Coarse-graining methods and polymer dynamics

This thesis studies molecular dynamics simulations on two levels of resolution: the detailed level of atomistic simulations, where the motion of explicit atoms in a many-particle system is considered, and the coarse-grained level, where the motion of superatoms composed of up to 10 atoms is modeled. While atomistic models are capable of describing material specific effects on small scales, the time and length scales they can cover are limited due to their computational costs. Polymer systems are typically characterized by effects on a broad range of length and time scales. Therefore it is often impossible to atomistically simulate processes, which determine macroscopic properties in polymer systems. Coarse-grained (CG) simulations extend the range of accessible time and length scales by three to four orders of magnitude. However, no standardized coarse-graining procedure has been established yet. Following the ideas of structure-based coarse-graining, a coarse-grained model for polystyrene is presented. Structure-based methods parameterize CG models to reproduce static properties of atomistic melts such as radial distribution functions between superatoms or other probability distributions for coarse-grained degrees of freedom. Two enhancements of the coarse-graining methodology are suggested. Correlations between local degrees of freedom are implicitly taken into account by additional potentials acting between neighboring superatoms in the polymer chain. This improves the reproduction of local chain conformations and allows the study of different tacticities of polystyrene. It also gives better control of the chain stiffness, which agrees perfectly with the atomistic model, and leads to a reproduction of experimental results for overall chain dimensions, such as the characteristic ratio, for all different tacticities. The second new aspect is the computationally cheap development of nonbonded CG potentials based on the sampling of pairs of oligomers in vacuum. Static properties of polymer melts are obtained as predictions of the CG model in contrast to other structure-based CG models, which are iteratively refined to reproduce reference melt structures. The dynamics of simulations at the two levels of resolution are compared. The time scales of dynamical processes in atomistic and coarse-grained simulations can be connected by a time scaling factor, which depends on several specific system properties as molecular weight, density, temperature, and other components in mixtures. In this thesis the influence of molecular weight in systems of oligomers and the situation in two-component mixtures is studied. For a system of small additives in a melt of long polymer chains the temperature dependence of the additive diffusion is predicted and compared to experiments.

Methods and strategies to identify the mode of action of phytoactive compounds

Small molecules affecting biological processes in plants are widely used in agricultural practice as herbicides or plant growth regulators and in basic plant sciences as probes to study the physiology of plants. Most of the compounds were identified in large screens by the agrochemical industry, as phytoactive natural products and more recently, novel phytoactive compounds originated from academic research by chemical screens performed to induce specific phenotypes of interest. The aim of the present PhD thesis is to evaluate different approaches used for the identification of the primary mode of action (MoA) of a phytoactive compound. Based on the methodologies used for MoA identification, three approaches are discerned: a phenotyping approach, an approach based on a genetic screen and a biochemical screening approach.rnFour scientific publications resulting from my work are presented as examples of how a phenotyping approach can successfully be applied to describe the plant MoA of different compounds in detail.rnI. A subgroup of cyanoacrylates has been discovered as plant growth inhibitors. A set of bioassays indicated a specific effect on cell division. Cytological investigations of the cell division process in plant cell cultures, studies of microtubule assembly with green fluorescent protein marker lines in vivo and cross resistant studies with Eleusine indica plants harbouring a mutation in alpha-tubulin, led to the description of alpha-tubulin as a target site of cyanoacrylates (Tresch et al., 2005).rnII. The MoA of the herbicide flamprop-m-methyl was not known so far. The studies described in Tresch et al. (2008) indicate a primary effect on cell division. Detailed studies unravelled a specific effect on mitotic microtubule figures, causing a block in cell division. In contrast to other inhibitors of microtubule rearrangement such as dinitroanilines, flamprop-m-methyl did not influence microtubule assembly in vitro. An influence of flamprop-m-methyl on a target within the cytoskeleton signalling network could be proposed (Tresch et al., 2008).rnIII. The herbicide endothall is a protein phosphatase inhibitor structurally related to the natural product cantharidin. Bioassay studies indicated a dominant effect on dark-growing cells that was unrelated to effects observed in the light. Cytological characterisation of the microtubule cytoskeleton in corn tissue and heterotrophic tobacco cells showed a specific effect of endothall on mitotic spindle formation and ultrastructure of the nucleus in combination with a decrease of the proliferation index. The observed effects are similar to those of other protein phosphatase inhibitors such as cantharidin and the structurally different okadaic acid. Additionally, the observed effects show similarities to knock-out lines of the TON1 pathway, a protein phosphatase-regulated signalling pathway. The data presented in Tresch et al. (2011) associate endothall’s known in vitro inhibition of protein phosphatases with in vivo-effects and suggest an interaction between endothall and the TON1 pathway.rnIV. Mefluidide as a plant growth regulator induces growth retardation and a specific phenotype indicating an inhibition of fatty acid biosynthesis. A test of the cuticle functionality suggested a defect in the biosynthesis of very-long-chain fatty acids (VLCFA) or waxes. Metabolic profiling studies showed similarities with different groups of VLCFA synthesis inhibitors. Detailed analyses of VLCFA composition in tissues of duckweed (Lemna paucicostata) indicated a specific inhibition of the known herbicide target 3 ketoacyl-CoA synthase (KCS). Inhibitor studies using a yeast expression system established for plant KCS proteins verified the potency of mefluidide as an inhibitor of plant KCS enzymes. It could be shown that the strength of inhibition varied for different KCS homologues. The Arabidopsis Cer6 protein, which induces a plant growth phenotype similar to mefluidide when knocked out, was one of the most sensitive KCS enzymes (Tresch et al., 2012).rnThe findings of my own work were combined with other publications reporting a successful identification of the MoA and primary target proteins of different compounds or compound classes.rnA revised three-tier approach for the MoA identification of phytoactive compounds is proposed. The approach consists of a 1st level aiming to address compound stability, uniformity of effects in different species, general cytotoxicity and the effect on common processes like transcription and translation. Based on these findings advanced studies can be defined to start the 2nd level of MoA characterisation, either with further phenotypic characterisation, starting a genetic screen or establishing a biochemical screen. At the 3rd level, enzyme assays or protein affinity studies should show the activity of the compound on the hypothesized target and should associate the in vitro effects with the in vivo profile of the compound.

Highly accurate quantum chemistry : spin-orbit splittings via multireference coupled-cluster methods and applications in heavy-atom main-group chemistry

Diese Dissertation demonstriert und verbessert die Vorhersagekraft der Coupled-Cluster-Theorie im Hinblick auf die hochgenaue Berechnung von Moleküleigenschaften. Die Demonstration erfolgt mittels Extrapolations- und Additivitätstechniken in der Single-Referenz-Coupled-Cluster-Theorie, mit deren Hilfe die Existenz und Struktur von bisher unbekannten Molekülen mit schweren Hauptgruppenelementen vorhergesagt wird. Vor allem am Beispiel von cyclischem SiS_2, einem dreiatomigen Molekül mit 16 Valenzelektronen, wird deutlich, dass die Vorhersagekraft der Theorie sich heutzutage auf Augenhöhe mit dem Experiment befindet: Theoretische Überlegungen initiierten eine experimentelle Suche nach diesem Molekül, was schließlich zu dessen Detektion und Charakterisierung mittels Rotationsspektroskopie führte. Die Vorhersagekraft der Coupled-Cluster-Theorie wird verbessert, indem eine Multireferenz-Coupled-Cluster-Methode für die Berechnung von Spin-Bahn-Aufspaltungen erster Ordnung in 2^Pi-Zuständen entwickelt wird. Der Fokus hierbei liegt auf Mukherjee's Variante der Multireferenz-Coupled-Cluster-Theorie, aber prinzipiell ist das vorgeschlagene Berechnungsschema auf alle Varianten anwendbar. Die erwünschte Genauigkeit beträgt 10 cm^-1. Sie wird mit der neuen Methode erreicht, wenn Ein- und Zweielektroneneffekte und bei schweren Elementen auch skalarrelativistische Effekte berücksichtigt werden. Die Methode eignet sich daher in Kombination mit Coupled-Cluster-basierten Extrapolations-und Additivitätsschemata dafür, hochgenaue thermochemische Daten zu berechnen.

Erfolgskontrolle in der kommunalen Wirtschaftsförderung : Analyse und Modifikation einer fragwürdigen Forderung

Seit Jahren werden Diskussionen über Erfolgskontrolle in der kommunalen Wirtschaftsförderung geführt. Im Vordergrund steht dabei die Suche nach Indikatoren und Verfahren, die es den kommunalen Wirtschaftsförderungen ermöglichen sollen, Erfolge zu messen. rnDa die Wirtschaftsförderung zu den freiwilligen Leistungen einer Gemeinde zählt, erhöht sich der Druck der Rechtfertigung gegenüber der Öffentlichkeit oder der Politik, das gilt insbesondere in Zeiten knapper öffentlicher Haushalte. Firmenansiedlungen, eine positive wirtschaftliche Entwicklung oder eine geringe Arbeitslosenquote sind sowohl im öffentlichen Bewusstsein als auch in der Politik wesentliche Kriterien einer erfolgreichen Wirtschaftsförderung. Sich ständig ändernde Rahmenbedingungen im wirtschaftsstrukturellen Gefüge haben dazu geführt, dass diese klassischen Nachweise von Erfolg immer seltener als solche präsentiert werden können. Erfolge sollten dennoch gemessen werden, um Maßnahmen und Instrumente einer kommunalen Wirtschaftsförderung zu überprüfen und gegebenenfalls an die geänderten Bedingungen anzupassen. rnEs ist schon mehr als 30 Jahre her, als in den 1970er Jahren die Suche nach Methoden und Verfahren der Erfolgskontrolle in der öffentlichen Verwaltung begann. Erfolge von kommunaler Wirtschaftsförderung können nicht einfach und ausschließlich an den markantesten wirtschaftlichen Ziffern der Kommune gemessen werden, z. B. der Zahl der sozialversicherungspflichtigen Arbeitsplätze. Seit Jahren wird um einen Lösungsweg bei der Durchführung von Erfolgskontrolle in der kommunalen Wirtschaftsförderung gerungen, abschließend wurde jedoch noch kein vollends befriedigend praktikabler Weg gefunden. Zu hinterfragen ist vor dem Hintergrund, inwiefern die vier Elemente einer Erfolgskontrolle, nämlich die Zielerreichungs-, Vollzugs-, Bedingungs- und Wirkungskontrolle, tatsächlich und hinreichend zum Einsatz kommen können.rnDie vorliegenden empirischen Untersuchungen beleuchten nun das Thema aus Sicht der kommunalen Wirtschaftsförderer und liefern Ergebnisse, die zu einem veränderten Bewusstsein gegenüber der Durchführung von Erfolgskontrolle in der kommunalen Wirtschaftsförderung führen müssten. Unabhängig von der Organisationsform und der Größe einer kommunalen Wirtschaftsförderung lässt sich empirisch nachweisen, dass der Anspruch, den der Begriff der Erfolgskontrolle in seiner gängigen Beschreibung erhebt, nicht hinreichend von einer kommunalen Wirtschaftsförderung erfüllt werden kann. rnMit Hilfe des neu entwickelten Prozesses einer modifizierten Erfolgskontrolle wird in vorliegender Arbeit ein idealtypischer Ablauf für eine kommunale Wirtschaftsförderung dargestellt. Der neue Ansatz einer modifizierten Erfolgskontrolle ist eine konsequente Reduzierung der Anforderungen auf das Praktikable und führt dazu, dass Erfolge der kommunalen Wirtschaftsförderung dargestellt werden können, ohne dass das Verfahren mehr Fragen offen lässt, als es beantwortet. Durch die modifizierte Erfolgskontrolle können die spezifischen Erfolge einer kommunalen Wirtschaftsförderung dargestellt und dokumentiert werden. rnEine modifizierte Erfolgskontrolle kann zweierlei: Sie ist eine Hilfestellung für die politisch Verantwortlichen bei der Erkenntnis, dass eine Notwendigkeit nach konkreten und der Ist-Situation sowie den Randbedingungen angepassten Zielformulierungen besteht. Sie bietet aber auch eine Möglichkeit, dass die kommunalen Wirtschaftsförderungseinrichtungen dem in der öffentlichen Diskussion formulierten Anspruch nach Erfolgskontrolle mit einem hohen Grad an Praktikabilität gerecht werden können. rnBevor also viele kommunale Wirtschaftsförderungen durch die fragwürdige Forderung an eine Erfolgskontrolle aufgrund der zu hohen Anforderungen an Methodik, Zeit und Personal aufgeben, sollte ihnen die Konzentration auf das Praktikable wieder Anreiz sein, eine modifizierte Erfolgskontrolle nach dem neuen Prozessschema in Angriff zu nehmen. rnrn