Systematic studies of protein immobilization by surface plasmon field-enhanced fluorescence spectroscopy

The research interest of this study is to investigate surface immobilization strategies for proteins and other biomolecules by the surface plasmon field-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS) technique. The recrystallization features of the S-layer proteins and the possibility of combining the S-layer lattice arrays with other functional molecules make this protein a prime candidate for supramolecular architectures. The recrystallization behavior on gold or on the secondary cell wall polymer (SCWP) was recorded by SPR. The optical thicknesses and surface densities for different protein layers were calculated. In DNA hybridization tests performed in order to discriminate different mismatches, recombinant S-layer-streptavidin fusion protein matrices showed their potential for new microarrays. Moreover, SCWPs coated gold chips, covered with a controlled and oriented assembly of S-layer fusion proteins, represent an even more sensitive fluorescence testing platform. Additionally, S-layer fusion proteins as the matrix for LHCII immobilization strongly demonstrate superiority over routine approaches, proving the possibility of utilizing them as a new strategy for biomolecular coupling. In the study of the SPFS hCG immunoassay, the biophysical and immunological characteristics of this glycoprotein hormone were presented first. After the investigation of the effect of the biotin thiol dilution on the coupling efficiently, the interfacial binding model including the appropriate binary SAM structure and the versatile streptavidin-biotin interaction was chosen as the basic supramolecular architecture for the fabrication of a SPFS-based immunoassay. Next, the affinity characteristics between different antibodies and hCG were measured via an equilibrium binding analysis, which is the first example for the titration of such a high affinity interaction by SPFS. The results agree very well with the constants derived from the literature. Finally, a sandwich assay and a competitive assay were selected as templates for SPFS-based hCG detection, and an excellent LOD of 0.15 mIU/ml was attained via the “one step” sandwich method. Such high sensitivity not only fulfills clinical requirements, but is also better than most other biosensors. Fully understanding how LHCII complexes transfer the sunlight energy directionally and efficiently to the reaction center is potentially useful for constructing biomimetic devices as solar cells. After the introduction of the structural and the spectroscopic features of LHCII, different surface immobilization strategies of LHCII were summarized next. Among them the strategy based on the His-tag and the immobilized metal (ion) affinity chromatography (IMAC) technique were of great interest and resulted in different kinds of home-fabricated His-tag chelating chips. Their substantial protein coupling capacity, maintenance of high biological activity and a remarkably repeatable binding ability on the same chip after regeneration was demonstrated. Moreover, different parameters related to the stability of surface coupled reconstituted complexes, including sucrose, detergent, lipid, oligomerization, temperature and circulation rate, were evaluated in order to standardize the most effective immobilization conditions. In addition, partial lipid bilayers obtained from LHCII contained proteo-liposomes fusion on the surface were observed by the QCM technique. Finally, the inter-complex energy transfer between neighboring LHCIIs on a gold protected silver surface by excitation with a blue laser (λ = 473nm) was recorded for the first time, and the factors influencing the energy transfer efficiency were evaluated.

Influence of habitat and climate change on European bird communities

Die Fragmentierung von Waldgebieten, der Verlust geeigneter Habitate, die Invasion exotischer Arten und globale Klimaveränderung haben auf Artengemeinschaften erhebliche Auswirkungen. Vögel dienen in vielen Fällen als Indikatorarten für Umweltveränderungen und, besonders, für Veränderungen im Zusammenhang mit globaler Erwärmung. In meiner Arbeit habe ich zuerst einen Literaturüberblick über die Auswirkungen globaler Klimaveränderung auf die Verbreitungsgebiete, den Artenreichtum und die Zusammensetzung von Vogelgemeinschaften dargestellt. Zahlreiche Untersuchungen zeigen, daß die Grenzen der Verbreitungsgebiete der meisten Vogelarten mit klimatischen Faktoren korrelieren. Verschiebungen der Verbreitungsgebiete in nördliche Richtung oder in höhere Regionen im Gebirge konnten bereits für viele temperate Vogelarten beobachtet werden. Weiterhin wurde ein zunehmender Artenreichtum besonders in nördlichen Breiten und in höheren Lagen für viele temperate Vogelgemeinschaften vorhergesagt. In trockenen Gebieten ist dagegen mit einer Abnahme des Artenreichtums zu rechnen. Im zweiten Teil meiner Arbeit habe ich untersucht, ob beobachtete Veränderungen in der Zusammensetzung europäischer Vogelgemeinschaften tatsächlich durch aktuelle Klimaveränderungen beeinflußt werden. Das Zugverhalten der Arten war dabei ein Schwerpunkt der Untersuchung, weil zu erwarten war, daß Vogelarten mit verschiedenem Zugverhalten unterschiedlich auf Klimaveränderungen reagieren. Ich habe ein Regressionsmodell genutzt, welches die räumliche Beziehung zwischen dem Anteil von Langstreckenziehern, Kurzstreckenziehern und Standvögeln in europäischen Vogelgemeinschaften und verschiedenen Klimavariablen beschreibt. Für 21 Gebiete in Europa habe ich Daten über beobachtete Veränderungen in der Struktur der Vogelgemeinschaften und isochrone Klimaveränderungen zusammengetragen. Mit Hilfe dieser Klimaveränderungen und dem räumlichen Regressionsmodell konnte ich berechnen, welche Veränderungen in den Vogelgemeinschaften aufgrund der veränderten Klimabedingungen zu erwarten wären und sie mit beobachteten Veränderungen vergleichen. Beobachtete und berechnete Veränderungen korrelierten signifikant miteinander. Die beobachteten Veränderungen konnten nicht durch räumliche Autokorrelationseffekte oder durch alternative Faktoren, wie z.B. Veränderungen in der Landnutzung, erklärt werden. Im dritten Teil der Arbeit untersuchte ich für eine mitteleuropäische Vogelgemeinschaft welchen Einfluß Habitatveränderungen, die Invasion exotischer Arten und die Klimaveränderung auf Veränderungen der Häufigkeit und Verbreitungsgröße der 159 Vogelarten am Bodensee zwischen 1980-1981 und 2000-2002 hatten. Dabei konnte gezeigt werden, daß Veränderungen in der regionalen Abundanz sowohl durch Habitatveränderungen als auch durch Klimavänderungen hervorgerufen wurden. Exotische Arten schienen in dieser Zeit keinen bedeutenden Einfluß zu haben. Besonders bei Agrarlandarten, Arten mit nördlicheren Verbreitungsgebieten und bei Langstreckenziehern konnten signifikante Abnahmen in der Abundanz beobachtet werden. Vor allem die anhaltenden negativen Bestandsveränderungen bei Langstreckenziehern und die in den letzten zehn Jahren aufgetretenen Abnahmen nördlicher verbreiteter Vogelarten deuten darauf hin, daß die Klimaveränderung aktuell als der größte Einfluß für Vögel in Europa angesehen werden muß. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, daß sich der anhaltende Druck auf die Umwelt in erster Linie durch Habitat- und Klimaveränderungen manifestiert.

Flash floods and their effects on the development in El-Qaá plain area in South Sinai, Egypt

The arid regions are dominated to a much larger degree than humid regions by major catastrophic events. Although most of Egypt lies within the great hot desert belt; it experiences especially in the north some torrential rainfall, which causes flash floods all over Sinai Peninsula. Flash floods in hot deserts are characterized by high velocity and low duration with a sharp discharge peak. Large sediment loads may be carried by floods threatening fields and settlements in the wadis and even people who are living there. The extreme spottiness of rare heavy rainfall, well known to desert people everywhere, precludes any efficient forecasting. Thus, although the limitation of data still reflects pre-satellite methods, chances of developing a warning system for floods in the desert seem remote. The relatively short flood-to-peak interval, a characteristic of desert floods, presents an additional impediment to the efficient use of warning systems. The present thesis contains introduction and five chapters, chapter one points out the physical settings of the study area. There are the geological settings such as outcrop lithology of the study area and the deposits. The alluvial deposits of Wadi Moreikh had been analyzed using OSL dating to know deposits and palaeoclimatic conditions. The chapter points out as well the stratigraphy and the structure geology containing main faults and folds. In addition, it manifests the pesent climate conditions such as temperature, humidity, wind and evaporation. Besides, it presents type of soils and natural vegetation cover of the study area using unsupervised classification for ETM+ images. Chapter two points out the morphometric analysis of the main basins and their drainage network in the study area. It is divided into three parts: The first part manifests the morphometric analysis of the drainage networks which had been extracted from two main sources, topographic maps and DEM images. Basins and drainage networks are considered as major influencing factors on the flash floods; Most of elements were studied which affect the network such as stream order, bifurcation ratio, stream lengths, stream frequency, drainage density, and drainage patterns. The second part of this chapter shows the morphometric analysis of basins such as area, dimensions, shape and surface. Whereas, the third part points the morphometric analysis of alluvial fans which form most of El-Qaá plain. Chapter three manifests the surface runoff through rainfall and losses analysis. The main subject in this chapter is rainfall which has been studied in detail; it is the main reason for runoff. Therefore, all rainfall characteristics are regarded here such as rainfall types, distribution, rainfall intensity, duration, frequency, and the relationship between rainfall and runoff. While the second part of this chapter concerns with water losses estimation by evaporation and infiltration which are together the main losses with direct effect on the high of runoff. Finally, chapter three points out the factors influencing desert runoff and runoff generation mechanism. Chapter four is concerned with assessment of flood hazard, it is important to estimate runoff and tocreate a map of affected areas. Therefore, the chapter consists of four main parts; first part manifests the runoff estimation, the different methods to estimate runoff and its variables such as runoff coefficient lag time, time of concentration, runoff volume, and frequency analysis of flash flood. While the second part points out the extreme event analysis. The third part shows the map of affected areas for every basin and the flash floods degrees. In this point, it has been depending on the DEM to extract the drainage networks and to determine the main streams which are normally more dangerous than others. Finally, part four presets the risk zone map of total study area which is of high inerest for planning activities. Chapter five as the last chapter concerns with flash flood Hazard mitigation. It consists of three main parts. First flood prediction and the method which can be used to predict and forecast the flood. The second part aims to determine the best methods which can be helpful to mitigate flood hazard in the arid zone and especially the study area. Whereas, the third part points out the development perspective for the study area indicating the suitable places in El-Qaá plain for using in economic activities.

Optimierung der Phenprocoumon-Dosierung durch intensivierte medizinisch-pharmazeutische Betreuung

Ein sorgfältiges INR-Monitoring ist wichtig für eine sichere und effektive Vitamin-K-antagonistische Therapie (VKA). Einer von vielen Faktoren, welcher die Einhaltung des INR-ZSB beeinflusst, ist die Compliance. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde erstmals die Effektivität einer intensiven medizinisch-pharmazeutischen Betreuung von Patienten mit Phenprocoumon-Therapie, unter besonderer Berücksichtung der Compliance, untersucht. 71 Patienten mit VKA-Therapie (Interventionsgruppe (IG) und Kontrollgruppe (KG)) wurden in die prospektive Studie eingeschlossen und über 6 Monate beobachtet. Patienten der IG erfuhren eine intensive medizinisch-pharmazeutische Betreuung im Thrombosedienst. Die Patienten der Kontrollgruppe wurden vom Hausarzt betreut. Zusätzlich fand eine Compliance-Messung mittels OtCM-Blistern (Objective-therapy-compliance-measurement-system) statt. Während die Compliance der Kontrollgruppe retrospektiv am Ende des Beobachtungszeitraums ausgewertet wurde, erfuhren die Patienten der Interventionsgruppe ein „real-time“ Monitoring der Phenprocoumon-Entnahme aus den Blistern. Nach per Protokoll-Analyse konnten die Daten von 58 Patienten ausgewertet werden. Patienten der IG zeigten eine signifikant bessere INR-Einhaltung im ZSB (Time in Therapeutic Range (TTR) 74%) im Vergleich zur Kontrollgruppe (TTR 53%; p= 0,001). Die verschiedenen gemessenen Compliance-Raten (Dosing-, Taking-, Timing Compliance und Drug Holidays) waren in der IG höher als in der KG. Patienten mit einer höheren TTR waren tendenziell besser compliant. Spezialisierte medizinisch-pharmazeutische Betreuung hat einen positiven Effekt auf das Outcome der VKA-Therapie.rnrn

Pharmakovigilanz bei Patienten mit Phenprocoumon-Therapie : Untersuchungen zu potentiellen Interaktionen und Betreuungsqualität

Zur Verbesserung der Sicherheit und Effektivität der Phenprocoumon-Therapie wurden drei unterschiedliche Untersuchungen durchgeführt.rnZunächst wurde auf Grundlage bekannter Datenbanken und Informationsquellen zu Arznei-mittelinteraktionen (Drugdex, Abda Datenbank, Marcumar® Fachinformation, Coumarin-Interaktionsliste der Federatie van Nederlandse Trombosediensten, Review zu Warfarin-Interaktionen) eine handlungsorientierte Interaktionsdatenbank für Phenprocoumon erstellt. Dazu wurden in einer Übersichtstabelle relevante Informationen zu potentiellen Interaktionen für insgesamt 375 Arzneimittel zusammengestellt. Diese Tabelle wurde durch ein dreiköpfiges Expertenteam begutachtet und die potentiellen Interaktionspartner fünf verschiedenen Schweregraden und Stufen klinischer Relevanz zugeordnet. Für fast 50% der potentiellen Interaktionspartner wurden Handlungen als nicht erforderlich erachtet. Für die restlichen potentiellen Interaktionspartner wurden Handlungen zum klinischen Management der Interaktion in Abhängigkeit vom zeitlichen Zusammenhang mit der Phenprocoumon-Einnahme festgelegt. rnAnschließend wurde in einer Anwendungsbeobachtung der Zusammenhang zwischen der zusätzlichen Einnahme potentiell interagierender Arzneimittel (in der entwickelten Datenbank eingestuft mit dem Schweregrad „hoch“ und „sehr hoch“) und der Häufigkeit von Änderungen der Phenprocoumon-Wochendosis an 116 Patienten untersucht. Das relative Risiko für eine Dosisanpassung war bei Patienten in der Interaktions-Gruppe (n=23) signifikant erhöht (RR=1,9; p<0,001). Als weitere potentielle Einflussfaktoren stellten sich zunehmendes Alter (Alter 80-85 Jahre: RR=2; p<0,05), vielfache Komorbiditäten (4 Komorbiditäten: RR=2,1; p<0,05) und eingeschränkte Nieren- (RR=1,47; p>0,05) und Leberfunktion (RR=1,3; p>0,05) heraus.rnZur Untersuchung der Betreuungsqualität von VKA-Patienten im Thrombosedienst Mainz wurden retrospektiv die Daten von 118 Patienten ausgewertet. Als Qualitätsparameter wurden die prozentuale Häufigkeit von INR-Werten im Zielbereich, die TTR (Time in Therapeutic Range), die Dauer der NMH-Therapie, die Zeit bis zum Erreichen des Zielbereichs und der durchschnittliche Abstand zwischen zwei Kontrollterminen ermittelt. Im Median lag jeder Patient mit 73% der gemessenen INR-Werte und im individuellen Zielbereich. Die TTR betrug im Median 80%. Die Patienten benötigten 7 Tage zum Erreichen des Zielbereiches. Die NMH-Therapie wurde über 8 Tage durchgeführt. Die Patienten kamen im Median alle 11 Tage zu einem Kontrolltermin. Im Benchmark zu international publizierten Qualitätskenn-zahlen zur VKA-Therapie ist die Betreuungsqualität im Thrombosedienst Mainz als sehr gut einzustufen.rn

Individual plasmonic nanogaps : controlled assembly and detailed investigation

Diese Arbeit befasst sich mit den optischen Resonanzen metallischer Nanopartikel im Abstand weniger Nanometer von einer metallischen Grenzfläche. Die elektromagnetische Wechselwirkung dieser „Kugel-vor-Fläche“ Geometrie ruft interessante optische Phänomene hervor. Sie erzeugt eine spezielle elektromagnetische Eigenmode, auch Spaltmode genannt, die im Wesentlichen auf den Nanospalt zwi-schen Kugel und Oberfläche lokalisiert ist. In der quasistatischen Näherung hängt die Resonanzposition nur vom Material, der Umgebung, dem Film-Kugel Abstand und dem Kugelradius selbst ab. Theoretische Berechnungen sagen für diese Region unter Resonanzbedingungen eine große Verstärkung des elektro-magnetischen Feldes voraus. rnUm die optischen Eigenschaften dieser Systeme zu untersuchen, wurde ein effizienter plasmonenver-mittelnder Dunkelfeldmodus für die konfokale Rastermikroskopie durch dünne Metallfilme entwickelt, der die Verstärkung durch Oberflächenplasmonen sowohl im Anregungs- als auch Emissionsprozess ausnutzt. Dadurch sind hochwertige Dunkelfeldaufnahmen durch die Metallfilme der Kugel-vor-Fläche Systeme garantiert, und die Spektroskopie einzelner Resonatoren wird erleichtert. Die optischen Untersuchungen werden durch eine Kombination von Rasterkraft- und Rasterelektronenmikroskopie vervollständigt, so dass die Form und Größe der untersuchten Resonatoren in allen drei Dimensionen bestimmt und mit den optischen Resonanzen korreliert werden können. Die Leistungsfähigkeit des neu entwickelten Modus wird für ein Referenzsystem aus Polystyrol-Kugeln auf einem Goldfilm demonstriert. Hierbei zeigen Partikel gleicher Größe auch die erwartete identische Resonanz.rnFür ein aus Gold bestehendes Kugel-vor-Fläche System, bei dem der Spalt durch eine selbstorganisierte Monolage von 2-Aminoethanthiol erzeugt wird, werden die Resonanzen von Goldpartikeln, die durch Reduktion mit Chlorgoldsäure erzeugt wurden, mit denen von idealen Goldkugeln verglichen. Diese ent-stehen aus den herkömmlichen Goldpartikeln durch zusätzliche Bestrahlung mit einem Pikosekunden Nd:Yag Laser. Bei den unbestrahlten Partikeln mit ihrer Unzahl an verschiedenen Formen zeigen nur ein Drittel der untersuchten Resonatoren ein Verhalten, das von der Theorie vorhergesagt wird, ohne das dies mit ihrer Form oder Größe korrelieren würde. Im Fall der bestrahlten Goldkugeln tritt eine spürbare Verbesserung ein, bei dem alle Resonatoren mit den theoretischen Rechnungen übereinstimmen. Eine Änderung der Oberflächenrauheit des Films zeigt hingegen keinen Einfluß auf die Resonanzen. Obwohl durch die Kombination von Goldkugeln und sehr glatten Metallfilmen eine sehr definierte Probengeometrie geschaffen wurde, sind die experimentell bestimmten Linienbreiten der Resonanzen immer noch wesentlich größer als die berechneten. Die Streuung der Daten, selbst für diese Proben, deutet auf weitere Faktoren hin, die die Spaltmoden beeinflußen, wie z.B. die genaue Form des Spalts. rnDie mit den Nanospalten verbundenen hohen Feldverstärkungen werden untersucht, indem ein mit Farbstoff beladenes Polyphenylen-Dendrimer in den Spalt eines aus Silber bestehenden Kugel-vor-Fläche Systems gebracht wird. Das Dendrimer in der Schale besteht lediglich aus Phenyl-Phenyl Bindungen und garantiert durch die damit einhergende Starrheit des Moleküls eine überragende Formstabiliät, ohne gleichzeitig optisch aktiv zu sein. Die 16 Dithiolan Endgruppen sorgen gleichzeitig für die notwendige Affinität zum Silber. Dadurch kann der im Inneren befindliche Farbstoff mit einer Präzision von wenigen Nanometern im Spalt zwischen den Metallstrukturen platziert werden. Der gewählte Perylen Farbstoff zeichnet sich wiederum durch hohe Photostabilität und Fluoreszenz-Quantenausbeute aus. Für alle untersuchten Partikel wird ein starkes Fluoreszenzsignal gefunden, das mindestens 1000-mal stärker ist, als das des mit Farbstoff überzogenen Metallfilms. Das Profil des Fluoreszenz-Anregungsspektrums variiert zwischen den Partikeln und zeigt im Vergleich zum freien Farbstoff eine zusätzliche Emission bei höheren Frequenzen, was in der Literatur als „hot luminescence“ bezeichnet wird. Bei der Untersuchung des Streuverhaltens der Resonatoren können wieder zwei unterschiedliche Arten von Resonatoren un-terschieden werden. Es gibt zunächst die Fälle, die bis auf die beschriebene Linienverbreiterung mit einer idealen Kugel-vor-Fläche Geometrie übereinstimmen und dann andere, die davon stark abweichen. Die Veränderungen der Fluoreszenz-Anregungsspektren für den gebundenen Farbstoffs weisen auf physikalische Mechanismen hin, die bei diesen kleinen Metall/Farbstoff Abständen eine Rolle spielen und die über eine einfache wellenlängenabhängige Verstärkung hinausgehen.

Zum Stand der aktuellen Diskussion des globalen Klimawandels : Versuch einer kritischen Wertung seiner Ursachen und Folgen sowie von Handlungsweisen im Licht von Wissenschaft und Öffentlichkeit

Mittels gründlicher Literaturrecherchen wurde dokumentiert, wie Wissenschaft, Medien, Wirtschaft und Staatsregierungen den globalen Klimawandel seit der Industriellen Revolution bewertet haben. Dabei wurde der breite wissenschaftliche Konsens über die ausschlaggebende Rolle des Treibhauseffektes dokumentiert. Kontrovers dazu wurden aber auch anderslautende Meinungen über „natürliche Faktoren“ im Klimasystem aufgezeigt. Bedenken des Verfassers bestehen zur Praktikabilität des Kyoto-Protokolls und zur politischen Anwendbarkeit der IPCC-Berichte, die in der Gefahr stehen, durch ihre nicht ableitbaren Wahrscheinlichkeitsaussagen eine wissenschaftliche Neutralität vermissen zu lassen. Im Blick auf die Klimaschutzpolitik kann Deutschland in der Welt als Vorreiter mit Einschränkungen angesehen werden. Die anwendungsbezogene Klimaforschung wird in Deutschland gefördert, in den USA dagegen die Grundlagenforschung, was mit der Herkunft der Klimaskeptiker einhergeht, die vorwiegend aus dem angloamerikanischen Kulturkreis stammen und kaum aus Deutschland kommen. Dies spiegelt sich als roter Faden in den Forschungsergebnissen verschiedener Medienwissenschaftler wider, wonach die US-Medien im Gegensatz zu deutschen um eine Balance zwischen anthropogenen und natürlichen Ursachen des Klimawandels bemüht sind. Ein in den USA medial präsentierter scheinbarer Dissens der Klimaforschung findet sich als Abbild in heterogenen klimaschutzpolitischen Ausrichtungen der USA auf föderaler und bundesstaatlicher Ebene wieder, wohingegen sich in Deutschland der wissenschaftliche Konsens und die mediale Berichterstattung in einer homogenen Klimaschutzpolitik niederschlagen.