Global modeling of pollutant transport and deposition from anthropogenic emission hot spots on global scale

Urban centers significantly contribute to anthropogenic air pollution, although they cover only a minor fraction of the Earth's land surface. Since the worldwide degree of urbanization is steadily increasing, the anthropogenic contribution to air pollution from urban centers is expected to become more substantial in future air quality assessments. The main objective of this thesis was to obtain a more profound insight in the dispersion and the deposition of aerosol particles from 46 individual major population centers (MPCs) as well as the regional and global influence on the atmospheric distribution of several aerosol types. For the first time, this was assessed in one model framework, for which the global model EMAC was applied with different representations of aerosol particles. First, in an approach with passive tracers and a setup in which the results depend only on the source location and the size and the solubility of the tracers, several metrics and a regional climate classification were used to quantify the major outflow pathways, both vertically and horizontally, and to compare the balance between pollution export away from and pollution build-up around the source points. Then in a more comprehensive approach, the anthropogenic emissions of key trace species were changed at the MPC locations to determine the cumulative impact of the MPC emissions on the atmospheric aerosol burdens of black carbon, particulate organic matter, sulfate, and nitrate. Ten different mono-modal passive aerosol tracers were continuously released at the same constant rate at each emission point. The results clearly showed that on average about five times more mass is advected quasi-horizontally at low levels than exported into the upper troposphere. The strength of the low-level export is mainly determined by the location of the source, while the vertical transport is mainly governed by the lifting potential and the solubility of the tracers. Similar to insoluble gas phase tracers, the low-level export of aerosol tracers is strongest at middle and high latitudes, while the regions of strongest vertical export differ between aerosol (temperate winter dry) and gas phase (tropics) tracers. The emitted mass fraction that is kept around MPCs is largest in regions where aerosol tracers have short lifetimes; this mass is also critical for assessing the impact on humans. However, the number of people who live in a strongly polluted region around urban centers depends more on the population density than on the size of the area which is affected by strong air pollution. Another major result was that fine aerosol particles (diameters smaller than 2.5 micrometer) from MPCs undergo substantial long-range transport, with about half of the emitted mass being deposited beyond 1000 km away from the source. In contrast to this diluted remote deposition, there are areas around the MPCs which experience high deposition rates, especially in regions which are frequently affected by heavy precipitation or are situated in poorly ventilated locations. Moreover, most MPC aerosol emissions are removed over land surfaces. In particular, forests experience more deposition from MPC pollutants than other land ecosystems. In addition, it was found that the generic treatment of aerosols has no substantial influence on the major conclusions drawn in this thesis. Moreover, in the more comprehensive approach, it was found that emissions of black carbon, particulate organic matter, sulfur dioxide, and nitrogen oxides from MPCs influence the atmospheric burden of various aerosol types very differently, with impacts generally being larger for secondary species, sulfate and nitrate, than for primary species, black carbon and particulate organic matter. While the changes in the burdens of sulfate, black carbon, and particulate organic matter show an almost linear response for changes in the emission strength, the formation of nitrate was found to be contingent upon many more factors, e.g., the abundance of sulfuric acid, than only upon the strength of the nitrogen oxide emissions. The generic tracer experiments were further extended to conduct the first risk assessment to obtain the cumulative risk of contamination from multiple nuclear reactor accidents on the global scale. For this, many factors had to be taken into account: the probability of major accidents, the cumulative deposition field of the radionuclide cesium-137, and a threshold value that defines contamination. By collecting the necessary data and after accounting for uncertainties, it was found that the risk is highest in western Europe, the eastern US, and in Japan, where on average contamination by major accidents is expected about every 50 years.

Phenothiazine based polymers for energy and data storage application

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von Polymeren mit redox-funktionalen Phenothiazin-Seitenketten. Phenothiazin und seine Derivate sind kleine Redoxeinheiten, deren reversibles Redoxverhalten mit electrochromen Eigenschaften verbunden ist. Das besondere an Phenothiazine ist die Bildung von stabilen Radikalkationen im oxidierten Zustand. Daher können Phenothiazine als bistabile Moleküle agieren und zwischen zwei stabilen Redoxzuständen wechseln. Dieser Schaltprozess geht gleichzeitig mit einer Farbveränderung an her.rnrnIm Rahmen dieser Arbeit wird die Synthese neuartiger Phenothiazin-Polymere mittels radikalischer Polymerisation beschrieben. Phenothiazin-Derivate wurden kovalent an aliphatischen und aromatischen Polymerketten gebunden. Dies erfolgte über zwei unterschiedlichen synthetischen Routen. Die erste Route beinhaltet den Einsatz von Vinyl-Monomeren mit Phenothiazin Funktionalität zur direkten Polymerisation. Die zweite Route verwendet Amin modifizierte Phenothiazin-Derivate zur Funktionalisierung von Polymeren mit Aktivester-Seitenketten in einer polymeranalogen Reaktion. rnrnPolymere mit redox-funktionalen Phenothiazin-Seitenketten sind aufgrund ihrer Elektron-Donor-Eigenschaften geeignete Kandidaten für die Verwendung als Kathodenmaterialien. Zur Überprüfung ihrer Eignung wurden Phenothiazin-Polymere als Elektrodenmaterialien in Lithium-Batteriezellen eingesetzt. Die verwendeten Polymere wiesen gute Kapazitätswerte von circa 50-90 Ah/kg sowie schnelle Aufladezeiten in der Batteriezelle auf. Besonders die Aufladezeiten sind 5-10 mal höher als konventionelle Lithium-Batterien. Im Hinblick auf Anzahl der Lade- und Entladezyklen, erzielten die Polymere gute Werte in den Langzeit-Stabilitätstests. Insgesamt überstehen die Polymere 500 Ladezyklen mit geringen Veränderungen der Anfangswerte bezüglich Ladezeiten und -kapazitäten. Die Langzeit-Stabilität hängt unmittelbar mit der Radikalstabilität zusammen. Eine Stabilisierung der Radikalkationen gelang durch die Verlängerung der Seitenkette am Stickstoffatom des Phenothiazins und der Polymerhauptkette. Eine derartige Alkyl-Substitution erhöht die Radikalstabilität durch verstärkte Wechselwirkung mit dem aromatischen Ring und verbessert somit die Batterieleistung hinsichtlich der Stabilität gegenüber Lade- und Entladezyklen. rnrnDes Weiteren wurde die praktische Anwendung von bistabilen Phenothiazin-Polymeren als Speichermedium für hohe Datendichten untersucht. Dazu wurden dünne Filme des Polymers auf leitfähigen Substraten elektrochemisch oxidiert. Die elektrochemische Oxidation erfolgte mittels Rasterkraftmikroskopie in Kombination mit leitfähigen Mikroskopspitzen. Mittels dieser Technik gelang es, die Oberfläche des Polymers im nanoskaligen Bereich zu oxidieren und somit die lokale Leitfähigkeit zu verändern. Damit konnten unterschiedlich große Muster lithographisch beschrieben und aufgrund der Veränderung ihrer Leitfähigkeit detektiert werden. Der Schreibprozess führte nur zu einer Veränderung der lokalen Leitfähigkeit ohne die topographische Beschaffenheit des Polymerfilms zu beeinflussen. Außerdem erwiesen sich die Muster als besonders stabil sowohl mechanisch als auch über die Zeit.rnrnZum Schluss wurden neue Synthesestrategien entwickelt um mechanisch stabile als auch redox-funktionale Oberflächen zu produzieren. Mit Hilfe der oberflächen-initiierten Atomtransfer-Radikalpolymerisation wurden gepfropfte Polymerbürsten mit redox-funktionalen Phenothiazin-Seitenketten hergestellt und mittels Röntgenmethoden und Rasterkraftmikroskopie analysiert. Eine der Synthesestrategien geht von gepfropften Aktivesterbürsten aus, die anschließend in einem nachfolgenden Schritt mit redox-funktionalen Gruppen modifiziert werden können. Diese Vorgehensweise ist besonders vielversprechend und erlaubt es unterschiedliche funktionelle Gruppen an den Aktivesterbürsten zu verankern. Damit können durch Verwendung von vernetzenden Gruppen neben den Redoxeigenschaften, die mechanische Stabilität solcher Polymerfilme optimiert werden. rn rn

Rupture forces of split aptamers

Rupture forces of ligand-receptor interactions, such as proteins-proteins, proteins-cells, and cells-tissues, have been successfully measured by atomic force spectroscopy (AFS). For these measurements, the ligands and receptors were chemically modified so that they can be immobilized on the tip and on a substrate, respectively. The ligand interact the receptor when the tip approaches the substrate. This interaction can be studied by measuring rupture force upon retraction. However, this technique is not feasible for measurements involving small molecules, since they form only few H-bonds with their corresponding receptors. Modifying small molecules for immobilization on surfaces may block or change binding sites. Thus, recorded rupture forces might not reflect the full scope of the involved small ligand-receptor interactions.rnIn my thesis, a novel concept that allows measuring the rupture force of small involved ligand-receptor interactions and does not require molecular modification for immobilization was introduced. The rupture force of small ligand-receptor interaction is not directly measured but it can be determined from measurements in the presence and in the absence of the ligand. As a model system, the adenosine mono phosphate (AMP) and the aptamer that binds AMP were selected. The aptamer (receptor) is a single stranded DNA that can partially self-hybridize and form binding pockets for AMP molecules (ligands). The bonds between AMP and aptamer are provided by several H-bonds and pair stacking.rnIn the novel concept, the aptamer was split into two parts (oligo a and oligo b). One part was immobilized on the tip and the other one on the substrate. Approaching the tip to the substrate, oligo a and oligo b partially hybridized and the binding pockets were formed. After adding AMP into the buffer solution, the AMP bound in the pockets and additional H-bonds were formed. Upon retraction of the tip, the rupture force of the AMP-split aptamer complex was measured. In the presence of excess AMP, the rupture force increased by about 10 pN. rnThe dissociation constant of the AMP-split aptamer complex was measured on a single molecular level (~ 4 µM) by varying the AMP concentrations and measuring the rupture force at each concentration. Furthermore, the rupture force was amplified when more pockets were added to the split aptamer. rnIn the absence of AMP, the thermal off-rate was slightly reduced compared to that in the presence of AMP, indicating that the AMP stabilized the aptamer. The rupture forces at different loading rates did not follow the logarithmic fit which was usually used to describe the dependence of rupture forces at different loading rates of oligonucleotides. Two distinguished regimes at low and high loading rates were obtained. The two regimes were explained by a model in which the oligos located at the pockets were stretched at high loading rates. rnThe contribution of a single H-bond formed between the AMP molecule and the split aptamer was measured by reducing the binding groups of the AMP. The rupture forces reduce corresponding to the reduction of the binding groups. The phosphate group played the most important role in the formation of H-bond network between the AMP molecule and the split aptamer. rn

Aktivierung von c-Jun-N-terminalen Kinasen (SAPK,JNK) als Teil der späten Cisplatin abhängigen DNA-Schadensantwort

Stress-aktivierte-Protein-Kinasen (c-Jun-N-terminal kinases) SAPK/JNK werden sehr schnell nach Exposition von Zellen mit verschiedensten Noxen, wie beispielsweise Genotoxinen, aktiviert. Sie sind allerdings noch nicht als Teil der DNA-Schadensantwort etabliert. In dieser Arbeit sollte gezeigt werden, das SAPK/JNK einen wichtigen Teil innerhalb der DNA-Schadensantwort spielen. Aus diesem Grund wurde zu frühen (z.B.: 4 h) als auch zu späten Zeiten (z.B.: 24 h) die Bildung von DNA-Addukten nach Cisplatin Exposition untersucht und überprüft, ob diese mit dem Aktivierungsstatus der SAPK/JNK nach Cisplatinbehandlung korreliert. Menschliche Fibroblasten, die einen Defekt in der Transkription gekoppelten Nukleotid-Exzisionsreparatur (TC-NER) aufwiesen, wie beispielsweise CSB-Zellen (Cockayne Syndrom B) oder XPA-Zellen (Xeroderma Pigmentosum A), sind charakterisiert durch einen erhöhten Phosphorylierungsstatus der SAPK/JNK, 16 h nach Cisplatingabe, im Vergleich zu normalen Wildtyp-Fibroblasten. Die nach Cisplatin Exposition beobachtete Aktivierung der SAPK/JNK ist quantitativ jedoch nicht vergleichbar mit dem Level an gebildeten Cisplatin-DNA-Addukten, wie in den Southwestern- und Massenspektrometrischen Untersuchungen gezeigt werden konnte. Es konnten jedoch Parallelen zwischen der Aktivierung der SAPK/JNK, sowie den gezeigten γ-H2AX-Foci als auch der Aktivierung von Check-Point Kinasen gefunden werden. Dies lässt darauf schließen, dass DNA-Doppelstrangbrüche (DSB) an der späten Aktivierung des SAPK/JNK Signalweges beteiligt sind. Dementsprechend lässt sich ebenfalls in Zellen, die einen Defekt in der Reparatur von Doppelstrangsbrüchen aufweisen, wie beispielsweise DNA-PKcs Zellen, eine erhöhte, durch Cisplatin hervorgerufene späte Phosphorylierung der SAPK/JNK als auch eine vermehrte γ-H2AX-Foci Bildung und Check-Point Kinasen Aktivierung nachweisen. Vergleichend dazu zeigten Zellen mit einem Defekt in ATM (Ataxia telegiectasia mutated protein) oder XPC keine erhöhte Phosphorylierung zu späten Zeiten nach Cisplatin Behandlung. Weiterhin bleibt festzuhalten, dass die späte, durch Cisplatin hervorgerufene Schadensantwort unabhängig von p53, ER-Stress oder MKP-1 ist. Die SAPK/JNK Aktivierung nach Cisplatin Exposition erfordert funktionsfähige Rho-GTPasen und kann durch pharmakologische Hemmung der Tyrosin-Kinasen und durch N-Acetylcystein gehemmt werden. Es lässt sich zusammenfassend sagen, dass die durch Cisplatin induzierte späte SAPK/JNK Aktivierung durch die Formation von DSB initiiert wird und XPC, Rho-Proteine sowie Tyrosin Kinasen an der Signalweiterleitung beteiligt sind.

The effect of elastic modulus and equilibrium vapor adsorption on capillary forces

Die Kapillarkraft entsteht durch die Bildung eines Meniskus zwischen zwei Festkörpen. In dieser Doktorarbeit wurden die Auswirkungen von elastischer Verformung und Flϋssigkeitadsorption auf die Kapillarkraft sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Unter Verwendung eines Rasterkraftmikroskops wurde die Kapillarkraft zwischen eines Siliziumoxid Kolloids von 2 µm Radius und eine weiche Oberfläche wie n.a. Polydimethylsiloxan oder Polyisopren, unter normalen Umgebungsbedingungen sowie in variierende Ethanoldampfdrϋcken gemessen. Diese Ergebnisse wurden mit den Kapillarkräften verglichen, die auf einem harten Substrat (Silizium-Wafer) unter denselben Bedingungen gemessen wurden. Wir beobachteten eine monotone Abnahme der Kapillarkraft mit zunehmendem Ethanoldampfdruck (P) fϋr P/Psat > 0,2, wobei Psat der Sättigungsdampfdruck ist.rnUm die experimentellen Ergebnisse zu erklären, wurde ein zuvor entwickeltes analytisches Modell (Soft Matter 2010, 6, 3930) erweitert, um die Ethanoladsorption zu berϋcksichtigen. Dieses neue analytische Modell zeigte zwei verschiedene Abhängigkeiten der Kapillarkraft von P/Psat auf harten und weichen Oberflächen. Fϋr die harte Oberfläche des Siliziumwafers wird die Abhängigkeit der Kapillarkraft vom Dampfdruck vom Verhältnis der Dicke der adsorbierten Ethanolschicht zum Meniskusradius bestimmt. Auf weichen Polymeroberflächen hingegen hängt die Kapillarkraft von der Oberflächenverformung und des Laplace-Drucks innerhalb des Meniskus ab. Eine Abnahme der Kapillarkraft mit zunehmendem Ethanoldampfdruck hat demnach eine Abnahme des Laplace-Drucks mit zunehmendem Meniskusradius zur folge. rnDie analytischen Berechnungen, fϋr die eine Hertzsche Kontakt-deformation angenommen wurde, wurden mit Finit Element Methode Simulationen verglichen, welche die reale Deformation des elastischen Substrats in der Nähe des Meniskuses explizit berϋcksichtigen. Diese zusätzliche nach oben gerichtete oberflächenverformung im Bereich des Meniskus fϋhrt zu einer weiteren Erhöhung der Kapillarkraft, insbesondere fϋr weiche Oberflächen mit Elastizitätsmodulen < 100 MPa.rn

Synthese fluorierter Glycopeptidkonjugate zur Entwicklung von tumorselektiven Vakzinen

Das Auftreten von antigenen, für Tumorzellen charakteristische Zelloberflächenstrukturen bildet die Voraussetzung für eine aktive Krebsimmuntherapie, mit deren Hilfe die gezielte Bekämpfung von (Mikro-)Metastasen durch das körpereigene Immunsystem erreicht werden soll. Eine gut untersuchte Zielstruktur für eine derartige Immuntherapie stellt das Mucin MUC1 dar, ein hochgradig O-glycosyliertes Peptid, welches bspw. von Epithelzellen der Leber exprimiert wird. rnDas Glycosylierungsmuster des tumorassoziierten MUC1 ist gegenüber dem von gesunden Zellen stark verändert. In Tumorzellen kommt es aufgrund einer fehlerhaften Glucosylamintransferase-Aktivität und einer Überexpression von Sialyltransferasen zur Bildung von kürzeren, hochgradig sialylierten O-Glycanketten. Allerdings wirkt sich neben der relativ schwachen Immunogenität besonders die geringe metabolische Stabilität des natürlichen Glycopeptidfragments nachteilig auf einen Einsatz in Krebsvakzinen aus.rnEine bislang kaum untersuchte Möglichkeit, die Stabilität und Immunogenität der Kohlenhydratantigene zu erhöhen, könnte durch den „bioisosteren“ Austausch von OH-Gruppen gegen Fluor erreicht werden.rnIm Rahmen dieser Arbeit konnten in 3’- und 4’- Position monofluorierte T-Antigene bzw. in 6’-Position difluorierte T- und in 6-Position difluorierte TN-Antigene synthetisiert werden. In ersten metabilischen Tests erwiesen sich die fluorierten T-Antigene gegenüber einem Abbau durch eine alpha-Galactosidase aus Rinderhoden als stabiler als ihr natürliches, nicht-fluoriertes Analogon. Diese Strukturen wurden nicht zu den entsprechenden Monosacchariden hydrolysiert und stellen somit geeignete Bausteine zur Entwicklung potenter Tumorvakzine dar.rnDie in 3- und 4-Position fluorierten T-Antigene wurden in der weiteren Synthese in eine aus 20 Aminosäuren bestehende MUC1-Peptidsequenz eingebaut und durch einen nicht immunognene Spacer auf Basis von Triethylenglycol an BSA (Rinderserumalbumin) bzw. Tetanus-Toxoid angebunden. Auf diese Weise konnte die Synthese eines tumorselektiven Vakzins fertiggestellt werden.rnIn einer ersten immunologischen Evaluierung der fluorierten T-Antigen-Glycopeptide konnte gezeigt werden, dass bereits erhaltene Antikörper gegen strukturell sehr ähnliche Vakzine in der Lage sind, die neuartigen Glycopeptide zu erkennen und an ihnen zu binden. Dies stellt die Grundlage für weiterführende immunologische Tests dar, indem in einem nächsten Schritt das synthetisierte Tetanut-Toxoid-Konjugat als Vakzin in Experimenten an Mäusen zum Einsatz kommen soll.rn

Microscopic and spectroscopic analysis of biogenic aerosols

Aerosol particles are important actors in the Earth’s atmosphere and climate system. They scatter and absorb sunlight, serve as nuclei for water droplets and ice crystals in clouds and precipitation, and are a subject of concern for public health. Atmospheric aerosols originate from both natural and anthropogenic sources, and emissions resulting from human activities have the potential to influence the hydrological cycle and climate. An assessment of the extent and impacts of this human force requires a sound understanding of the natural aerosol background. This dissertation addresses the composition, properties, and atmospheric cycling of biogenic aerosol particles, which represent a major fraction of the natural aerosol burden. The main focal points are: (i) Studies of the autofluo-rescence of primary biological aerosol particles (PBAP) and its application in ambient measure-ments, and (ii) X-ray microscopic and spectroscopic investigations of biogenic secondary organic aerosols (SOA) from the Amazonian rainforest.rnAutofluorescence of biological material has received increasing attention in atmospheric science because it allows real-time monitoring of PBAP in ambient air, however it is associated with high uncertainty. This work aims at reducing the uncertainty through a comprehensive characterization of the autofluorescence properties of relevant biological materials. Fluorescence spectroscopy and microscopy were applied to analyze the fluorescence signatures of pure biological fluorophores, potential non-biological interferences, and various types of reference PBAP. Characteristic features and fingerprint patterns were found and provide support for the operation, interpretation, and further development of PBAP autofluorescence measurements. Online fluorescence detection and offline fluorescence microscopy were jointly applied in a comprehensive bioaerosol field measurement campaign that provided unprecedented insights into PBAP-linked biosphere-atmosphere interactions in a North-American semi-arid forest environment. Rain showers were found to trigger massive bursts of PBAP, including high concentrations of biological ice nucleators that may promote further precipitation and can be regarded as part of a bioprecipitation feedback cycle in the climate system. rnIn the pristine tropical rainforest air of the Amazon, most cloud and fog droplets form on bio-genic SOA particles, but the composition, morphology, mixing state and origin of these particles is hardly known. X-ray microscopy and spectroscopy (STXM-NEXAFS) revealed distinctly different types of secondary organic matter (carboxyl- vs. hydroxy-rich) with internal structures that indicate a strong influence of phase segregation, cloud and fog processing on SOA formation, and aging. In addition, nanometer-sized potassium-rich particles emitted by microorganisms and vegetation were found to act as seeds for the condensation of SOA. Thus, the influence of forest biota on the atmospheric abundance of cloud condensation nuclei appears to be more direct than previously assumed. Overall, the results of this dissertation suggest that biogenic aerosols, clouds and precipitation are indeed tightly coupled through a bioprecipitation cycle, and that advanced microscopic and spectroscopic techniques can provide detailed insights into these mechanisms.rn

Wechselwirkungen von Schwerionenstrahlung, Migration und EGFR-Signalwegen in Glioblastomzelllinien

Die Bildung von lokalen Rezidiven wird bei Glioblastomen vor allem durch das stark infiltrierende Wachstum gefördert. Die Rolle der angewendeten Therapieverfahren bei der Induktion der Zellmotilität ist noch weitgehend unklar. Im Rahmen dieser Dissertation wurde daher in vitro die Wirkung der Photonen- und Schwerionenstrahlung auf die Migration von humanen Glioblastomzelllinien sowie auf EGFR-gekoppelte, migrationsregulierende Signalmoleküle untersucht. Gezeigt werden konnte, dass die EGF-induzierte Stimulierung des EGFR über den PI3K und MAPK Signalweg an der Regulation der Zellmigration beteiligt ist. Hinsichtlich des Verhaltens nach Bestrahlung wurden Zelllinien- und Strahlen-spezifische Unterschiede beobachtet. Die Photonenstrahlung führte in U87 Zellen zu einer Aktivierung des EGFR sowie zur Steigerung der Migration nach klinisch relevanten Dosen. Versuche mit einem EGFR spezifischen Inhibitor bestätigten die funktionelle Verknüpfung von Strahlen-induzierter Aktivierung des EGFR und Strahlen-induzierter Migrationssteigerung. Demgegenüber wurden nach Bestrahlung mit Kohlenstoffionen eine Hemmung der Zellmigration sowie keine gesteigerte Aktivität des EGFR festgestellt. Die erhaltenen in vitro Ergebnisse geben Hinweise auf ein in Glioblastomen mögliches erhöhtes Risiko einer Rezidivbildung nach einer konventionellen Radiotherapie mit Photonen. Bei der modernen Schwerionentherapie kann dieses Risiko aufgrund der Strahlen-vermittelten Migrationshemmung weitestgehend ausgeschlossen werden. Sollte sich die Strahlen-induzierte Migrationssteigerung in vivo bestätigen, wäre es sinnvoll den Einsatz von Migrationsinhibitoren als Begleittherapie zur Bestrahlung zu testen.

Akkumulation von Splenozyten mit immunsuppressiven Eigenschaften in mastzelllosen Mäusen mit Kit-W-sh-Mutation

Mutationen, die zu einer reduzierten Aktivität der Tyrosinkinase c-Kit führen, können zum Verlust von Mastzellen führen, weshalb entsprechende Mausstämme intensiv zur Erforschung von Mastzellfunktionen verwendet werden. C-Kit ist der Rezeptor für den in der Hämatopoese essentiellen Stammzellfaktor (SCF) und die vorliegende Arbeit hatte daher das Ziel, mögliche weitere Auswirkungen der Mutation KitW-sh auf die Hämatopoese in Mäusen zu untersuchen. Es zeigte sich, dass die KitW-sh-Mutation zu einer ausgeprägten extramedullären Hämatopoese in der Milz führt. Dies ist durch das vermehrte Vorkommen von hämatopoetischen Stammzellen und Vorläufern der myeloiden Zellreihe charakterisiert, die alle eine reduzierte Expression von c-Kit aufweisen. Detailiert untersucht wurde eine massiv expandierte Zellpopulation mit dem Phänotyp neutrophiler Granulozyten in den Milzen naiver KitW-sh-Mäuse. Es handelt sich hierbei jedoch um Zellen mit immunsuppressiven Eigenschaften, die in Wildtypmäusen typischerweise während der Entwicklung von Tumoren expandieren und als "myeloid-derived suppressor cells" (MDSC) angesprochen werden, eine phänotypisch und funktionell heterogene Zellgruppe. Die entsprechenden Zellen aus naiven KitW sh-Mäusen wurden als granulozytär-(G)-MDSC-ähnlichen Zellen bezeichnet, da sie in der Lage sind, in vitro die Proliferation von T-Zellen durch die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies zu hemmen und nach Transfer in tumortragende Wildtypmäuse das Tumorwachstum zu begünstigen. Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit unserer Beobachtung, dass der Transfer einer Karzinom-Zelllinie in KitW-sh-Mäusen zur Bildung größerer Tumore führt als in entsprechenden Wildtyp-Kontrolltieren, unabhängig von der Abwesenheit von Mastzellen. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen einen starken Einfluss der KitW-sh-Mutation nicht nur auf die Entwicklung von Mastzellen, sondern auch auf die extramedulläre Myelopoese. Die Expansion G-MDSC-ähnlicher Zellen mit potentiell immunsuppressiven Eigenschaften kann die Verwendung von KitW-sh-Mäusen für die gezielte Untersuchung Mastzell-spezifischer Phänomene einschränken.

Optische Mikroskopie an elektrostatisch stabilisierten kolloidalen Suspensionen unter dem Einfluss geladener Wände - ausgewählte Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtsphänomene

Das Verhalten kolloidaler Suspensionen unter räumlich beschränkter Geometrie ist von großer Bedeutung für die statistische Physik wie auch für die Technologie. Von speziellem Interesse sind Modellsysteme geladener kolloidaler Sphären aufgrund ihrer langreichweitigen und veränderbaren Wechselwirkungen. In dieser Arbeit wurde ein experimenteller Aufbau für die optische mikroskopische Untersuchung solcher, zwischen ebenen Wänden beschränkter Systeme realisiert. Anhand von Piezo-Aktuatoren kann die Zellgeometrie flexibel und präzise eingestellt werden. Unter Verwendung eines Pumpkreislaufs mit einer Ionentauschersäule können kolloidale Suspensionen unter stark entsalzten Bedingungen effizient präpariert werden. Anhand dieses Aufbaus wurde zunächst das Gleichgewichtsphasendiagramm monodisperser geladener kolloidaler Sphären zwischen parallelen Wänden untersucht. Es wurden quantitative Resultate für den Grenzfall starker Entsalzung erzielt, welche mit theoretischen Grundzustandsvorhersagen übereinstimmen. In Doppellagensystemen konnte die Existenz transienter kolloidaler Moiré-Rotationsmuster demonstriert werden, welche besondere zweidimensionale Kristallstrukturen mit komplexer Basis darstellen. Es wurden ferner Nichtgleichgewichtsphänomene untersucht, welche durch Gradienten von lokal freigesetzten Elektrolyten verursacht werden. Durch hauptsächlich diffusioosmotischen Partikeltransport entlang einer einzelnen geladenen Substratoberfläche konnten die Bildung kristalliner Ordnung sowie komplexe, selbstorganisierte Bewegungszustände in einem verdünnten kolloidalen Monolagenfluid bei kleinen Reynolds-Zahlen induziert werden. Interessante Perspektiven für die zukünftige Verwendung des experimentellen Aufbaus ergeben sich aus Beobachtungen verschiedener weiterer Phänomene.

Synthese cyclischer Peptide und von Kohlenhydraten abgeleitete Katalysatoren zur enantioselektiven Darstellung von Cyanhydrinen

Der Suche nach neuen Wirkstoffen für den chemischen Pflanzenschutz kommt insbesondere vor dem Hintergrund der steigenden Weltbevölkerung und weniger zur Verfügung stehenden kulturfähigen Ackerflächen eine stetig wachsende Bedeutung zu. Ziel dieser Arbeit war die Synthese von cyclischen Peptiden und Depsipeptiden, die aufgrund ihrer biologischen Aktivität als potentielle Insektizide für den chemischen Pflanzenschutz in Frage kommen. Darüber hinaus sollten von Kohlenhydraten abgeleitete Katalysatoren zur enantioselektiven Cyanhydrinsynthese entwickelt werden, um einen leichten Zugang zu den Bausteinen der Depsipeptide zu ermöglichen. Als vielversprechender Naturstoff mit insektiziden Eigenschaften gilt das cyclische Pentapeptid Cycloaspeptid E, dessen Totalsynthese in 10 Stufen mit einer Gesamtausbeute von 25% erreicht wurde, sodass die Verbindung für biologische Tests bereitgestellt werden konnte. Zusätzlich gelang die Kristallisation der Verbindung, was eine Röntgenstrukturanalyse ermöglichte. Ein Derivat von Cycloaspeptid E sollte 2-Aminonicotinsäure anstelle von Anthranilsäure enthalten. Die Synthese dieser Verbindung wurde auf drei Wegen versucht. Dabei zeigte sich, dass es bei einer zur Totalsynthese des Naturstoffs analogen Strategie zur quantitativen Bildung eines Diketopiperazins kommt. Auf den anderen Routen ließ sich entweder ein Kupplungsschritt nicht realisieren, oder die Verbindung erwies sich unter den gewählten Bedingungen als instabil. Die Darstellung eines 2-Aminonicotinsäure-Derivats von Cycloaspeptid E bleibt daher weiterhin ein ungelöstes Problem, das weiterer Forschung bedarf. Verticilid A1 ist ein cyclisches Depsipeptid, das aufgrund seiner Bindungsfähigkeit an den Ryanodinrezeptor von Insekten, als Leitstruktur für die Suche nach neuen Insektiziden von Interesse ist. Um zu untersuchen, wie wichtig die Esterbindungen im Molekül für die biologische Aktivität sind, sollte das entsprechende Amid-Derivat und das Cyclodepsipeptid mit nur zwei statt vier Esterbindungen hergestellt werden. Hierbei zeigte sich, dass eine zur Darstellung von Verticilid A1 analoge Syntheseroute zu einer ausgeprägten Epimerisierung führt. Eine lineare Synthese der Derivate endet in der Bildung des Diketopiperazins. Weiterhin wurden zwei neue, zueinander pseudoenantiomere Vanadium(IV)-Katalysatoren auf Basis von D-Glucose einerseits und L-Xylose andererseits dargestellt. Diese lassen sich in fünf bzw. 14 Stufen synthetisieren und liefern in der enantioselektiven Katalyse von Mandelsäurenitril Enantiomerenüberschüsse von 89% bzw. 91% bei hohen Ausbeuten. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass im Rahmen dieser Arbeit die Totalsynthese von Cycloaspeptid E erfolgreich durchgeführt wurde, und die Syntheseversuche von weiteren cyclischen Peptiden wichtige Erkenntnisse für weitere Synthesen lieferten. Mit den beiden hergestellten Vanadium(IV)-Komplexen wurden zwei potente, auf Kohlenhydraten basierende Katalysatoren für die enantioselektive Synthese von Cyanhydrinen entwickelt.

Potential vorticity and moisture in extratropical cyclones : climatology and sensitivity experiments

The development of extratropical cyclones can be seen as an interplay of three positive potential vorticity (PV) anomalies: an upper-level stratospheric intrusion, low-tropospheric diabatically produced PV, and a warm anomaly at the surface acting as a surrogate PV anomaly. In the mature stage they become vertically aligned and form a “PV tower” associated with strong cyclonic circulation. This paradigm of extratropical cyclone development provides the basis of this thesis, which will use a climatological dataset and numerical model experiments to investigate the amplitude of the three anomalies and the processes leading in particular to the formation of the diabatically produced low-tropospheric PV anomaly.rnrnThe first part of this study, based on the interim ECMWF Re-Analysis (ERA-Interim) dataset, quantifies the amplitude of the three PV anomalies in mature extratropical cyclones in different regions in the Northern Hemisphere on a climatological basis. A tracking algorithm is applied to sea level pressure (SLP) fields to identify cyclone tracks. Surface potential temperature anomalies ∆θ and vertical profiles of PV anomalies ∆PV are calculated at the time of the cyclones’ minimum SLP and during the intensification phase 24 hours before in a vertical cylinder with a radius of 200 km around the surface cyclone center. To compare the characteristics of the cyclones, they are grouped according to their location (8 regions) and intensity, where the central SLP is used as a measure of intensity. Composites of ∆PV profiles and ∆θ are calculated for each region and intensity class at the time of minimum SLP and during the cyclone intensification phase.rnrnDuring the cyclones’ development stage the amplitudes of all three anomalies increase on average. In the mature stage all three anomalies are typically larger for intense than for weak winter cyclones [e.g., 0.6 versus 0.2 potential vorticity units (PVU) at lower levels, and 1.5 versus 0.5 PVU at upper levels].rnThe regional variability of the cyclones’ vertical structure and the profile evolution is prominent (cyclones in some regions are more sensitive to the amplitude of a particular anomaly than in other regions). Values of ∆θ and low-level ∆PV are on average larger in the western parts of the oceans than in the eastern parts. In addition, a large seasonal variability can be identified, with fewer and weaker cyclones especially in the summer, associated with higher low-tropospheric PV values, but also with a higher tropopause and much weaker surface potential temperature anomalies (compared to winter cyclones).rnrnIn the second part, we were interested in the diabatic low-level part of PV towers. Evaporative sources were identified of moisture that was involved in PV production through condensation. Lagrangian backward trajectories were calculated from the region with high PV values at low-levels in the cyclones. PV production regions were identified along these trajectories and from these regions a new set of backward trajectories was calculated and moisture uptakes were traced along them. The main contribution from surface evaporation to the specific humidity of the trajectories is collected 12-72 hours prior to therntime of PV production. The uptake region for weaker cyclones with less PV in the centre is typically more localized with reduced uptake values compared to intense cyclones. However, in a qualitative sense uptakes and other variables along single trajectories do not vary much between cyclones of different intensity in different regions.rnrnA sensitivity study with the COSMO model comprises the last part of this work. The study aims at investigating the influence of synthetic moisture modification in the cyclone environment in different stages of its development. Moisture was eliminated in three regions, which were identified as important moisture source regions for PV production. Moisture suppression affected the cyclone the most in its early phase. It led to cyclolysis shortly after its genesis. Nevertheles, a new cyclone formed on the other side of a dry box and developed relatively quickly. Also in other experiments, moisture elimination led to strong intensity reduction of the surface cyclone, limited upper-level development, and delayed or missing interaction between the two.rnrnIn summary, this thesis provides novel insight into the structure of different intensity categories of extratropical cyclones from a PV perspective, which corroborates the findings from a series of previous case studies. It reveals that all three PV anomalies are typically enhanced for more intense cyclones, with important regional differences concerning the relative amplitude of the three anomalies. The moisture source analysis is the first of this kind to study the evaporation-condensation cycle related to the intensification of extratropical cyclones. Interestingly, most of the evaporation occurs during the 3 days prior to the time of maximum cyclone intensity and typically extends over fairly large areas along the track of the cyclone. The numerical model case study complements this analysis by analyzing the impact of regionally confined moisture sources for the evolution of the cyclone.

Entwicklung und Anwendung eines Verfahrens zur Bestimmung von halogenierten Kohlenwasserstoffen in Luft mittels anreichernder Probenahme,Thermodesorption und GC,MS mit negativer chemischer Ionisation

Flüchtige organische Halogenverbindungen übernehmen in der Chemie der Troposphäre eine Schlüsselrolle. Photolytisch gebildete Halogenatome reagieren mit troposphärischem Ozon und können durch Oxidation, vor allem von Iod, zur Neubildung von Partikeln beitragen. Auf diese Weise beeinflussen Halogenalkane den Strahlungshaushalt der Atmosphäre. Aus analytischem Blickwinkel ist es wichtig die Konzentration der einzelnen Spezies zu untersuchen um Rückschlüsse auf deren biotische oder abiotische Quellen ziehen und die Emissionswege besser verstehen zu können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde daher eine sensitive Methode zur Untersuchung von halogenierten Kohlenwasserstoffen entwickelt, basierend auf anreichernder Probenahme mit anschließender Thermodesorption und der Analyse mittels Massenspektrometrie mit negativer chemischer Ionisation. Die Kennwerte der Methode sind: Nachweisgrenzen zwischen 0.11 pg und 5.86 pg bzw. zwischen 1.0 ppqV und 44.7 ppqV, Linearität zwischen R2=0.993 und R2=1.000, Reproduzierbarkeit (Triplikate) RSD < 15 % und ein sicheres Probenahmevolumen von 10 L. Die Methode wurde im Anschluss im Rahmen von zwei Feldmessungen, in Mace Head, Irland und auf einer Schiffskampagne im antarktischen Amundsen-Meer, angewendet. Durch die Ergebnisse aus Irland kann gezeigt werden, dass die Mischungsverhältnisse der Iodalkane mit denen früherer Studien vergleichbar sind, und dass die verschiedenen untersuchten Algenarten deutlich unterschiedliche Emissionsraten zeigen. Die Ergebnisse der Kampagne im Amundsen-Meer zeigen einen großen Einfluss der Windrichtung auf die Halogenalkan-Konzentrationen. So sind die Mischungsverhältnisse der Halogenalkane deutlich höher, wenn der Wind zuvor über die antarktischen Eisflächen strömt. Für die biotischen Quellen wurden die Emissionsraten ausgewählter Makroalgen unter dem Einfluss von Ozon untersucht. Die Emissionsrate der Iodalkane zeigt einen exponentiellen Zusammenhang, sowohl zur I2-Emission als auch zum Gesamtiodgehalt der Algen. Unter oxidativen Bedingungen zeigt L. Digitata eine linear steigende Iodalkanemission. Mit diesem Verhalten wird die These der Bildung von Iodalkanen als Nebenprodukt beim Abbau reaktiver Sauerstoffspezies unterstützt. Neben den Makroalgen wurden auch Mikroalgen als biotische Quellen untersucht. Hierbei können zwei unterschiedliche Emissionsmuster der Halogenalkane für Diatomeen und Phaeocystis sp. gezeigt werden. Im Gegensatz zur Iodalkan-Emission hängt die I2 Emission der Mikroalgenproben von der Ozonkonzentration der Luft ab. Durch die lineare Korrelation der I2-Emission mit der Iodid-Konzentration der wässrigen Phase einerseits, und dem Ozonverbrauch andererseits, kann die Bildung von I2 durch Oxidation von Iodid durch Ozon bestätigt werden. Für das Emissionsverhalten der Mikroalgenprobe aus dem Sylter Wattenmeer, welche keine Korrelation mit dem verbrauchten Ozon zeigt, gibt es zwei Erklärungen: Zum einen kann I2 durch den hohen Gehalt an organischen Verbindungen an diesen adsorbiert bzw. chemisch gebunden werden und wird dann nicht mehr in die Gasphase emittiert. Zum anderen können aktive organische Verbindungen das Gleichgewicht zwischen HOI und I2 in Richtung HOI verlagern. Im Versuch zur abiotischen Bildung von Iodalkanen aus Partikeln, bestehend aus I2O5 und verschiedenen Alkoholen, kann gezeigt werden, dass die Bildung von Iodmethan und Diiodmethan abläuft, dass jedoch die Emission bis zu zwei Größenordnungen kleiner ist als die von I2. Somit trägt die Bildung von Iodalkanen nur in einem sehr eingeschränkten Rahmen zum Recycling des Iods in der Atmosphäre bei. Der vorgestellte abiotische Bildungsweg hängt sowohl vom pH-Wert als auch vom Mischungsverhältnis im Partikel ab.

Halogen-Kupfer-Austausch mit Kupferhypersilanid und Organylhalogeniden

Die Reaktion von Kupfertris(trimathylsilyl)silan (= Hypersilylkupfer, CuHyp) mit Iodoorganylverbindungen sollte analog zum Ullmann-Protokoll zum Halogen-Nukleophil-Austausch führen. Tatsächlich beobachteten wir zumeist die Bildung von Cuprio-Organylen, isolierbar in Form von mehrkernigen Neutralkomplexen aus dem Produkt und weiteren Äquivalenten von Hypersilylkupfer. Nach Zugabe von (weichen) Basen wie Trimethylphosphan kam es zur Auflösung dieser Komplexe und zur Bildung der erwarteten Silylorganyle. Von der systematischen Variation der eingesetzten Arene, Alkene und Alkine sowie ihrer Liganden versprachen wir uns tiefere Einsicht in die mechanistischen Zusammenhänge. Neben dem üblichen Halogen-Kupfer-Autausch konnten wir bei orthosubstituierten, bzw. zusätzlich tetramethylsubstituierten Diiodarenen einen einfachen Iod-Siyl-Autausch beobachten (vermutlich über Arinzwischenstufen), für Alkinedukte sogar eine doppelte Silylierung. Tatsächlich zeigen quantenchemische Berechnungen für CuHyp-Iodoorganyl-Systeme eine klare Präferenz von ullmannartigen Verläufen; andererseits führte Basenzugabe erst nachträglich zur Bildung von Ullmann-Produkten über die Auflösung der primären Komplexe. Innerhalb der üblicherweise gebildeten mehrkernigen Komplexe kommen Bindungen durch die Wechselwirkung unbesetzter σ*-Molekülorbitalee am Kupferzentrum von CuHyp und elektronenreichen bindenden Orbitalen in den Kupferorganyleinheiten zustande. Freie Elektronenpaare am Phosphor bei PMe3 könnten analog die Auflösung der Neutralkomplexe und die Bildung von vierkernigen Kupfer(III)-Intermediaten zwischen den Kupferorganyleinheiten und Iodsilan in der Lösung bewirken, die aufgrund ihrer strukturellen und energetischen Besonderheiten zu den erwarteten Ullmann-Produkten weiterreagieren würden. Die beobachteten Primärreaktionen verliefen dann offensichtlich über vergleichbare, aber unterschiedlich strukturierte Intermediate, vermutlich aufgrund der Tatsache, dass das eingesetzte CuHyp als Trimer vorliegt. Diese Annahme wird durch die direkte Silylierung von Iodalkinen gestützt, deren Dreifachbindungen möglicherweise als interne Base die trimeren in monomere CuHyp-Einheiten überführen. In eine ähnliche Richtung wäre die jüngst berichtete direkte Silylierung von Allylen bei Anwesenheit von elektronenreichen CN-Gruppen zu deuten.

Segmentale Musterbildung in der terminalen Abdominalregion des zentralen Nervensystems von Drosophila melanogaster

In dieser Arbeit wurden Mechanismen der Musterbildung in der terminalen Abdominalregion des Zentralnervensystems von Drosophila melanogaster untersucht. Dazu wurden zunächst die Anzahl der angelegten Neuromere und das Muster der dort lokalisierten neuralen Stammzellen (Neuroblasten) analysiert. Dabei zeigte sich, dass sowohl die Größe der Neuromere, als auch die Anzahl an Neuroblasten von anterior nach posterior sukzessiv abnimmt, wobei keine geschlechtsspezifischen Unterschiede in der Anzahl der vorhandenen Neuroblasten festgestellt werden konnten. Durch die Kombination einer Vielzahl von molekularen Markern war es anschließend möglich, die Identität aller Neuroblasten in diesem Bereich aufzuklären und in einer Karte zusammenzutragen. Sie weisen alle eine serielle Homologie zu Neuroblasten in weiter anterior gelegenen Segmenten auf. Des Weiteren wurde die embryonale Identität der geschlechtsspezifischen Neuroblasten untersucht und deren postembryonalen mänchenspezifischen Zellstammbäume charakterisiert. Diese detaillierten Beschreibungen bildeten die Grundlage für die funktionelle Analyse von geschlechts- und segmentspezifischen Faktoren, die zur Musterbildung in dieser Region des Zentralnervensystems beitragen. So konnte gezeigt werden, dass die weibliche Isoform von doublesex den programmierten Zelltod der geschlechtsspezifischen Neuroblasten induziert, während die männliche Isoform diesen verhindert. Das Hox-Gen Abdominal-B zeigt relativ milde Effekte auf das Überleben dieser Neuroblasten, was darauf hindeutet, dass weitere Faktoren benötigt werden, um diesen Prozess in segmentspezifischer Weise zu kontrollieren. Die Funktion von Hox-Genen wurde ferner im Hinblick auf die abgeleitete Morphologie der terminalen Neuromere untersucht. Es konnte herausgefunden werden, dass die regulatorische Isoform von Abdominal-B auf mehreren Ebenen wirkt: Sie beeinflusst die Zusammensetzung bestimmter Zellstammbäume durch Modifikation von Zelldeterminationsprozessen und durch die Kontrolle des programmierten Zelltods. Außerdem unterdrückt sie die Bildung einer spezifischen Subpopulation von Neuroblasten. Allerdings benötigt Abdominal-B.r die Co-Expression des ParaHox-Gens caudal, um sein gesamtes Potenzial bezüglich der Suppression dieser Neuroblasten zu entfalten. Die vorliegende Arbeit hat somit erste Einblicke in die geschlechtsspezifische und segmentspezifische Spezifizierung der terminalen Abdominalregion des Zentralnervensystems von Drosophila auf Ebene des Neuroektoderms, der daraus hervorgehenden Neuroblasten und deren Tochterzellen gewährt. Die vollständige und detailgetreue Beschreibung des Neuroblasten-Musters und der postembryonalen männchenspezifischen Zellstammbäume hat zudem attraktive Modellsysteme für zukünftige Untersuchungen etabliert, an denen sich weitere Mechanismen der Musterbildung im Zentralnervensystem analysieren lassen.