XCL1/XCR1 chemokine axis might constitute a novel target for the therapy for T1D.
Refraktives und visuelles Ergebnis nach Neuausrichtung von rotierten torischen Intraokularlinsen
(2023)
Hintergrund und Ziel der Studie
Das Ziel der Studie ist die Beurteilung des refraktiven und visuellen Ergebnisses von Patienten mit fehlausgerichteten torischen IOLs nach operativer Neuausrichtung, mit und ohne Rückberechnung der torischen Achse nach Implantation der IOL.
Methoden
Dies ist eine retrospektive Analyse von 39 Patienten, die sich von August 2013 bis Dezember 2019 an der Klinik für Augenheilkunde der Goethe-Universität Frankfurt am Main einer zweiten Operation zur Neuausrichtung einer fehlausgerichteten torischen IOL unterzogen haben. Die zweite Operaton zur Korrektur der Achsenlage wurde auf zwei Weisen durchgeführt: In der ersten Gruppe wurde auf die primär berechnete Achse rotiert und in der zweiten Gruppe wurde die Rotation auf eine neu berechnete Achse mit dem Rückrechner von astigmatisfix.com vorgenommen.
Ergebnisse
In dieser retrospektiven Studie wurden 39 Augen von 39 Patienten eingeschlossen. Die Ergebnisse nach der ersten Operation (die Linsenoperation) zeigte eine Besserung der (BCVA) von 0,28 ± 0,22 logMAR (20/40) auf 0,15 ± 0,14 logMAR (20/32). Nach der Linsenoperation zeigten die torischen IOLs durchschnittlich eine postoperative Fehlstellung von 25,69° ± 26,06°. Verglichen vor und nach der Rotation der torischen IOL blieb der BCVA unverändert bei 0,14 ± 0,14 logMAR (20/32), während sich der UDVA signifikant von 0,39 ± 0,29 logMAR (20/50) auf 0,27 ± 0,18 logMAR (20/40) verbesserte. Das refraktive Ergebnis zeigte eine Reduktion sowohl in der Restsphäre sowie in dem Zylinder. Die Ergebnisse der Gruppenanalyse demonstrierte für die erste Gruppe (Neuausrichtung auf die präoperativ berechnete Achse) eine postoperative UDVA 0,24 ± 0,16 logMAR mit einem Zylinder von 0,90 ± 0,90 D. In der zweiten Gruppe (Ausrichtung auf eine zurückberechnete Achse) betrug die UDVA 0,32 ± 0,20 logMAR mit einem Zylinder von 0,76 ± 0,72 D. Die IOLs mit hoher Zylinderstärke (≥ 2 D) zeigten bei der Rückberechnung eine stärkere Abnahme des Restzylinders als IOL mit niedriger Zylinderstärke (< 2 D) (27 % vs. 9 %). Der mittlere sphärische Äquivalent-Vorhersagefehler der Rückberechnung betrug 0,54 ± 0,55 D.
Schlussfolgerung
Die Neuausrichtung von fehlausgerichteten torischen IOLs verbessert die Sehschärfe und reduziert verbleibende Brechungsfehler. Insbesondere bei IOL mit hoher Zylinderstärke kann ein besseres refraktives Ergebnis erzielt werden, wenn vor der Neuausrichtung eine Rückberechnung durchgeführt wird.
The simultaneous inhibition of HDACs and BET proteins has shown promising anti-proliferative effects against different cancer types, including the difficult to treat pancreatic cancer. In this work, the strategy of concurrently targeting HDACs and BET proteins was pursued by developing different types of dual inhibitors.
By developing a novel scaffold that selectively inhibits HDAC1/2 together with BET proteins in cells, an effective tool for the investigation of pancreatic cancer, and other diseases which are sensitive to epigenetic processes, was created. The compound’s small size further gives the opportunity to further develop the inhibitor towards optimized pharmacokinetic properties, potentially resulting in a drug for cancer treatment.
A second novel approach that was pursued, was the development of a small-molecule degrader, targeting HDACs and BET proteins. Through synthesizing a variety of different molecules, a compound that was capable of lowering BRD4 levels and, at the same time, increasing histone acetylation was developed. While additional mechanistic investigations are needed to verify the degradation, the potent antiproliferative effects in pancreatic cancer cells encourage further studies following this alternative new strategy.
Molekulare Werkzeuge können in der Wissenschaft unter anderem dazu verwendet werden, biochemische Prozesse gezielt zu untersuchen, um sie somit besser zu verstehen. Dabei handelt es sich zum Beispiel, um kleine chemische Moleküle, die gezielt für ihr Anwendungsgebiet konzipiert worden sind. Mit Ihnen lassen sich z.B. Interaktionen zwischen (Makro-)Molekülen regulieren, chemische Gleichgewichte lokal verändern oder auch Botenstoffe zielgerichtet freisetzen. Die Effekte dieser temporären Einwirkung auf verschiedenste biologische Systeme können hilfreiche Erkenntnisse struktureller, funktioneller oder systematischer Art für die entsprechenden Forschungsgebiete liefern.
Um die interdisziplinären Problemstellungen zielgerichtet mit den entsprechend zugeschnittenen Werkzeugen zu adressieren, ist es dabei jedoch absolut notwendig, dass ein umfassendes und über die Grenzen der jeweiligen Fachgebiete hinaus gehendes Verständnis der jeweiligen Fragestellungen entwickelt wird.
Viele der bisher bekannten Werkzeuge benötigen für ihren Einsatz bis heute noch relativ harsche Reaktionsbedingungen, haben ein eingeschränktes Anwendungsfeld oder lassen sich nicht ausreichend Zeit- & Ortsaufgelöst „aktivieren“. Die Möglichkeit Licht als externes Trigger-Signal zu verwenden, um die entsprechenden molekularen Werkzeuge zu aktivieren (oder auch zu deaktivieren), überwindet genau diese Defizite und bringt neben der hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung noch viele weitere Vorteile mit sich. Im Rahmen meiner Doktorarbeit ist es mir gelungen gemeinsam mit meinen Kooperationspartnern neue lichtaktivierbare molekulare Werkzeuge von Grund auf zu designen, zu synthetisieren, sie auf ihre photochemischen Eigenschaften zu untersuchen und sie anzuwenden. Durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit mit Doktoranden aus der Organischen, Theoretischen und Physikalischen Chemie, konnte ein umfassendes Bild dieser neuen Substanzklassen aufgezeigt werden. Die verschiedenen Arten lichtaktivierbarer Werkzeuge sollen im Verlauf dieser Arbeit genauer herausgearbeitet werden. Generell kann man in drei grundlegenden Klassen von lichtaktivierbaren Werkzeugen unterscheiden: 1. irreversibel photolabile Schutzgruppen, 2. photoaktivierbare Label und 3. reversibel lichtschaltbare Photoschalter.
Auf dem Gebiet der photolabilen Schutzgruppen, auch photoaktivierbare Schutzgruppen oder Photocages genannt, ist es uns gelungen eine neue Spezies von Molekülen zu identifizieren, die dazu in der Lage sind, nach photochemischer Anregung eine spezifische Bindung innerhalb ihres molekularen Gerüsts zu spalten. Möglich gemacht wurde dies, indem wir den sog. „uncaging Prozess ganz neu gedacht“ haben und mit der Unterstützung von Theorie und Spektroskopie unsere Ergebnisse in einer Struktur-Aktivitäts-Beziehungs-Studie (SAR) festhalten konnten. Aus einer Substanzbibliothek von diversen theoretisch berechneten Kandidaten, wurden die vielversprechendsten Verbindungen anschließend synthetisiert und photochemisch charakterisiert. Nach initialen Untersuchungen und den daraus hervorgehenden Erkenntnissen, wurden weitere molekulare Struktur auf die Optimierungen der photochemischen Eigenschaften hin theoretisch berechnet und anschließend im Labor realisiert. Daraus resultierend entwickelten wir einen Photocage, der mit einer hohen Quantenausbeute mit Licht von über 450 nm photolysierbar ist und ebenfalls dazu in der Lage ist Neurotransmitter wie z.B. Glutamat zielgerichtet und lichtaktiviert freizusetzen. Eine weitere Struktur-Aktivitäts-Beziehungs-Studie wurde im Rahmen dieser Arbeit mit dem Isatin-Gerüst als potentiell neue photolabile Schutzgruppe durchgeführt.
Ebenfalls konnten in einer dritten Studie auf dem Gebiet der photolabilen Schutzgruppen Untersuchungen am Coumarin-Grundgerüst zeigen, dass eine systematische Einschränkung der Relaxationspfade im Molekül eine Verbesserung der photochemischen Eigenschaften mit sich bringen kann.
Photoaktivierbare Label werden in den verschiedensten Bereichen der Wissenschaft angewendet. Meist erlauben jedoch die chemischen Moleküle nur eine begrenzte „Beobachtungszeit“ der biochemischen Prozesse aufgrund der effizienten und damit schnellen Relaxationspfade zurück in den Grundzustand. Zu Beginn der durchgeführten Untersuchungen, bestand unsere Idee darin, die selektive Prä-IR-Anregung mit Hilfe eines UV/vis-Pulses (entsprechend der VIPER-Spektrokopie) in ein langlebiges Triplett-Signal eines geeigneten Chromophors zu überführen, welches anschließend für die Beobachtung vergleichsweise lang-lebiger biochemischer Prozesse verwendet werden könnte. Aus dieser Idee heraus entwickelten wir einen Chromophor, der neben einer Absorption im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums, zusätzlich eine IR-adressierbare funktionelle Gruppe, sowie die Eigenschaft, ein effizientes Inter-System-Crossing (ISC) nach photochemischer Anregung durchzuführen, besaß. Zu unserem Erstaunen zeigte dieses Derivat jedoch nach erfolgreicher Synthese nicht das erwartete Verhalten. Ein weiteres Beispiel für die hochgradige Komplexität der Photochemie.
Mit Hilfe von theoretischen und spektroskopischen Methoden konnten dennoch viele hilfreiche Erkenntnisse aus dieser Studie für zukünftige Untersuchungen aufgedeckt werden.
Ebenso war es während meiner Promotion eines der Ziele, den Schaltprozess des sog. Fulgid-Photoschalters genauer zu untersuchen und somit besser zu verstehen. Hierbei handelt es sich um ein ausgesprochen beständiges, photochemisch reversibel schaltbares Molekül, auch wenn dies vielleicht auf den ersten Blick ein Widerspruch in sich zu sein scheint. Es gelang uns diesen Photoschalter, genauer gesagt seine Photo-Isomere, auf dem Gebiet der chemischen Aktinometrie zu etablieren.
Dafür waren zahlreiche Messungen diverser Reaktivitäten (photochemische Reaktions-Quantenausbeuten) in verschiedenste Wellenlängenbereiche vom Nah-UV-Bereich bis hin zur 700 nm Grenze erforderlich. Außerdem wurden alle Werte mit der Referenzmessung einer Photodiode bzw. je nach Wellenlängenbereich auch mit der klassischen Ferri-Oxalat-Aktinometrie verglichen. Im Anschluss daran fokussierte ich mich weiter auf die einzelnen Photo-Isomere und ihre einzigartige chemische Struktur. Mit Hilfe der chiralen HPLC gelang es uns die einzelnen Photo-Isomere voneinander zu isolieren und diese mit verschiedensten photochemischen und theoretischen Methoden „genauer unter die Lupe“ zu nehmen. Die aus dieser Studie gewonnenen Erkenntnisse bereiten den Weg für diverse, zukünftige spektroskopische Anwendungen dieses Photoschalters.
Aim: The cytochrome P450 reductase (POR) along with the cytochrome P450 enzymes (CYP) are responsible for the metabolism of a multitude of metabolites important for the maintenance of tissue function. Defects in this system have been associated with cardiovascular diseases. These enzymes are known to produce vasoactive lipids that modulate vascular tone. The aim of this study was to identify the consequence of a loss in endothelial POR for vascular function.
Methods and Results: To identify the endothelial contribution of the POR/CYP450 system to vascular function, we generated an endothelial-specific, tamoxifen-inducible POR knockout mouse (ecPOR-/-). Under basal condition ecPOR-/- already exhibited endothelial dysfunction in aorta and mesenteric vessels (acetylcholine-dependent relaxation, LogEC50 -7.6M for CTR vs. -7.2M for ecPOR-/- in aorta) and lower nitric oxide levels in the plasma (CTR: 236.8 ±77.4; ecPOR-/- 182.8 ±34.1 nmol/L). This dysfunction was coupled to attenuated eNOS function detected by the heavy arginine assay and decreased eNOS phosphorylation on S1177. Furthermore, insulin-induced phosphorylation of the eNOS activator, AKT, was also attenuated in the aorta from ecPOR-/- mice as compared to control mice. CYP450-dependent EET production was lower in plasma, lung and aorta of ecPOR-/- mice and this was accompanied with increased levels of vasoconstriction prostanoids (lipidomics of aorta, plasma and lung freshly isolated from CTR and ecPOR-/- mice). MACE-RNAseq from these aortas also showed a significant increase in genes annotated to eicosanoid production. In an in vivo angiotensin II model, acute deletion of POR increased the blood pressure as measured by telemetry and tail cuff (137.4 ± 15.9 mmHg in WT; 152.1 ± 7.154 mmHg in ecPOR-/-). In a rescue experiment using the NSAID naproxen, the increase in blood pressure induced by deletion of endothelial POR was abolished.
Conclusion: Collectively, in endothelial cells POR regulates eNOS activity and orchestrates the metabolic fate of arachidonic acid towards the vessel dilating EETs and away from deleterious prostanoids. In the absence of POR this endothelial regulation is compromised leading to vascular dysfunction.
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.
This thesis develops a naturalist theory of phenomenal consciousness. In a first step, it is argued on phenomenological grounds that consciousness is a representational state and that explaining consciousness requires a study of the brain’s representational capacities. In a second step, Bayesian cognitive science and predictive processing are introduced as the most promising attempts to understand mental representation to date. Finally, in a third step, the thesis argues that the so-called “hard problem of consciousness” can be resolved if one adopts a form of metaphysical anti-realism that can be motivated in terms of core principles of Bayesian cognitive science.
Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von molekularen Systemen, die aus mehreren Chromophoren bestehen und über einen Zweiphotonen-Prozess aktiviert werden können.
Die Zweiphotonen-Absorption (2PA) beschreibt die nahezu simultane Absorption zweier Photonen, deren Summe die Energie ergibt, die für den entsprechenden elektronischen Übergang nötig ist. Da für die Anregung somit zwei niederenergetische Photonen benötigt werden, kann für die 2PA Nahinfrarot-Licht (NIR-Licht) verwendet werden, welches eine geringe Phototoxizität aufweist und eine tiefe Gewebedurchdringung ermöglicht. Weiterhin wird durch die intrinsische dreidimensionale Auflösung der 2PA eine hohe Ortsauflösung der Photoaktivierung erzielt.
Photolabile Schutzgruppen (PPGs) bzw. Photocages sind chemische Verbindungen, die der vorübergehenden Maskierung der biologischen Funktion eines (Makro-)Moleküls dienen. Sie können durch Licht geeigneter Wellenlängen abgespalten werden (uncaging), wodurch die Aktivität des geschützten Substrats wiederhergestellt wird. Leider weisen viele der etablierten PPGs schlechte Zweiphotonen-Eigenschaften auf. Um die 2P-Aktivität einer PPG zu erhöhen, kann sie kovalent mit einem guten Zweiphotonen-Absorber verknüpft werden, der bei Bestrahlung das Licht über einen Zweiphotonen-Prozess absorbiert und anschließend mittels Energietransfer auf die photolabile Schutzgruppe überträgt. Dies führt schließlich zur Uncaging-Reaktion.
Im Zuge von Projekt I dieser Dissertation wurde eine solche molekulare Dyade für verbessertes Zweiphotonen-Uncaging bestehend aus einem Rhodamin-Fluorophor als Zweiphotonen-Absorber und einem Rotlicht-absorbierenden BODIPY als photolabile Schutzgruppe hergestellt und charakterisiert. Die Zweiphotonen-Aktivität des Fluorophors wurde mittels TPEF-Messungen (two-photon excited fluorescence) untersucht. Anschließend wurde das Rhodamin an einen 3,5-Distyryl-substituierten BODIPY-Photocage gekuppelt. Der Energietransfer innerhalb dieser Dyade wurde mithilfe von transienter Ultrakurzzeit-Spektroskopie und quantenmechanischen Berechnungen untersucht. Die Freisetzung der Abgangsgruppe para-Nitroanilin (PNA) bei Belichtung der Dyade konnte sowohl nach Einphotonen-Anregung des Rhodamins als auch des BODIPYs mithilfe von UV/vis-Absorptionsmessungen qualitativ nachgewiesen werden.
Da die Uncaging-Reaktion allerdings nicht besonders effektiv war, wurde für die Weiterführung des Projekts ein neuer BODIPY Photocage, der eine verbesserte Photolyse-Effizienz und eine höhere Photostabilität aufwies, verwendet und erneut an einen Rhodamin-Fluorophor geknüpft. Anhand dieser optimierten Dyade konnte die Einphotonen-Photolyse quantifiziert, d.h. eine Uncaging-Quantenausbeute für die Freisetzung von PNA bestimmt werden. Weiterhin wurde beobachtet, dass die Photolyse der Dyade mit einer deutlichen Änderung ihrer Fluoreszenzeigenschaften einherging. Dies ermöglichte einen Nachweis des Zweiphotonen-Uncagings mithilfe eines Fluoreszenzmikroskops. Die Dyaden-Moleküle wurden zur Immobilisierung in Liposomen eingeschlossen und unter dem konfokalen Fluoreszenzmikroskop belichtet. Sowohl nach Einphotonen- als auch nach Zweiphotonen-Anregung der Rhodamin-Einheit konnte die gewünschte Fluoreszenzänderung beobachtet und somit das Uncaging bestätigt werden.
In Projekt II der Dissertation wurde ein photoaktivierbarer Fluorophor (PAF) hergestellt. PAFs liegen in ihrer geschützten Form dunkel vor. Durch die Aktivierung mit Licht können sie Fluoreszenzsignale emittieren. Sie liefern somit ein direktes Feedback über die Lichtverteilung und –intensität innerhalb einer Probe und werden somit unter anderem für die Charakterisierung und Optimierung von Belichtungsapparaturen verwendet. Besonders wünschenswert ist hierbei eine Fluoreszenzaktivierung mit sichtbarem Licht bzw. mit NIR-Licht über einen Zweiphotonen-Prozess.
Im Zuge der Arbeit wurde ein Rhodamin-Derivat synthetisiert, das durch die Anbringung eines DEACM450-Photocages in seine nichtemittierende Form gezwungen wurde. Bei Bestrahlung mit 455 nm konnte die Abspaltung der Cumarin-Schutzgruppe und der damit verbundene Anstieg der Rhodamin-Fluoreszenz beobachtet und eine Uncaging-Quantenausbeute bestimmt werden. Für die Untersuchung der Zweiphotonen-Photolyse wurde der geschützte Fluorophor in einem Hydrogel immobilisiert und unter dem konfokalen Fluoreszenzmikroskop betrachtet werden. Anschließend wurden Fluoreszenzbilder vor und nach Photoanregung von bestimmten Regionen des Hydrogels aufgenommen. Durch das Uncaging der Probe konnten helle, definierte Muster geschrieben und ausgelesen werden. Die Photoaktivierung führte dabei sowohl über die Einphotonen-Anregung mit blauem Licht (488 nm) als auch über die Zweiphotonen-Anregung mit NIR-Licht (920 nm) zur Generierung von stabilen, gleichmäßigen Fluoreszenzmustern mit hohem Kontrast.