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Autophagy is an important degradation pathway mediating the engulfment of cellular material (cargo) into autophagosomes followed by degradation in autophagosomes.
Different stress stimuli, e.g. nutrient deprivation, oxidative stress or organelle damage, engage autophagy to maintain cellular homeostasis, recycle nutrients or remove damaged cell organelles. Autophagy not only degrades bulk cytoplasmic material but also selective autophagic cargo, for example lysosomes (lysophagy), mitochondria (mitophagy), ER (ER-phagy), lipid droplets (lipophagy), protein aggregates (aggrephagy) or pathogens (xenophagy). Selective autophagy pathways are regulated by selective autophagy receptors which bind to ubiquitinated cargo proteins and link them to LC3 on the autophagosomal membrane.
Ubiquitination is an essential post-translational modification controlling different cellular processes such as proteasomal and lysosomal degradation or innate immune signaling.
M1-linked (linear) poly-Ubiquitin (poly-Ub) chains are exclusively assembled by the E3 ligase linear ubiquitin chain assembly complex (LUBAC) and removed by the M1 poly-Ub-specific OTU domain-containing deubiquitinase with linear linkage specificity (OTULIN). In addition to key functions in innate immune signaling and nuclear factor-κB (NF-κB) activation, M1 ubiquitination is also implicated in the regulation of autophagy.
LUBAC and OTULIN control autophagy initiation and maturation and the autophagic clearance of invading bacteria via xenophagy. However, additional functions of LUBAC- and OTULIN-regulated M1 ubiquitination in autophagy are largely unknown and it also remains unexplored if LUBAC and OTULIN control other selective autophagy pathways in addition to xenophagy. This study aimed to unravel the role of LUBAC- and OTULIN-controlled M1 ubiquitination in bulk and selective autophagy in more detail.
In this study, characterization of OTULIN-depleted MZ-54 glioblastoma (GBM) cells revealed that OTULIN deficiency results in enhanced LC3 lipidation in response to autophagy induction and upon blockade of late stage autophagy with Bafilomycin A1 (BafA1). Furthermore, electron microscopy analysis showed that OTULIN-deficient cells have an increased number of degradative compartments (DGCs), confirming enhanced autophagy activity upon loss of OTULIN. APEX2-based autophagosome content profiling identified various OTULIN-dependent autophagy cargo proteins. Among these were the autophagy receptor TAX1BP1 which regulates different forms of selective autophagy (e.g. lysophagy, aggrephagy) and the glycan-binding protein galectin-3 which serves key functions in lysophagy, suggesting a role of OTULIN and M1 poly-Ub in the regulation of aggrephagy and lysophagy.
Abstract 2
To study aggrephagy, protein aggregation was induced with puromycin which causes premature termination of translation and accumulation of defective ribosomal products (DRiPs). Loss of OTULIN increased the number of M1 poly-Ub-positive foci and insoluble proteins and reduced the levels of soluble TAX1BP1 and p62 in response to puromycin-induced proteotoxic stress.
Intriguingly, upon induction of lysosomal membrane permeabilization (LMP) with the lysosomotropic drug L-Leucyl-L-Leucine methyl ester (LLOMe), M1 poly-Ub strongly accumulated at damaged lysosomes and colocalized with TAX1BP1- and galectin-3-positive puncta. M1 poly-Ub-modified lysosomes formed a platform for NF-κB essential modulator (NEMO) and inhibitor of κB (IκB) kinase (IKK) complex recruitment and local NF-κB activation in a K63 poly-Ub- and OTULIN-dependent manner. Furthermore, inhibition of lysosomal degradation enhanced LLOMe-induced cell death, suggesting pro-survival functions of lysophagy following LMP. Enrichment of M1 poly-Ub at damaged lysosomes was also observed in human dopaminergic neurons and in primary mouse embryonic cortical neurons, confirming the importance of M1 poly-Ub in the response to lysosomal damage.
Together, these results identify OTULIN as a negative regulator of autophagy induction and the autophagic flux and reveal OTULIN-dependent autophagy cargo proteins.
Furthermore, this study uncovers novel and important roles of M1 poly-Ub in the response to lysosomal damage and local NF-κB activation at damaged lysosomes.
Das Schilddrüsenkarzinom (SK) ist die häufigste bösartige endokrine Tumorerkrankung. Während das nicht-metastasierte und nicht-mutierte papilläre Schilddrüsenkarzinom (PSK) und das follikuläre Schilddrüsenkarzinom (FSK) eine gute Heilungschance aufweisen, zeigen die mutierten und metastasierten Varianten des PSK und FSK sowie das anaplastische Schilddrüsenkarzinom (ASK) weiterhin eine schlechte Prognose. Die Entwicklung von Therapieresistenzen stellen hierbei ein Hauptproblem in der Behandlung des fortgeschrittenen Schilddrüsenkarzinoms dar.
In den letzten Jahren wurden in Studien zunehmend Tumor-initiierende Zellen (TIZ) beschrieben, welche eine kleine Subpopulation von Zellen mit der Fähigkeit zur Selbsterneuerung, Tumorinitiierung und Entwicklung von Therapieresistenzen von Tumoren darstellen. Die Existenz von TIZ wurde auch im SK nachgewiesen. Ein entscheidender Faktor für die Persistenz von TIZ ist die Hypoxie, welche über eine Veränderung des Tumormikromilieus und des Zellmetabolismus zur Entstehung von Therapieresistenzen beiträgt. Ein durch Hypoxie hochreguliertes Enzym ist die Carboanhydrase IX (CAIX). CAIX wird hauptsächlich von Tumorzellen exprimiert und katalysiert die Reaktion von Kohlendioxid zu Bicarbonat und einem Proton und trägt damit zur Säurepufferung der Tumorzelle bei. CAIX stellt somit einen entscheidenden Faktor für das Überleben von Tumorzellen in einem hypoxischen Milieu dar. Des Weiteren ist eine erhöhte Expression von CAIX mit einem schlechten Patienten-Outcome assoziiert, wie z.B. im Brustkrebs. Diese Eigenschaften machen CAIX zu einem attraktiven Angriffspunkt einer zielgerichteten Tumortherapie. Die vorliegende Studie hat zum Ziel, die Expression von CAIX sowie dessen biologische Rolle im Schilddrüsenkarzinom näher zu untersuchen.
Hierzu wurden Proben von 114 SK-Patienten immunhistochemisch auf eine CAIX-Expression untersucht und mit tumorfreiem Schilddrüsengewebe verglichen. Hierbei waren unterschiedliche SK-Subtypen vertreten. Für eine weitere Validierung der Expressionsdaten erfolgte die Auswertung eines Datasets von „The Cancer Genome Atlas“ (TCGA) mithilfe von cBioportal. Da die Hypoxie ein wichtiger Faktor für die Persistenz von TIZ ist, wurde die CAIX-Expression in Tumorsphären, ein in vitro Nachweis von TIZ-Aktivität, mittels der Durchflusszytometrie bestimmt und mit der CAIX-Expression von Monolayern verglichen. Als SK-Zelllinien wurden BCPAP (PSK), FTC 133 (FSK) und 8505 C (ASK) verwendet. Anschließend wurde mithilfe der Polymerasekettenreaktion und Immunofluoreszenzfärbung untersucht, ob eine CAIX-Expression in den Tumorsphären mit der Expression von bereits bekannten Stammzellmarkern, u.a. NANOG, assoziiert ist. Die Unterschiede der CAIX-Expression, nach Inkubation der Monolayer jeweils in Normoxie und Hypoxie, wurden mittels Durchflusszytometrie bestimmt. Mithilfe eines genetischen CAIX-Knockdowns sowie einer pharmakologischen Inhibition mit dem CAIX-Inhibitor Methazolamid (MZM) wurde die Tumorzellproliferation und -Sphärenbildung unter Normoxie und Hypoxie bestimmt. Zusätzlich wurde der Einfluss von MZM auf die Apoptose und den Zellzyklus untersucht.
Immunhistochemische Färbungen der Gewebeproben von SK-Patienten zeigten, dass die CAIX-Expression sowohl im PSK und FSK als auch im ASK im Vergleich zum tumorfreien Schilddrüsengewebe erhöht war. Des Weiteren zeigte die klinisch-pathologische Datenanalyse, dass eine erhöhte CAIX-Expression mit dem Auftreten von Lymphknotenmetastasen im differenzierten SK assoziiert war. Auch die Analyse des TCGA-Datasets bestätigte, dass eine erhöhte Expression der CAIX-mRNA mit einem fortgeschrittenen Tumorstadium, Fernmetastasen und mit einem kürzeren Gesamt-Überleben von SK-Patienten korrelierte. Die weiteren funktionellen in vitro Untersuchungen ergaben, dass die CAIX-Expression in den Tumorsphären im Vergleich zu Monolayern erhöht und mit einer erhöhten Expression von Stammzellmarkern assoziiert war. Ein genetischer CAIX-Knockdown und eine CAIX-Inhibition mit MZM führten über eine Induktion der Apoptose und eines Zellzyklusarrests zu einer verminderten Tumorzellproliferation und Sphärenbildung.
Zusammenfassend deuten die Ergebnisse darauf hin, dass CAIX ein vielversprechendes Zielmolekül für eine gezielte Tumortherapie des fortgeschrittenen SK ist. Um diese Hypothese bestätigen zu können, sind jedoch weitere prospektive Analysen von Patientenproben sowie funktionelle in vivo Untersuchungen am SK nötig.
Finanzielle Armut prägt Mobilitätspraktiken und kann dabei zum Prozess von mobilitätsbezogener sozialer Exklusion beitragen. Zu den Personen, deren Armutsrisiko besonders hoch ist, zählen in Deutschland Haushalte mit Kindern, insbesondere Alleinerziehende. Ältere Menschen haben nicht die höchste Armutsgefährdung, jedoch besteht bei ihnen das Risiko von Verharrung in Armut, da die Möglichkeiten, die finanzielle Situation aus eigener Kraft zu ändern mit zunehmendem Alter sinken.
Um ein tieferes Verständnis davon zu erhalten, wie finanzielle Armut die Mobilitätspraktiken und soziale Teilhabe von Haushalten mit Kindern sowie älteren Menschen prägt, wurden mit diesen beiden Personengruppen problemzentrierte Interviews in Ronnenberg (Region Hannover) geführt und analysiert. Die Ergebnisse belegen, dass, wenngleich alle Befragten mit ähnlich geringen finanziellen Ressourcen haushalten und Verzicht sowie Abwägungsprozesse notwendig sind, sich ihre Mobilitätspraktiken und Alltagsbewältigungsstrategien unterscheiden, was sich in zwei Typologien widerspiegelt. Erstens, eine Typologie der Mobilitätspraktiken von Haushalten mit Kindern: (i) autozentriert, (ii) autoreduziert, (iii) ÖPNV-orientiert und (iv) nichtmotorisiert. Zweitens, eine Typologie älterer Menschen anhand ihrer Mobilitätspraktiken: (i) aktive ältere Menschen mit vielseitigen sozialen Interaktionen, (ii) nachbarschaftsorientierte ältere Menschen mit lokalen Kontakten und (iii) ältere Menschen, die überwiegend zu Hause sind und wenig soziale Kontakte haben.
Um herauszufinden, inwiefern mobilitätsbezogene Barrieren der sozialen Teilhabe reduziert werden können, wurden fünf Maßnahmen bezüglich ihrer Wirkung auf die Mobilitätspraktiken einkommensarmer Haushalte mit Kindern untersucht: einerseits die Wirkung des 9-Euro-Tickets anhand von problemzentrierten Interviews mit einkommensarmen Haushalten mit Kindern, andererseits anhand von Expert:inneninterviews die Wirkung von Radlernkursen für Frauen mit Migrationshintergrund, eines Mietertickets, eines Quartierstickets und der Verbesserung der Nahraum- und Aufenthaltsqualität am Beispiel von Tempo 30. Die Ergebnisse zum 9-Euro-Ticket belegen, dass ein erschwingliches ÖPNV-Ticket erheblich zur Reduzierung mobilitätsbezogener Barrieren der sozialen Teilhabe im Armutskontext beiträgt. Die Expert:inneninterviews zeigen auf, dass eine Förderung des Umweltverbunds zielführend ist, um zu einer sozial-ökologischen Verkehrswende beizutragen und insbesondere Maßnahmenbündel Wirkung auf die Reduzierung von mobilitätsbezogenen Barrieren der sozialen Teilhabe entfalten.
Die Erkenntnisse dieser Dissertation ergänzen den wissenschaftlichen Forschungstand um ein tiefergehendes Verständnis der Wirkung von finanzieller Armut auf die Mobilitätspraktiken und soziale Teilhabe von Haushalten mit Kindern und älteren Menschen und helfen dabei, Maßnahmen zur Reduzierung mobilitätsbezogener Barrieren der sozialen Teilhabe zu konzipieren und umzusetzen.
Der Natrium-abhängige Kaliumkanal Slack (KNa1.1, Slo2.2, KCNT1) nimmt eine Schlüsselrolle in der Regulation neuronaler Erregbarkeit ein, indem er die Ausbildung und Feuerungsfrequenz von Aktionspotentialen kontrolliert. Sowohl in Mäusen als auch in Menschen wird Slack besonders hoch in nicht-peptidergen C-Faser-Neuronen exprimiert. Wissenschaftliche Erkenntnisse der letzten Jahre konnten die Beteiligung von Slack-Kanälen in der Signalverarbeitung neuropathischer Schmerzen, aber auch in verschiedenen Arten von Pruritus, feststellen. Dabei zeigen Slack-defiziente Mäuse ein verstärktes mechanisches Schmerzverhalten nach einer peripheren Nervenverletzung und ein erhöhtes Kratzverhalten in akuten Juckreiz-Modellen. Das als Slack-Aktivator identifizierte trizyklische Neuroleptikum Loxapin zeigt sowohl analgetische als auch antipruritische Effekte in Mäusen, jedoch ist sein klinischer Einsatz auf Grund schwerwiegender antipsychotischer Nebenwirkungen limitiert. Basierend auf Loxapins Leitstruktur wurden daher in dieser Arbeit neue Slack-Aktivatoren mit einem verbesserten pharmakologischen Profil designed und ihr Potential für die Therapie von Schmerzen sowie akutem und chronischem Pruritus in vivo untersucht.
Inorganic phosphate is one of the most abundant and essential nutrients in living organisms. It plays an indispensable role in energy metabolism and serves as a building block for major cellular components such as the backbones of DNA and RNA, headgroups of phospholipids and in posttranslational modifcations of many proteins. Disturbances in cellular phosphate homeostasis have a detrimental effect on the viability of cells. There- fore, both the import and export of phosphate is strictly regulated in eukaryotic cells. In the eukaryotic model organism Saccharomyces cerevisiae, the uptake of phosphate is carried out either by transporters with high affinity or by transporters with low affinity, depending on the cytosolic phosphate concentration. While structures are available for homologues of the high-affinity transporters, no structures of low-affinity transporters have been solved so far. Interestingly, only the low-affinity transporters have a regulatory SPX domain, which is found in various proteins involved in phosphate homeostasis.
In this work, structures of Pho90 from Saccharomyces cerevisiae, a low-affinity phosphate transporter, were solved by cryo-EM, providing insights into its transport mechanism. The dimeric structure resembles the structures of proteins of the divalent anion symporter superfamily (DASS) and of mammalian transporters of the solute carrier 13 (SLC13) family. The transmembrane domain of each protomer consists of 13 helical elements and can be subdivided into scaffold and transport domains. The structure of ScPho90 in the presence of phosphate shows the phosphate binding site within the transporter domain in an outward-open conformation with a bound phosphate ion and two sodium ions. In the absence of phosphate, an asymmetric dimer structure was determined, with one protomer adopting an inward-open conformation. While the dimer contact and the scaffold domain are identical in both conformations, the transport domain is rotated by about 30° and shifted by 11 Å towards the cytoplasmic side, leading to the accessibility of the binding pocket from the cytoplasm. Based on these findings and by comparison with known structures, a phosphate transport mechanism is proposed in the present work that involves substrate binding on the extracellular side, conformational change by a rigid-body motion of the transport domain, in an "elevator-like" motion, and substrate release into the cytoplasm. The regulatory SPX domain is not well resolved in the ScPho90 structures, so that no direct conclusions were drawn about its regulatory mechanism. The findings provide new insights into the function and mechanism of eukaryotic low-affinity phosphate transporters.
While eukaryotic cells express various phosphate import proteins, most eukaryotes have only a single highly conserved and essential phosphate exporter. These exporters show no sequence homology to other transporters of known structure, but also possess a regulatory SPX domain. In this work, the structural basis for eukaryotic phosphate export is investigated by elucidating the structures of the homologous phosphate exporters Syg1 from Saccharomyces cerevisiae and Xpr1 from Homo sapiens, using cryo-EM. The structures of ScSyg1 and HsXpr1 show a conserved homodimeric structure and the transmembrane part of each protomer consists of 10 TM helices. Helix TM1 establishes the dimer contact by means of a glycine zipper motif, which is a known oligomerization motif. Helices TM2-5 form a hydrophobic pocket that has density for a lipid molecule. Whether the lipid binding into the hydrophobic pocket has an allosteric effect on the phosphate export activity or only serves protein stabilization is not known. Helices TM5-10 form a six-helix bundle, which constitutes a putative phosphate translocation pathway in its center. This bundle is formed by the protein sequence annotated as EXS domain.
The respective phosphate translocation pathways of ScSyg1 and HsXpr1 show structural differences. While the translocation pathway in HsXpr1 is accessible from the cytoplasm, in ScSyg1 it is closed by a large loop of the SPX domain. Interestingly, this loop is not conserved in higher eukaryotes and is therefore not present in HsXpr1. Another difference are distinct conformations of helix TM9. In ScSyg1, TM9 adopts a kinked conformation, which results in the translocation pathway being open to the extracellular side. In contrast, TM9 adopts a straight conformation in HsXpr1, resulting in the placement of a highly conserved tryptophane residue in the middle of the translocation pathway. As a result, the translocation pathway in HsXpr1 is closed to the extracellular side.
Einleitung: Die Zentrale Notaufnahme (ZNA) stellt eine Schnittstelle zwischen prä- und innerklinischer Versorgung dar. Das Spektrum der Krankheitsbilder erstreckt sich über jegliche Fachrichtungen und variiert von harmlosen Banalitäten bis zu akuten Notfällen. Eine sichere und suffiziente Primärversorgung ist die Basis eines qualitativ-hochwertigen Gesundheitssystems.2 Verspätete oder falsche Diagnosen in der ZNA sind mit 10-30 % keine Seltenheit.
Dies ist nicht nur für den individuellen Patienten belastend, es bedeutet auch einen zusätzlichen Ressourcenverbrauch und eine finanzielle Belastung für das Gesundheitssystem. Clinical Decision Support Systems (CDSS) haben das Potenzial, sowohl professionelle Anwender als auch Laien bei ihrer Diagnosefindung zu unterstützen. Fragestellung: Ziel der Arbeit ist es herauszufinden, welchen Einfluss der Diagnosezeitpunkt auf das Outcome von Patienten mit Abdominalschmerzen in der ZNA hat und inwiefern ein CDSS das Potenzial hat, die genannten Punkte zu beeinflussen.
Methoden: Es handelte sich um eine prospektive, doppelt verblindete Beobachtungsstudie. Patienten, die sich mit Abdominalschmerzen in der Notaufnahme vorstellten, gaben ihre Symptome in die Ada-App ein. Sowohl die Diagnosevorschläge der App als auch die Verdachtsdiagnosen des behandelnden Arztes wurden dokumentiert und verglichen. Weitere erhobene Parameter waren die Verwendung von apparativer Diagnostik, die vergangene Zeit bis zur endgültigen Diagnosestellung, das Auftreten von Komplikationen, die Komorbidität und Mortalität sowie die Länge des Krankenhausaufenthalts. Das Follow-Up erfolgte zu verschiedenen Zeitpunkten bis zu Tag 90. Für die Analyse wurden die 450 Patienten anhand des Zeitpunkts ihrer Diagnosestellung in Gruppen "früh" (Tag 0) und "spät" (Tag 1-24) eingeteilt.
Ergebnisse: Im Vergleich zur „frühen“ Gruppe, hatte die Gruppe der „spät“ diagnostizierten Patienten einen höheren Anteil von Männern (45.2% (n=168/372) versus 60.3 % (n=47/78); p=0.018), im Schnitt einen höheren Charlson Comorbidity Index (0.7 versus 1.1; p=0.045) und im Schnitt einen höheren RAI-C Score (8.06 versus 9.9; p<0.001) am Tag ihrer Vorstellung. Bei den „spät“ diagnostizierten blieben weniger Patienten komplikationsfrei (57.0 % 49 (n=212/372) versus 17.9% (n=14/78); p<0.001), es traten mehr Major-Komplikationen auf (8.9% (n=33/372) versus 17.9% (n=14/78); p=0.024), analog dazu war der Comprehensive Complication Index höher (13.1 versus 25.6; p<0.001) und sie verweilten länger im Krankenhaus (2.6 Tage versus 6.7 Tage; p<0.001). Zudem nahmen sie signifikant mehr apparative Diagnostik in Anspruch.
Die behandelnden Ärzte konnten in 82.6% der Fälle (n=372/450) am Tag der Vorstellung die korrekte Diagnose stellen. Die Ada-App konnte in insgesamt 52% der Fälle (n=234/450) die korrekte Diagnose unter ihren Diagnoseverschlägen nennen.
Schlussfolgerung: Multimorbide Patienten scheinen anfälliger zu sein für falsche und verspätete Diagnosen. Ein später Diagnosezeitpunkt korreliert mit der vermehrten Nutzung apparativer Diagnostik, einem komplikationsreicheren Verlauf, einer höheren Komorbidität und einem längeren Krankenhausaufenthalt.
Die Ada-App ist den Ärzten zwar unterlegen, dennoch ist Potenzial vorhanden.
Für Ärzte kann die Ada-App eine Unterstützung im Rahmen der Diagnosefindung darstellen. Neben der Ressourcenentlastung kann sie vor Fehlannahmen und frühzeitigen Schlussfolgerungen schützen und auf weitere mögliche Differentialdiagnosen hinweisen. Die Ada-App stellt für Laien mit Sicherheit eine Weiterentwicklung gegenüber der simplen Symptomsuche über das Internet dar, dennoch sollten weitere Studien den Nutzen und die Sicherheit der App überprüfen.
In Deutschland leidet ca. jeder zehnte Mensch über 40 Jahren an einer chronischen Einschränkung seiner Nierenfunktion. Nicht wenige davon sind im Laufe der Erkrankung auf eine Nierenersatztherapie angewiesen. Die Ursachen für eine Nierenschädigung sind vielfältig. Als neuartiger und vielversprechender Therapieansatz werden aktuell Mesenchymale Stamm-/Stromazellen (MSC) als Therapeutikum für diverse Nierenerkrankungen getestet. Erste Ergebnisse klinischer Phase-I-Studien zeigen, dass MSC sicher als Immunsuppressivum nach Nierentransplantation angewendet werden können. Auch für weitere Erkrankungen der Niere sind erste klinische Studien am Laufen. MSC gelten als regenerativ, immunsupprimierend und antientzündlich. Dennoch gibt es noch einige Limitationen. Nach der Transplantation der Zellen ist das Wachstum der Zellen oft eingeschränkt und es kommt zur vermehrten Apoptose. Auch wird immer wieder ein paradoxes und entzündungsförderndes Verhalten der MSC am Wirkort beobachtet. Ein wichtiger Lösungsansatz ist eine in vitro Vorbehandlung der MSC zur Modulierung der zellulären Eigenschaften. In dieser Arbeit wurden drei Substanzen und Arzneimittel auf ihre Fähigkeit untersucht, die entzündungshemmenden Eigenschaften der MSC zu verbessern und die entzündungsfördernden zu unterdrücken. Der Fokus lag hierbei auf dem Arzneimittel Niclosamid und den beiden bisher noch nicht zugelassenen Substanzen Berberin und Gedunin, die alle in vitro und in vivo bereits erste vielversprechende antientzündliche Wirkungen bewiesen haben. Für diese Arbeit wurden MSC aus Fettgewebe isoliert (ASC) und mit LPS oder einem Cytokin-Mix (Mischung aus TNF-α, IFN-γ und IL-1β) sowie den drei Substanzen stimuliert. Untersucht wurden im Anschluss die mRNA-Expressionen der gängigsten proinflammatorischen (TNF-α, IL-6, TLR-4, ICAM-1, HLA-DR) und antiinflammatorischen Marker (IDO, IL-10), sowie mittels ELISA die Protein-Freisetzung von IL-6 und IL-8. Die vielversprechendsten Ergebnisse ließen sich durch Berberin hervorrufen. Hier zeigte sich eine deutliche Senkung der IL-8-Konzentration im ELISA. Die Anwendung des Gedunin hatte keine signifikante Wirkung auf die ASC. Niclosamid hingegen scheint widererwarten sogar entzündungsfördernd zu wirken, in dem es die IL-6-, ICAM-1-mRNA-Expression steigerte und die IDO-mRNA-Expression absenkte. Unter den drei getesteten Subtanzen hat Berberin die beste Wirkung bewiesen. Nach weiterer Testung könnte eine Anwendung mit Berberin als in vitro Präkonditionierung von MSC vielversprechend sein. Die Verwendung von Niclosamid hingegen sollte vermieden werden, die Wirkung von Gedunin müsste genauer untersucht werden.
Exploring strategies to improve the reverse beta-oxidation pathway in Saccharomyces cerevisiae
(2024)
Microbes are the most diverse living organisms on Earth, with various metabolic adaptations that allow them to live in different conditions and produce compounds with different chemical complexity. Microbial biotechnology exploits the metabolic diversity of microorganisms to manufacture products for different industries. Today, the chemical industry is a significant energy consumer and carbon dioxide emitter, with processes that harm natural ecosystems, like the extraction of medium-chain fatty acids (MCFAs). MCFAs are used as precursors for biofuels, volatile esters, surfactants, or polymers in materials with enhanced properties.
However, their current extraction process uses large, non-sustainable monocultures of coconut and palm trees. Therefore, the microbial production of MCFAs can help reduce the current environmental impact of obtaining these products and their derivatives.
In nature, fatty acids are mostly produced via fatty acid biosynthesis (FAB). However, the reverse β-oxidation (rBOX) is a more energy-efficient pathway compared to FAB. The rBOX pathway consists of four reactions, which result in the elongation of an acyl-CoA molecule by two carbon units from acetyl-CoA in each cycle. In this work we used Saccharomyces cerevisiae, an organism with a high tolerance towards toxic compounds, as the expression host of the rBOX pathway to produce MCFAs and medium-chain fatty alcohols (MCFOHs).
In the first part of this work, we expanded the length of the products from expressing the rBOX in the cytosol and increased the MCFAs titres. First, we deleted the major glycerol-3-phosphate dehydrogenase (GPD2). This resulted in a platform strain with significantly reduced glycerol fermentation and increased rBOX pathway activity, probably due to an increased availability of NADH. Then, we tested different combinations of rBOX enzymes to increase the length and titres of MCFA. Expressing the thiolase CnbktB and β-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase CnpaaH1 from Cupriavidus necator, Cacrt from Clostridium acetobutylicum and the trans-enoyl-CoA reductase Tdter (Treponema denticola) resulted in hexanoic acid as the main product.
Expressing Cncrt2 (C. necator) or YlECH (Y. lipolytica) as enoyl-CoA hydratases resulted in octanoic acid as the main product. Then, we integrated the octanoic (Cncrt2 or YlECH) and the hexanoic acid (Cacrt)-producing variants in the genome of the platform strain and we achieved titers of ≈75 mg/L (hexanoic acid) and ≈ 60 mg/L (octanoic acid) when growing these strains in a complex, highly buffered medium. These are the highest titers of octanoic and hexanoic acid obtained in S. cerevisiae with the rBOX. Additionally, we deleted TES1 and FAA2 to prevent competition for butyryl-CoA and degradation of the produced fatty acids, respectively.
However, these deletions did not improve MCFA titers. In addition, we tested two dual acyl-CoA reductase/alcohol dehydrogenases (ACR/ADH), CaadhE2 from C. acetobutylicum and the putative ACR/ADH EceutE from Escherichia coli, in an octanoyl-CoA-producing strain to produce MCFOH. As a result, we produced 1-hexanol and 1-octanol for the first time in S. cerevisiae with these two enzymes. Nonetheless, the titres were low (<10 mg/L and <2 mg/L, respectively), and four-carbon 1-butanol was the main product in both cases (>80 mg/L). This showed the preference of these two enzymes for butyryl-CoA.
In the second part of this work, we expressed the rBOX in the mitochondria of S. cerevisiae to benefit from the high levels of acetyl-CoA and the reducing environment in that organelle. First, in an adh-deficient strain, we mutated MTH1, a transcription factor regulating the expression of hexose transporters, and deleted GPD2. This resulted in a strain with a reduced Crabtree effect and, therefore, an increased carbon flux to the mitochondria. We partially validated the increased flux to the mitochondria by expressing the ethanol-acetyltransferase EAT1 from Kluyveromyces marxianus in this organelle. This resulted in a higher isoamyl acetate production in the MTH1-mutant strain. Isoamyl acetate is synthesised by Eat1 from acetyl-CoA and isoamyl alcohol, a product of the metabolism of amino acids in the mitochondria. Then, we targeted different butyryl-CoA-producing rBOX variants to the mitochondria, and we used the production of 1-butanol and butyric acid as a proof-of-concept. The strong expression of all the enzymes was toxic for the cell, and the highest butyric acid titres (≈ 50 mg/L) in the mitochondria from the rBOX were obtained from the weak expression of the pathway. The highest 1-butanol titers (≈ 5 mg/L) were obtained with the downregulation of the mitochondrial NADH-oxidase NDI1. However, this downregulation led to a non-desirable petite phenotype.
In summary, we produced hexanoic and octanoic acid for the first time in S. cerevisiae using the rBOX and achieved the highest reported titers of hexanoic and octanoic acid so far using this pathway in S. cerevisiae. In addition, we successfully compartmentalised the rBOX in the mitochondria. However, competing reactions, some of them essential for the viability of the cell, limit the use of this organelle for the rBOX.
Die Appendizitis stellt mit einer Inzidenz von 115 pro 100000 Einwohnern in Deutschland eine der häufigsten Ursachen für ein akutes Abdomen dar. Bakterielle Infektionen sind ein wesentlicher Faktor für die postoperative Morbidität nach Appendektomie.
Ziel dieser prospektiven Studie war es, das Keimspektrum und insbesondere die Prävalenz resistenter Keime bei der akuten Appendizitis zu bestimmen und die Auswirkungen resistenter Keime auf das Auftreten infektiöser Komplikationen zu analysieren. Alle erwachsenen Patient*innen mit akuter Appendizitis, die zwischen April 2022 und Juli 2023 am Universitätsklinikum Frankfurt operativ behandelt wurden, wurden prospektiv eingeschlossen. Das Keimspektrum der Appendix und die Häufigkeit von MRE in Rektalabstrichen wurden analysiert. Die klinischen Daten wurden extrahiert, um die Korrelation des Keimspektrums mit dem Auftreten von postoperativen Komplikationen, Dauer und Art der Antibiotikatherapie und dem postoperativen Verlauf zu evaluieren. 30 Tage nach der Operation wurde ein Follow-up durchgeführt. Insgesamt wurden 105 Patient*innen in die Studie eingeschlossen.
In den Appendixabstrichen gelang ein Erregernachweis bei 67,6 % aller Fälle. Hierbei betrug die Prävalenz von Keimen mit Antibiotikaresistenz 43,8 %, Multipler-Antibiotikaresistenz (MAR) 27,6 % und bei 5,7 % der Fälle gelang ein MRE-Nachweis nach CDC im Appendixabstrich. Beim MRE-Screening konnten im Rektalabstrich bei 11,4 % der Patient*innen ein MRE nachgewiesen werden. In vier Fällen zeigte sich eine Übereinstimmung zwischen rektalen und appendikulären Abstrich, somit betrug die Sensitivität des MRE-Screenings für einen Nachweis multiresistenter Keime in der Appendix lediglich 33,3 % bei einer Spezifität von 86,7 %. In einer univariaten Analyse konnte das Vorliegen eines Diabetes mellitus als Risikofaktor für das Auftreten von Keimen mit Cefuroxim- Resistenz, Multipler-Antibiotikaresistenz (MAR) und MRE identifiziert werden.
Insgesamt erhielten 47,6 % aller Patient*innen postoperativ eine Antibiotikatherapie, von denen erfolgte bei 46 % eine Umstellung der empirischen Antibiose auf eine antibiogramm-gerechte Therapie nach Erhalt des mikrobiologischen Befundes. Insbesondere Patient*innen mit komplizierter Appendizitis erhielten postoperativ eine Antibiotikatherapie, wobei 28 % eine Antibiotikaeskalation benötigten.
Patient*innen, deren Appendixabstriche eine Resistenz gegen maximal ein Antibiotikum aufwiesen, wurden als nicht multiple Resistenz (Nicht-MAR) definiert und mit Patient*innen verglichen, deren Keime mit multipler Antibiotikaresistenz (MAR) waren. Die MAR-Gruppe zeigte im Vergleich zur Nicht-MAR-Gruppe eine höhere Inzidenz postoperativer Komplikationen, insbesondere eine erhöhte Inzidenz von Clavien-Dindo Grad 3 Komplikationen sowie von tiefen postoperativen Wundinfektionen (CDC Grad A3). Weiterhin benötigten Patient*innen der MAR-Gruppe häufiger eine postoperative Antibiotikatherapie und es erfolgte häufiger eine Eskalation der antibiotischen Therapie. Dies ging auch mit einem signifikant verlängerten Krankenhausaufenthalt einher.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass eine bakterielle Infektion mit Multipler Antibiotikaresistenz bei der akuten Appendizitis häufig auftritt und die Morbidität nach Appendektomie beeinflusst. Die mikrobiologische Untersuchung mittels Appendixabstrich bei operativ behandelten Fällen von akuter komplizierter Appendizitis, die eine postoperative Antibiotikatherapie erfordern, könnte somit eine gezielte und kürzere Antibiotikatherapie ermöglichen. Dies könnte dazu beitragen, längere Krankenhausaufenthalte zu vermeiden, den unnötigen Einsatz unwirksamer Antibiotika zu reduzieren und die Kosten im Gesundheitswesen zu senken.
Hidradenitis suppurativa ist eine multifaktoriell-bedingte chronisch entzündliche Hauterkrankung, die durch eine Okklusion der Talgdrüseneinheit des Haarfollikels entsteht. Aus der anschließend mit Entzündung einhergehenden Ruptur des Haarfollikels entwickeln sich entzündliche Knoten, Abszesse und Fistelgänge. (39–41) In der weiteren Progression der Erkrankung kommt es zur Störung der Hautarchitektur und fibrotischen Narbenbildungen. (52) Durch Untersuchungen des entzündlichen Infiltrates konnte bereits die Beteiligung einer Reihe von Immunzellen und Entzündungsmediatoren identifiziert werden. Hierzu zählen Makrophagen, neutrophile Granulozyten, Dendritische Zellen, Lymphozyten, IL-1β sowie TNF-α. (41,45,46,51,53) Da die genaue Pathophysiologie der Hidradenitis suppurativa bislang unzureichend aufgeklärt ist, gibt es aktuell keine kausale Therapiemöglichkeit für die Betroffenen. (52) Die Wahl der Therapie wird anhand der Bewertung des Schweregrades nach Hurley getroffen. (25) Obwohl meisten Patientinnen und Patienten von der milden bis mittelschweren Form der Hidradenitis suppurativa (Hurley I und Hurley II) betroffen sind (98), werden die meisten Arzneimittel für die Behandlung von Hurley II und Hurley III von den Leitlinien empfohlen. Zu den empfohlenen Medikamenten gehören u. a. Rifampicin, meist in Kombination mit Clindamycin, sowie der TNF-α-Inhibitor Adalimumab (18,85), welche effektiv und systemisch wirken. Durch die entstehenden Nebenwirkungen wäre die Behandlung der milden bis mittelschweren Hidradenitis suppurativa mit diesen Medikamenten allerdings unverhältnismäßig. Um jedoch den im Verlauf der Krankheit entstehenden Hautdestruktionen vorbeugen zu können, müssten die Medikamente möglichst früh eingesetzt werden. (228) Vor diesem Hintergrund sollte in Kooperation mit dem Institut für Pharmazeutische Technologie der Goethe Universität Frankfurt eine Rifampicin-Nanoformulierung zur Behandlung milder bis mittelschwerer Hidradenitis suppurativa entwickelt und im Labor der dermatologischen Klinik präklinisch validiert werden.
Daher wurde im ersten Teil der vorliegenden Arbeit ein Epidermismodell aus der Haut betroffener Patientinnen und Patienten generiert, um die Rifampicin-Nanoformulierung validieren zu können. Dieses wies eine mehrschichtige Epidermis mit allen wichtigen Differenzierungsmarkern ähnlich der läsionalen Hidradenitis suppurativa auf und schüttete die proinflammatorischen Zytokine IL-1β und TNF-α aus. Als weiteres Modell wurden ex vivo Explantate aus läsionaler Hidradenitis suppurativa Haut etabliert. Für die Bewertung der Validität der Explantatkulturen wurde die Morphologie und Integrität der Epidermis mittels Hämatoxylin-Eosin sowie der Proliferationsmarker Ki-67 näher beleuchtet. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden Untersuchungen für die Festlegung eines Konzentrationsbereichs, unter Verwendung von Rifampicin in DMSO gelöst als in vitro Behandlung, durchgeführt.
Hierbei wurde gezeigt, dass die eingesetzten Konzentrationen keine negativen Effekte bezüglich Proliferationsfähigkeit der Keratinozyten oder Apoptoseinduktion ausüben. Die Behandlung von nicht entzündlichen Epidermismodellen sowie Explantatkulturen mit der Rifampicin-Nanoformulierung mit einem Wirkstoffgehalt von 0,3 % führte ebenfalls zu keinen Proliferationsverlusten, induzierte keine Apoptose oder Zytotoxizität und hatte keinen Einfluss auf die Differenzierung der Keratinozyten. Im letzten Teil der Arbeit sollte die Wirksamkeit der Rifampicin-Nanoformulierung näher beleuchtet werden. Als Antibiotikum inhibiert Rifampicin die DNA-abhängige RNA-Polymerase von Bakterien (107,108), weshalb es bei der Behandlung der Tuberkulose eingesetzt wird. (111–113) Die Hidradenitis suppurativa ist aber primär keine Infektionskrankheit, sondern eine von Bakterien getriggerte, entzündliche Erkrankung. (19,52,82) Aus diesem Grund ist der positive Effekt der systemischen Rifampicintherapie vermutlich vielmehr auf eine antiphlogistische Wirkung zurückzuführen. Diese Überlegung wird durch mehrere Artikel gestützt, die zeigten, dass Rifampicin die Ausschüttung von IL-1β und TNF-α in unterschiedlichen in vitro und in vivo Modellen hemmt. (89–91,96,97) Die anschließenden Untersuchungen zur Wirksamkeit einer in vitro Rifampicinbehandlung bestätigten die antientzündliche Wirkung in den Explantatkulturen indem es die Sekretion von IL-1β, IL-6, IL-8, IL-10 und TNF-α verminderte. Ebenso senkte die Rifampicin-Nanoformulierung die Ausschüttung von IL-1β in den ex vivo Explantaten, was somit die in der klinischen Praxis beobachteten antiinflammatorischen Wirkung von Rifampicin belegt. Des Weiteren stellte sich in Untersuchungen heraus, dass Rifampicin zu einer reduzierten Zahl CD4(+)-T-Zellen führte, aber auf die CD3(+)-T-Zellen keine Auswirkungen hatte, was auf eine Veränderung des T-Zell Phänotyps hinweist.
Aufgrund der vorliegenden Ergebnisse zur Validierung der Rifampicin-Nanoformulierung, spricht nichts gegen die Testung der Rifampicin-Nanoformulierung in einem individuellen Heilversuch am Menschen.
Polygene Risikoscores (PRS) integrieren zahlreiche Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNP) von meist geringer Effektstärke, um Auskunft über das Erkrankungsrisiko bestimmter Krankheiten zu geben. In dieser Arbeit wurde der PRS zur genetisch generalisierten Epilepsie (GGE) von Leu et al. aus dem Jahr 2019 untersucht, um festzustellen, ob über das Erkrankungsrisiko hinaus noch Korrelationen mit weiteren phänotypischen Eigenschaften von Patienten bestehen. Der Nachweis solcher Zusammenhänge würde eine Prädiktionsfähigkeit des GGE-PRS demonstrieren, die perspektivisch ein Potential für dessen klinische Anwendbarkeit, beispielsweise im Sinne der personalisierten Medizin, aufzeigen könnte.
Die Identifizierung neuer Korrelationen sollte durch Vergleich der Phänotypen von zwei Gruppen von GGE-Patienten mit extrem hohen, beziehungsweise extrem niedrigen PRS-Werten erfolgen. Hierfür wurden von 2256 Patienten aus der Datenbank von Epi25, einem internationalen Forschungskollaborativ zur Erforschung der Relevanz genetischer Faktoren bei der Entwicklung von Epilepsie, die Patienten mit den höchsten (n=59) und den niedrigsten (n=49) GGE-PRS-Werten ausgewählt. Für diese 108 Patienten wurden retrospektive klinische Daten von den jeweiligen Behandlungszentren akquiriert. Hierzu wurde den Studienleitern der Zentren ein Questionnaire mit Fragen zu zahlreichen phänotypischen Parametern der Patienten übermittelt. Die Rücklaufrate war mit 54% gut.
Die so eingeholten Patientendaten wurden anschließend mittels Exaktem Test nach Fisher und Wilcoxon-Rangsummentest statistisch analysiert, um Unterschiede zwischen den Phänotypen beider Gruppen nachzuweisen. Im Falle der Pharmakoresistenz zeichneten sich hierbei zunächst signifikante Unterschiede ab, die ein selteneres Auftreten dieser Eigenschaft für Patienten mit hohen GGE-PRS-Werten implizierten. Diese Ergebnisse waren jedoch nach einer Bonferroni-Korrektur und bei Validierung in einer größeren Kohorte (n=825) nicht mehr signifikant. Für die anderen untersuchten Parameter waren ebenfalls keine signifikanten Unterschiede nachweisbar.
Das Ergebnis, dass für keinen der untersuchten Parameter signifikante Differenzen bestanden, obwohl zwei Kohorten mit extrem gegensätzlichen PRS-Werten untersucht wurden, spricht gegen eine Verwendung des aktuell verfügbaren GGE-PRS als prädiktiver Biomarker über das Erkrankungsrisiko hinaus und somit gegen dessen klinische Anwendbarkeit. Jedoch können die nicht-signifikanten Korrelationen im Falle der Pharmakoresistenz als Hinweis verstanden werden, dass im Bereich der Pharmakotherapie Zusammenhänge zwischen Score und Phänotyp bestehen könnten, die weiterer Untersuchungen in zukünftigen Studien bedürfen. Bei Verwendung eines verbesserten GGE-PRS mit zusätzlichen risikoassoziierten SNP und verfeinerter Wichtung der Effektstärken sowie größerer Kohorten könnten in diesem Bereich möglicherweise auch signifikante Zusammenhänge nachweisbar werden.
The PhD addresses the feasibility of reconstructing open charm mesons with the Compressed Baryonic Matter experiment, which will be installed at the FAIR accelerator complex at Darmstadt/Germany. The measurements will be carried out by means of a dedicated Micro Vertex Detector (MVD), which will be equipped with CMOS Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS). The feasibility of reconstructing the particles with a proposed detector setup was studied.
To obtain conclusive results, the properties of a MAPS prototype were measured in a beam test at the CERN-SPS accelerator. Based on the results achieved, a dedicated simulation software for the sensors was developed and implemented into the software framework of CBM (CBMRoot). Simulations on the reconstruction of D0-mesons were carried out. It is concluded that the reconstruction of those particles is possible.
The PhD introduces the physics motivation of doing open charm measurements, represents the results of the measurements of MAPS and introduces the innovative simulation model for those sensors as much as the concept and results of simulations of the D0 reconstruction.
Ziel: Nebennierenraumforderungen können sonographisch mit guter Sensitivität und Spezifität erkannt werden. Ziel der vorliegenden Studie war es, die Wertig-keit der Kontrastmittel-Sonographie (CEUS = contrast enhanced ultrasound) unter Verwendung von Zeit-Intensitäts-Kurven für die Charakterisierung von Nebennierenraumforderungen zu bewerten.
Material und Methoden: 108 Patienten mit 116 Raumforderungen der Neben-niere erhielten einen Ultraschall der Nebenniere, inklusive einer Kontrastmittel-Sonographie mit dem Kontrastmittel SonoVue®. Die Kontrastmitteldynamik wurde mittels Zeit-Intensitätskurven aufgezeichnet. Anhand der Kontrastmittel-anflutungszeit wurden folgende vier Kontrastmittelanreicherungsmuster ver-wendet, welche in einer Pilotstudie1 entwickelt wurden: Anreicherungsmuster I = früh arterielle Kontrastmittelanreicherung, Anreicherungsmuster II = arterielle Kontrastmittelanreicherung, Anreicherungsmuster III = späte Kontrastmittelan-reicherung, Anreicherungsmuster IV = keine Kontrastmittelanreicherung. Zu-sätzlich erhielten alle Patienten eine Beurteilung der Nebenniere durch ein zweite Bildgebendes Verfahren (Computertomographie (CT) oder Magnetresonanztomographie (MRT)) sowie eine laborchemische Hormondiagnostik. In Fällen mit malignitätsverdächtigem Befund erfolgte eine Biopsie oder Adrenalektomie.
Ergebnisse: CEUS- Anreicherungsmuster I und II konnten bei allen Patienten mit primärem oder sekundärem Malignom der Nebenniere (n = 16) nachgewie-sen werden. Die Sensitivität der CEUS für die Diagnose einer malignen Neben-nierenraumforderung betrug 100% (95% CI [75; 100]) und die Spezifität 67% (95% CI [56; 75]). Bei 40 Nebennierenraumforderungen war die Histologie die Referenzmethode. In 68% dieser Nebennierenraumforderungen waren MRT/CT und CEUS kongruent in der Beurteilung der Dignität. Schlussfolgerung: Die Kontrastmittel-Sonographie ist eine nützliche ergän-zende Methode in der Aufarbeitung von Nebennierenraumforderungen mit exzellenter Sensitivität für die Diagnose eines Malignoms.
Most elements heavier than iron are synthesized in stars during neutron capture reactions in the r- and s-process. The s-process nucleosynthesis is composed of the main and weak component. While the s-process is considered to be well understood, further investigations using nucleosynthesis simulations rely on measured neutron capture cross sections as crucial input parameters. Neutron capture cross sections
relevant for the s-process can be measured using various experimental methods. A prominent example is the activation method relying on the 7Li(p,n)7Be reaction as a neutron source, which has the advantage of high neutron intensities and is able to create a quasi-stellar neutron spectrum at kBT = 25 keV. Other neutron sources able to provide quasi-stellar spectra at different energies suffer from lower neutron intensities. Simulations using the PINO tool suggest the neutron activation of samples with different neutron spectra, provided by the 7Li(p,n)7Be reaction, and a subsequent linear combination of the obtained spectrum-averaged cross sections
to determine the Maxwellian-averaged cross section (MACS) at various energies of astrophysical relevance. To investigate the accuracy of the PINO tool at proton energies between the neutron emission threshold at Ep = 1880.4 keV and 2800 keV,
measurements of the 7Li(p,n)7Be neutron fields are presented, which were carried out at the PTB Ion Accelerator Facility at the Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig. The neutron fields of ten different proton energies were measured.
The presented neutron fields show a good agreement at proton energies Ep = 1887, 1897, 1907, 1912 and 2100 keV. For the other proton energies, E p = 2000, 2200, 2300, 2500, and 2800 keV, differences between measurement and simulation were found and discussed. The obtained results can be used to benchmark and adapt the PINO tool and provide crucial information for further improvement of the neutron activation method for astrophysics.
An application for the 7Li(p,n)7Be neutron fields is presented as an activation experiment campaign of gallium, an element that is mostly produced during the weak s-process in massive stars. The available cross section data for the 69,71Ga(n,γ)
reactions, mostly determined by activation measurements, show differences up toa factor of three. To improve the data situation, activation measurements were carried out using the 7Li(p,n)7Be reaction. The neutron capture cross sections for
a quasi-stellar neutron spectrum at kBT = 25 keV were determined for 69Ga and 71Ga.
In this dissertation the formal abstraction and verification of analog circuit is examined. An approach is introduced that automatically abstracts a transistor level circuit with full Spice accuracy into a hybrid automaton (HA) in various output languages. The generated behavioral model exhibits a significant simulation speed-up compared to the original netlist, while maintaining an acceptable accuracy, and can be therefore used in various verification and validation routines. On top of that, the generated models can be formally verified against their Spice netlists, making the obtained models correct by construction.
The generated abstract models can be extended to enclose modeling as well as technology dependent parameter variations with little over approximations. As these models enclose the various behaviors of the sampled netlists, the obtained models are of significant importance as they can replace several simulations with just a single reachability analysis or symbolic simulation. Moreover, these models can be as well be used in different verification routines as demonstrated in this dissertation.
As the obtained models are described by HAs with linear behaviors in the locations, the abstract models can be as well compositionally linked, allowing thereby the abstraction of complex analog circuits.
Depending on the specified modeling settings, including for example the number of locations of the HA and the description of the system behavior, the accuracy, speedup, and various additional properties of the HA can be influenced. This is examined in detail in this dissertation. The underlying abstraction process is first covered in detail. Several extensions are then handled including the modeling of the HAs with parameter variations. The obtained models are then verified using various verification methodologies. The accuracy and speed-up of the abstraction methodology is finally evaluated on several transistor level circuits ranging from simple operational amplifiers up to a complex circuits.
Intelligenz ist einer der stärksten Einzelprädikatoren für berufliche Leistungen. Hochintelligente Personen, sogenannte Hochbegabte, müssten daher generell hohe berufliche Leistungen erbringen. Dies steht jedoch im Widerspruch zu Darstellungen von Schwierigkeiten Hochbegabter im Beruf. Sollten die negativen Stereotype zutreffen, wäre dies aus ressourcenorientierter Sicht problematisch, da Organisationen das der Hochbegabung zugrunde liegende Potenzial der Mitarbeiter*innen nicht hinreichend nutzen. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag dazu, diese Diskrepanz aufzuklären, indem sie untersucht wie Hochbegabte ihre berufliche Situation (erfolgreich) gestalten. Nach einer Begriffsklärung und Darstellung des Zusammenhangs von Intelligenz und Beruf wird im ersten Beitrag der internationale Forschungsstand mithilfe eines Literature Reviews systematisiert. Aufbauend darauf werden im zweiten Beitrag mithilfe einer Fragebogenerhebung die überwiegend internationalen Beiträge durch eine deutsche Stichprobe und die bisher wenig betrachtete Gruppe von Hochbegabten gemäß Kompetenzdefinition ergänzt. Schließlich fokussiert der dritte Beitrag den Widerspruch, dass Hochbegabte generell erfolgreich und zufrieden im Beruf sind, jedoch individuell von Schwierigkeiten berichten. Dazu werden teilstrukturierte Interviews durchgeführt, um ein tieferes Verständnis für den Einfluss der Hochbegabung auf den Beruf sowie etwaige bestehende Unterschiede zu nicht-hochbegabten Personen zu gewinnen. Zudem werden Strategien erfasst, die Hochbegabte nutzen, um Unterschiede und eventuell daraus resultierende Schwierigkeiten zu bewältigen. Abschließend werden Implikationen für die Berufspraxis und Forschung diskutiert.
Mast cells are long-lived tissue-resident leukocytes, located most abundantly in the skin and mucosal surfaces. They belong to the first line of defence of the body, protecting against invading pathogens, toxins and allergens. Their secretory granules are densely packed with a plethora of mediators, which can be released immediately upon activation of the cell. Next to their role in IgE-mediated allergic diseases and in promoting inflammation, potential anti-inflammatory functions have been assigned to mast cells, depending on the biological setting. The aim of this thesis was to contribute to a better understanding of the role of mast cells during the resolution of a local inflammation. Therefore, in a first of step a suitable model of a local inflammation had to be identified. Since comparison of the two Toll-like receptor (TLR)-agonists zymosan and lipopolysaccharide (LPS), which are most commonly used to locally induce inflammation, revealed a systemic response after LPS-injection and a local inflammation after zymosan-injection, the TLR2 agonist zymosan was chosen for the subsequent experiments. Multi epitope ligand cartography (MELC) combined with statistical neighbourhood analysis showed that mast cells are located in an anti-inflammatory microenvironment next to M2 macrophages during resolution of inflammation, while neutrophils and M1 macrophages are located in the zymosan-filled core of the inflammation. Furthermore, infiltrating neutrophils during peak inflammation and an increasing population of macrophages phagocytosing neutrophils during resolution of inflammation could be observed. MELC as well as flow cytometry analysis of mast cell-deficient mice revealed a decreased phagocytosing activity of macrophages in the absence of mast cells. As an untargeted approach to identify mast cell-derived mediators induced by zymosan, mRNA sequencing of bone marrow-derived mast cells (BMMCs) was performed. Gene ontology term analysis of the sequencing data revealed the induction of the type I interferon (IFN) pathway as the dominant response. Contradicting previous studies, I could validate the production of IFN-β by mast cells in response to zymosan and LPS in vitro. Furthermore IFN-β expression by mast cells was also detected in vivo. In accordance with previous studies regarding other cell types the release of IFN-β by mast cells depends on endosomal signaling. The potential of IFN-β to enhance the phagocytosing activity of macrophages has been demonstrated recently. Besides IFN-β, various other mediators with reported enhancing effects on macrophage phagocytosis were also induced by zymosan in BMMCs, including Interleukin (IL)-1β, IL-4, IL-13, and Prostaglandin (PG) E2. Thus, either one of these mediators alone or a combination of them could promote macrophage phagocytosis.
In conclusion, I herein present mast cells as a novel source for IFN-β induced by non-viral TLR ligands and demonstrate their enhancing effect on macrophage phagocytosis, thereby contributing to the resolution of inflammation.
Die vorliegende Arbeit mit dem Titel Multiphoton Processes and Photocontrol of Biochemical Reaction Pathways befasst sich mit verschiedenen Strategien zur Implementierung von optischer Kontrolle in biochemisch relevanten Systemen. Auf systemischer Ebene wurde einerseits die Licht-getriebene Natriumpumpe Krokinobacter Eikastus Rhodopsin 2 (KR2) vor dem Hintergrund optogenetischer Anwendungen untersucht, und andererseits die Optimierung der wichtigsten photochemischen Parameter von photolabilen Schutzgruppen (PPG, engl. photolabile protecting group) angestrebt. Von der technisch-photophysikalischen Seite wurde ein weiterer Fokus auf den Aktivierungs- und Deaktivierungsschritt gelegt. Hierbei wurden vor allem Mehrphotonen-Prozesse betrachtet, die entweder durch simultane Absorption zweier Photonen zu einer spezifischen hoch-energetischen Anregung führen, oder durch sequentielle Absorption eine sukzessive Aktivierung und Deaktivierung eines Systems bewerkstelligen können. Auch wenn der Schwerpunkt dieser schriftlichen Arbeit auf den spektroskopischen Ergebnissen liegt, waren alle hier diskutierten Projekte stark kollaborativ und umfassten eine große Bandbreite verschiedener Techniken. Dies spiegelt den interdisziplinären Charakter vieler aktueller Fragestellungen in der photochemischen Forschung wider, die - in vielen Fällen - letztlich auf medizinische oder pharmazeutische Fortschritte abzielen.
Zunächst wurde die lichtgetriebene Natriumpumpe KR2 untersucht, die durch ihre mögliche Anwendung als optogenetisches Werkzeug bekannt wurde. In einer vergleichenden Studie der Natrium- und Protonenpumpmodi von KR2 konnten wichtige mechanistische Prinzipien für die Funktionalität des Proteins identifiziert werden. Dazu gehört die direkte Beteiligung spezifischer Strukturmerkmale wie die Aminosäure N112 und/oder der ECL1-Domäne am Ionen-Translokationsweg, sowie das enge Zusammenspiel zwischen dem Retinal und seinem Gegenion D116. Gleichzeitig bot diese IR-Studie einen der ersten mechanistischen Einblicke in den Protonenpump-Photozyklus in KR2, der deutlich weniger erforscht war. In Zusammenarbeit mit dem Arbeitskreis Glaubitz wurden die strukturellen Veränderungen des Chromophors und seiner Umgebung während der verschiedenen Photointermediate mittels DNP-verstärkter Festkörper-NMR und optischer Spektroskopie näher untersucht. Hier trugen zeitaufgelöste IR-Messungen in der HOOP (engl. hydrogen out of plane)-Moden-Region dazu bei, die dynamischen Veränderungen der Chromophorkonfiguration und -Verdrillung zu verfolgen. Es konnte gezeigt werden, dass Retinal im O-Intermediat tatsächlich zu seiner all-trans-Konfiguration reisomerisiert wird, aber im Vergleich zu seiner Dunkelzustandskonfiguration deutlich stärker verdreht vorliegt.
Dies wurde auch durch die Ergebnisse im nahen UV-Bereich bestätigt, welcher bei der Charakterisierung von mikrobiellen Rhodopsinen oft ausgelassen wird. Die neu gefundene Signatur erwies sich als SBS (engl. second bright state) der 13-cis-Konfiguration des Retinals, die mit der Bildung des O-Intermediats in KR2 verschwindet. Neben der offensichtlichen Verwendung als spektraler Marker wurde der SBS-Übergang auch bezüglich seiner Anwendbarkeit für optische Kontrollexperimente untersucht. Ähnlich wie beim BLQ (engl. blue light quenching)-Effekt war es möglich, den KR2-Dunkelzustand durch Anwendung von fs-Pulsen im nahen UV - ausgehend von einem photostationären Zustand - zu regenerieren. Durch Variation der Probenbedingungen war es möglich, gezielt K (pH~5) oder M (pH~9) anzusteuern, was sich auch in unterschiedlichen Deaktivierungs-Dynamiken äußerte. Diese Ergebnisse können zusammen mit dem hier vorgeschlagenen experimentellen Konzept als Grundlage für komplexere Multiphotonen-Sequenzen im Zusammenhang optogenetischer Fragestellungen verwendet werden.
Im Gegensatz zu den recht großen und komplexen Photorezeptoren bieten unter anderem PPGs einen feineren Weg, um biochemische Reaktionen gezielt zu steuern und auszulesen. In diesem Zusammenhang sind zwei Eigenschaften von großer Bedeutung: Einerseits die Fähigkeit der PPG, Photonen bestimmter Wellenlängen zu absorbieren, und andererseits die Effizienz der gewünschten photochemischen Reaktion. Der letztgenannte Aspekt wurde unter der Hypothese untersucht, dass die Verringerung der konkurrierenden Deaktivierungskanäle in PPGs zu einer höheren Quantenffizienz der Freisetzung führt. Dies wurde an DEACM-basierten Modellverbindungen getestet, die systematisch modifiziert wurden, um verschiedene Deaktivierungsprozesse des angeregten Zustands zu identifizieren. Durch das Hinzufügen eines zusätzlichen sechsgliedrigen Rings wurde die Freisetzungsausbeute im Vergleich zu DEACM um das 2- bis 3-fache erhöht. Dies konnte durch eine weitere Planarisierung des Systems mit einer zusätzlichen Doppelbindung an der C6-Position sogar noch weiter verbessert werden (bis zu einem Faktor von 5-6). Die Anregung des Cumarin-Rückgrats führt zu einem lokal-angeregten Zustand, der sich im Gleichgewicht mit einem Ladungstransferzustand befindet. In Abhängigkeit der lokalen Umgebung, die vor allem durch die Protizität und Polarität des Lösungsmittels bestimmt wird, wird der Ladungstransfercharakter eher stabilisiert oder gar destabilisiert. Die Ladungsverschiebung führt auch zu einer Abschwächung der spaltbaren C-C-Bindung, die eine Voraussetzung für die Freisetzungsreaktion ist. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass der mit der Freisetzungsreaktion verbundene zusätzliche Zerfallskanal zu einer mehr als 2-fachen Verringerung der Lebensdauer des angeregten Zustands in den funktionalisierten PPGs führt. Diese Eigenschaft ist ein vielversprechender photophysikalischer Indikator für die Freisetzung der Abgangsgruppe, der durch spektroskopische oder - mit zusätzlicher räumlicher Auflösung - auch durch mikroskopische Techniken wie in der Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie ausgelesen werden könnte...
Die vorliegende Arbeit untersucht den Übergang von Mitarbeitenden zu Führungskräften. Der Fokus der Arbeit ist nicht die Konzeption der Führungskräfteentwicklung aus der Perspektive der Unternehmen, sondern die Untersuchung der Entstehung und Gestaltung dieses Übergangs durch die Mitarbeitenden innerhalb ihrer beruflichen Rahmenbedingungen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass sich in der Gestaltung dieses Übergangs von Mitarbeitenden zur Führungskräften individuelle und organisatorische Aspekte verbinden – bzw. diese durch das Subjekt in eine Verbindung gebracht werden. Durch leitfadengestützte Interviews mit (berufs-) biografischem Schwerpunkt ließen sich die individuellen, wie auch die sozialen und organisatorischen Aspekte der Gestaltung des Übergangs von Mitarbeitenden zur Führungskräften rekonstruieren. Die Stichprobe dieser Arbeit umfasst neun Interviews aus unterschiedlichsten Branchen und beinhaltet sowohl öffentliche als auch privatwirtschaftliche Arbeitgeber. Die dadurch gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen Einsichten in die Formen und Bedingungen der Gestaltung dieses Übergangs und können auch eine Grundlage für (organisations-)pädagogische Konzepte zur Unterstützung der Mitarbeitenden bei diesem Übergang bilden.
First-principles modeling techniques offer the ability to simulate a wide range of systems under different physical conditions, such as temperature, pressure, and composition, without relying on empirical knowledge. Density functional theory (DFT), a quantum mechanical method, has become an exceptionally successful framework for materials science modeling. Employing DFT makes it possible to gain valuable insights into the fundamental state of a system, enabling the reliable determination of equilibrium crystal structures. Over time, DFT has become an essential tool that can be incorporated into various schemes for predicting the properties of a material related to its structure, insulating/metallic behavior, magnetism, and optics. DFT is regularly applied in numerous fields, spanning from fundamental subjects in condensed matter physics to the study of large-scale phenomena in geosciences. In the latter, the effectiveness of DFT stems from its ability to simulate the properties found on the Earth, other planets, and meteorites, which may pose challenges for their direct study or laboratory investigation.
In this thesis, a comprehensive examination of a family of monosulfides and a perovskite heterostructure was conducted. These materials are relevant for their potential applications in technology, energy harvesting, and in the case of monosulfides, their speculated abundance on the planet Mercury.
Firstly, a DFT approach was used to analyze two non-magnetic monosulfides, CaS and MgS. We determined their structural properties and then focused on the modeling of their reflectivity in the infrared region. The calculation of the reflectivity considered both harmonic and anharmonic contributions. In the harmonic limit, the non-analytic correction was employed to accurately determine the LO/TO splitting, which is necessary to delimit the retstrahlend band, that is, the maximum of the reflectivity. The anharmonic effects given by up to three-phonon and isotopic scatterings, which were included using perturbation theory, primarily smeared the reflectivity spectra edges in the high-wave region.
Secondly, four polymorphs of MnS were studied using a combination of first-principles methods to simulate their antiferromagnetic (AFM) and paramagnetic (PM) states. The integration of DFT+$U$ with special quasirandom structures (SQS) supercells, and occupation matrix control techniques was crucial for achieving convergence, structural optimization accuracy, and obtaining finite energy band gaps and local magnetic moments in the PM phases. The addition of the Hubbard $U$ correction was necessary to treat the highly-correlated Mn $d$-electrons. The success of our approach was clear based on our electronic structure predictions for the PM rock-salt B1-MnS polymorph. Experimentally this phase has been observed to be an insulator, but multiple \emph{ab initio} works resulted previously in metallic behavior. Our computations, on the other hand, predicted insulating and magnetic properties that compare well with available measurements. Additionally, the pressure-field stability of the four MnS polymorphs was studied. In the case of the PM phases, B1-MnS was identified to be the most stable up to about 21 GPa, then transforming into the B31-MnS polymorph. This finding was in close agreement with high-pressure experiments reporting a similar phase transformation. The optical properties of B1-, B4-, and B31-MnS were also simulated. The SQS technique was used to obtain soft-mode-free phonon band structures within the harmonic approximation. Then, the anharmonic effects were included, and the reflectivity was calculated for B1-MnS and B4-MnS. In both cases, a good agreement for the LO/TO splitting was achieved in comparison to experimental results.
Lastly, the oxygen-deficient heterostructure of LaAlO$_{3-\delta}$ /SrTiO$_{3-\delta}$ was investigated also employing DFT+$U$, with a particular emphasis on the potential impact of vacancy clustering at the interface. Six distinct configurations of pairs of vacancies were studied and their energies were compared to find the most stable one. The orbital reconstruction of Ti orbitals was also examined based on their location with respect to the vacancies and the local magnetic moments were calculated. The final results showed that linearly arranged vacancies located opposite to Ti ions give the most energetically stable configuration.
Die vorliegende Dissertation befasst sich mit Flow-Zuständen beim Lesen fiktiver Texte. Das 1975 von Mihaly Csikszentmihalyi vorgestellte Konzept des Flow bezieht sich auf das völlige Aufgehen in einer optimal herausfordernden Tätigkeit, das mit Absorption, Verarbeitungsflüssigkeit und intrinsische Freude einhergeht. Bislang wurde Flow zumeist im Kontext motorischer und leistungsorientierter Aktivitäten empirisch untersucht und in erster Linie theoretisch mit Lesefreude in Verbindung gebracht. Ziel der drei Studien, die diese Dissertation umfasst, war es daher einerseits, Flow beim Lesen erstmals anhand größerer Leser-Stichproben und mithilfe von psychometrischen Gütekriterien genügenden Messinstrumenten nachzuweisen. Andererseits sollte Flow im Rahmen eines Modells für positives Leseerleben mit anderen in der Leseforschung diskutierten Konzepten in Verbindung gebracht und im Hinblick auf potenzielle psychophysiologische Korrelate untersucht werden.
In der ersten Studie wurde eine in der allgemeinen Flow-Forschung verbreitete Kurz-Skala an den Lesekontext adaptiert und anhand einer 229 Leser umfassenden Stichprobe psychometrisch getestet. Hierzu wurden die Teilnehmer im Rahmen einer Online-Studie gebeten, nach 20-minütigem Lesen in einem selbstgewählten Roman Fragebögen zu ihrem Leseerleben auszufüllen. Zufriedenstellende Reliabilitätskoeffizienten, positive Korrelationen mit konvergenten Maßen, die faktoranalytische Unterscheidbarkeit zu diskriminanten Maßen und die erwartete Assoziation mit einem Flow-Kriterium bestätigten die Güte der Flow-Skala. Eine Explorative Faktorenanalyse ergab jedoch, dass fast alle Items auf dem Faktor Absorption luden. Zudem ließ die zweifakorielle Skalenstruktur keine abschließende Aussage zur Legitimierung eines globalen Flow-Scores zu. Daher wurde in der zweiten Studie auf Basis der ersten Skala und der aus der Theorie bekannten Flow-Komponenten ein umfassenderer lesespezifischer Flow-Fragebogen entwickelt. Dessen Reliabilität und Validität konnte anhand einer Online-Studie mit 373 Teilnehmern, in deren Rahmen ein Kapitel aus Homers Odyssee gelesen wurde, bestätigt werden. Neben Hinweisen zur konvergenten und diskriminanten Konstrukt- und zur Kriteriumsvalidität stützten die Ergebnisse einer Konfirmatorischen Faktorenanalyse eine theoretisch angemessene Skalenstruktur, mit den einzelnen Komponenten, mit Absorption, Verarbeitungsflüssigkeit und intrinsischer Freude als Subdimensionen und mit Flow als übergeordnetem Faktor. Mittels eines Strukturgleichungsmodells konnte zudem demonstriert werden, dass der auf Basis dieses Fragebogens gemessene Flow eine zentrale Rolle beim Leseerleben einnehmen kann. So wurde Flow als Mediator für andere, ebenfalls erhobene Erlebnisformen beim Lesen wie etwa Identifikation oder Spannung bestätigt. Von diesen Konzepten klärte Flow den größten Anteil an Varianz in Lesefreude und Textverständnis auf, die als Outcomes von positivem Leseerleben modelliert wurden. Da Flow gegenüber anderen Konzepten der Leseforschung den Vorteil hat, die Ableitung experimenteller Paradigmen und psychophysiologischer Hypothesen zu ermöglichen, wurden in der dritten Studie über die Manipulation des stilistischen Herausforderungsgrades eines weiteren Odyssee-Kapitels unterschiedliche Lese-Bedingungen hergestellt und kardiovaskuläre Daten gemessen. Es zeigten sich zwar keine signifikanten Gruppenunterschiede im Flow-Erleben, jedoch Interaktionen zwischen der Lesebedingung und kardiovaskulären Indikatoren bei der Vorhersage von Flow. So scheinen parasympathische Dominanz und ein entsprechender innerer Entspannungszustand, indiziert durch eine geringe Herzrate und hohe Herzratenvariabilität, Flow beim Lesen zu begünstigen, wenn der Text stilistisch anspruchsvoll ist. Es fanden sich hingegen keine Hinweise dafür, dass Flow-Erleben die Herzaktivität von Lesern verändert oder sich durch sie objektiv erfassen lässt.
Insgesamt sprechen die Ergebnisse dieses Forschungsprojektes somit für das Auf-treten von Flow beim Lesen sowie für dessen zentrale Rolle bei positiven Leseerlebnissen. Außerdem zeigen sie das Potenzial des Flow-Konzeptes für die Leseforschung auf, insbesondere hinsichtlich psychophysiologischer Experimentalstudien.
The introduction of a trigonal boron atom into a polyaromatic hydrocarbon (PAH) core is an extremely powerful tool to provide organic scaffolds with optoelectronic properties as well as optimal packing in the solid state. However, boron-doped PAHs (B-PAHs) often display low processability due to their poor solubility. The distortion of the molecular scaffold provides a suitable strategy to enhance the solubility properties of B-PAHs while maintaining good stacking properties and sufficient electronic conjugation.
Extreme distortion of the molecular structure can be achieved in helical-shaped PAHs, namely helicenes which are screw-shaped inherently chiral polycycles, formed by ortho-fused aromatic or heteroaromatic rings. The presence of a helical structure in B-PAHs is expected to strongly influence their physico-chemical properties leading to compounds characterized by peculiar features promising for applications in next generation functional materials. Despite the great potential of this class of compounds, only few examples of borahelicenes have been reported in the literature and those mainly consist of carbohelicene-based structures. However, the considerable structural diversity achievable by introducing different boraheterocycles (oxaborine, borole, borepin) and other heteroaromatic rings (thiophene, furan, pyrrole) into the same helical scaffold, suggests that a large variety of compounds with intriguing features could be accessible via currently unexplored synthetic routes. The design, synthesis, and properties investigation of new boraheterohelicenes (BHHs) is therefore a relevant research topic and is the object of this PhD project, aimed to obtain several BHHs with structural diversity, as well as to study their reactivity, electrochemical and photophysical features for better understanding their potential as building blocks for material science.
The thesis work was carried out in part at the University of Milan in the laboratories of Prof. Emanuela Licandro and in part at the Goethe Universität Frankfurt am Main under the supervision of Prof. Dr. Matthias Wagner, within a co-tutelle programme. Owing to the long-standing expertise of Prof. Licandro group in the synthesis of tetrathia helicenes and that of Prof. Dr. Wagner group in the synthesis of boron-doped PAHs (e.g. boron helicene 4BH; Figure 1), I conceived this PhD project designing a series of thiahelicenes containing one or more B-O bond into the helical scaffold.Tetrathia helicenes, consisting of thiophene and benzene rings fused in an alternating fashion, are configurationally stable heterohelicenes which exist as pair of enantiomers.
This class of molecules is particularly interesting since it merges the properties of oligothiophenes with those of helicenes, giving rise to systems with peculiar electronic and chiroptical properties which make them appealing building blocks for applications in manifold fields of science, including optoelectronics, catalysis and biology.
The introduction of trigonal boron atom into a thiahelicene scaffold gives rise to a novel class of unexplored boron π-conjugated molecules with potentially interesting features.
The present Ph.D. thesis was therefore intended to provide a meaningful contribution in the development of innovative and versatile syntheses of BO-doped tetrathia helicenes as well as the study of their stereochemical and optoelectronic properties to identify potential applications of these systems in material science. The first selected structures containing one or two oxaborine rings in the helical scaffold are shown in figure 2. The presence of the bulky mesityl group at the boron atom is necessary to ensure stability to the molecule.
It is noteworthy that compound 2 is the skeletal isomer of 1, as the direction of the B-O bond is opposite in the two molecules. In the course of the research work, after the evaluation of the photophysical properties of 1, helicene 2 was designed to get information on the structure-property relationship and evaluate how the position of the BO-bond into the helical scaffold can influence the electronic properties of BO-doped thiahelicenes.
This work deals with the theoretical investigation of the vibrationally promoted electronic resonance (VIPER) experiment, the intramolecular energy transfer within a rhodamine-BODIPY antenna system initiated by two-photon excitation and a computational study of the photochemical mechanism of the uncaging of the [7-(dimethylamino)coumarin-4-yl]methyl (DEACM) class of photocages . In continuation to Jan von Cosel’s work, the setup for the theoretical investigation of the VIPER experiment has been extended to two-photon absorption (TPA) also including the first-order Herzberg-Teller (HT) effects which are dependent on changes with respect to nuclear coordinates.
The VIPER experiment constitutes an extended form of two-dimensional infrared (2DIR) spectroscopy with a sequence of infrared (IR) and ultraviolet (UV) or visible (vis) pulses. The molecular system under probe is excited initially by a narrow-band IR pump pulse and then electronically excited by an off-resonant UV/vis pulse. An IR probe pulse is applied afterwards to probe the system and record a 2DIR spectrum in combination with the first pulse. Since the lifetime of the vibrational excitation is very short, the electronic excitation by the UV/vis pulse is used to enlarge the lifetime of the excitation in the molecule and thus enable measurements on a longer timescale. Therefore, it becomes easier to study dynamical photochemical processes on long timescales. In the VIPER experiment with TPA, the UV/vis pulse is replaced by a near-infrared (NIR) pulse which offers an intrinsic 3D resolution, minimzed photodamage, a lower noise level and an increased penetration depth. This makes TPA highly attractive for biological systems among a wide range of other possible applications.
The computation of the vibrationally resolved electronic absorption spectra accounts for the Franck-Condon (FC) contributions which are independent of the nuclear framework as well as the HT effects which are dependent on the nuclear coordinates. The FC contributions are dominant for electronically-allowed transitions whereas HT contributions could be important for weakly-allowed or forbidden transitions. Laying emphasis on TPA, the test systems used belong to the category of two-photon active compounds. The initial candidate is dimethylaminonitrodibenzofuran (DMA-NDBF) which has been reported to be a two-photon only caging compound. The other system is a well-known laser dye, a rhodamine derivative of the commercially available rhodamine 101 (Rh101). Rhodamines are also recognized for their excellent TPA characteristics.
The findings for both the test systems show interesting contrasts. The one-photon absorption (OPA) and TPA spectrum together with vibronic couplings present the same lineshape in case of DMA- NDBF and also the HT effects have very weak contributions to the vibronic spectrum. Insignificant HT effects are quite typical for electronically allowed transitions. Overall, the NO2 bending mode exhibits the strongest change in the absorption spectrum upon vibrational pre-excitation, even stronger than in the case of different ring distortion modes that usually show a high VIPER activity. In the case of rhodamine, the vibronic OPA spectrum is pre-dominantly the FC spectrum and the HT couplings have a very weak contribution. The vibronic TPA spectrum is entirely dominated by the HT contributions and hence, the vibrationally resolved TPA spectrum of the rhodamine is a HT-only spectrum. Explanations towards this behaviour have been reported by Milojevich et al. which are holding the change in symmetry of the molecular orbital transitions from the ground to the excited state accountable. No significantly VIPER-active normal modes could be determined owing to the low magnitudes of their dimensionless displacements that are connected to the Huang-Rhys factors. Two ring distortion modes however have been probed but the intensity of their vibrational pre-excitation is observed to be very low.
The other part of this work is concerned with the estimation of the rate of the intramolecular energy transfer within rhodamine-BODIPY dyads. After the investigations on the prospective rhodamine derivatives, the Rho101 derivative shows the highest TPA activity. This linked together with the BODIPY derivative with styryl substituents through an acetylene bond has been probed theoretically as well as experimentally for the excitation energy transfer (EET).
Time-resolved spectroscopic measurements reveal an ultrafast energy transfer process on femtosecond timescales. The theoretical estimation of the EET rates through the Förster theory and the determination of the coupling between the donor and acceptor groups by the transition density cube (TDC) method falls short of the experimental results. Because of this disagreement, quantum dynamics simulations with the multi-layer multi-configuration time-dependent Hartree (ML-MCTDH) method have been performed on an adapted rhodamine-BODIPY molecular dyad which reveal that the energy transfer occurs through transient coherence whose mechanism cannot be described by Förster theory ...