Spectroscopic properties from hybrid QM, MM molecular dynamics simulation

The central aim of this thesis work is the application and further development of a hybrid quantum mechanical/molecular mechanics (QM/MM) based approach to compute spectroscopic properties of molecules in complex chemical environments from electronic structure theory. In the framework of this thesis, an existing density functional theory implementation of the QM/MM approach is first used to calculate the nuclear magnetic resonance (NMR) solvent shifts of an adenine molecule in aqueous solution. The findings show that the aqueous solvation with its strongly fluctuating hydrogen bond network leads to specific changes in the NMR resonance lines. Besides the absolute values, also the ordering of the NMR lines changes under the influence of the solvating water molecules. Without the QM/MM scheme, a quantum chemical calculation could have led to an incorrect assignment of these lines. The second part of this thesis describes a methodological improvement of the QM/MM method that is designed for cases in which a covalent chemical bond crosses the QM/MM boundary. The development consists in an automatized protocol to optimize a so-called capping potential that saturates the electronic subsystem in the QM region. The optimization scheme is capable of tuning the parameters in such a way that the deviations of the electronic orbitals between the regular and the truncated (and "capped") molecule are minimized. This in turn results in a considerable improvement of the structural and spectroscopic parameters when computed with the new optimized capping potential within the QM/MM technique. This optimization scheme is applied and benchmarked on the example of truncated carbon-carbon bonds in a set of small test molecules. It turns out that the optimized capping potentials yield an excellent agreement of NMR chemical shifts and protonation energies with respect to the corresponding full molecules. These results are very promising, so that the application to larger biological complexes will significantly improve the reliability of the prediction of the related spectroscopic properties.

Bioinspired fabrication of biosilica-based bone substitution materials

Until today, autogenic bone grafts from various donor regions represent the gold standard in the field of bone reconstruction, providing both osteoinductive and osteoconductive characteristics. However, due to low availability and a disequilibrium between supply and demand, the risk of disease transfer and morbidity, usually associated with autogeneic bone grafts, the development of biomimic materials with structural and chemical properties similar to those of natural bone have been extensively studied. So far,rnonly a few synthetic materials, so far, have met these criteria, displaying properties that allow an optimal bone reconstitution. Biosilica is formed enzymatically under physiological-relevant conditions (temperature and pH) via silicatein (silica protein), an enzyme that was isolated from siliceous sponges, cloned, and prepared in a recombinant way, retaining its catalytic activity. It is biocompatible, has some unique mechanical characteristics, and comprises significant osteoinductive activity.rnTo explore the application of biosilica in the fields of regenerative medicine,rnsilicatein was encapsulated, together with its substrate sodium metasilicate, into poly(D,L-lactide)/polyvinylpyrrolidone(PVP)-based microspheres, using w/o/wrnmethodology with solvent casting and termed Poly(D,L-lactide)-silicatein silicacontaining-microspheres [PLASSM]. Both silicatein encapsulation efficiency (40%) and catalytic activity retention upon polymer encapsulation were enhanced by addition of an essential pre-emulsifying step using PVP. Furthermore, the metabolic stability, cytoxicity as well as the kinetics of silicatein release from the PLASSM were studied under biomimetic conditions, using simulated body fluid. As a solid support for PLASSM, a polyvinylpyrrolidone/starch/Na2HPO4-based matrix (termed plastic-like filler matrix containing silicic acid [PMSA]) was developed and its chemical and physical properties determined. Moreover, due to the non-toxicity and bioinactivity of the PMSA, it is suggested that PMSA acts as osteoconductive material. Both components, PLASSM and PMSA, when added together, form arnbifunctional 2-component implant material, that is (i)non-toxic(biocompatible), (ii)moldable, (iii) self-hardening at a controlled and clinically suitable rate to allows a tight insertion into any bone defect (iv) biodegradable, (v)forms a porous material upon exposure to body biomimetic conditions, and (vi)displays both osteoinductive (silicatein)and osteoconductive (PMSA) properties.rnPreliminary in vivo experiments were carried out with rabbit femurs, by creatingrnartificial bone defects that were subsequently treated with the bifunctional 2-component implant material. After 9 weeks of implantation, both computed tomography (CT) and morphological analyses showed complete resorption of the implanted material, concurrent with complete bone regeneration. The given data can be considered as a significant contribution to the successful introduction of biosilica-based implants into the field of bone substitution surgery.

Schriftlicher Text im Film und seine Übersetzung : die Inserts der BBC-Serie Sherlock (2010-12) ; aus der Perspektive von Untertiteltheorie, Comictheorie und Translationspraxis

Die BBC-Serie SHERLOCK war 2011 eine der meistexportierten Fernsehproduktionen Großbritanniens und wurde weltweit in viele Sprachen übersetzt. Eine der Herausforderungen bei der Übersetzung stellen die Schrifteinblendungen der Serie (kurz: Inserts) dar. Die Inserts versprachlichen die Gedanken des Protagonisten, bilden schriftliche und digitale Kommunikation ab und zeichnen sich dabei durch ihre visuelle Auffälligkeit und teilweise als einzige Träger sprachlicher Kommunikation aus, womit sie zum wichtigen ästhetischen und narrativen Mittel in der Serie werden. Interessanterweise sind in der Übersetztung alle stilistischen Eigenschaften der Original-Inserts erhalten. In dieser Arbeit wird einerseits untersucht, wie Schrifteinblendungen im Film theoretisch beschrieben werden können, und andererseits, was sie in der Praxis so übersetzt werden können, wie es in der deutschen Version von Sherlock geschah. Zur theoretischen Beschreibung werden zunächst die Schrifteinblendungen in Sherlock Untertitelungsnormen anhand relevanter grundlegender semiotischer Dimensionen gegenübergestellt. Weiterhin wird das Verhältnis zwischen Schrifteinblendungen und Filmbild erkundet. Dazu wird geprüft, wie gut verschiedene Beschreibungsansätze zu Text-Bild-Verhältnissen aus der Sprachwissenschaft, Comicforschung, Übersetzungswissenschaft und Typografie die Einblendungen in Sherlock erklären können. Im praktischen Teil wird die Übersetzung der Einblendungen beleuchtet. Der Übersetzungsprozess bei der deutschen Version wird auf Grundlage eines Experteninterviews mit dem Synchronautor der Serie rekonstruiert, der auch für die Formulierung der Inserts zuständig war. Abschließend werden spezifische Übersetzungsprobleme der Inserts aus der zweiten Staffel von SHERLOCK diskutiert. Es zeigt sich, dass Untertitelungsnormen zur Beschreibung von Inserts nicht geeignet sind, da sie in Dimensionen wie Position, grafische Gestaltung, Animation, Soundeffekte, aber auch Timing stark eingeschränkt sind. Dies lässt sich durch das historisch geprägte Verständnis von Untertiteln erklären, die als möglichst wenig störendes Beiwerk zum fertigen Filmbild und -ablauf (notgedrungen) hinzugefügt werden, wohingegen für die Inserts in SHERLOCK teilweise sogar ein zentraler Platz in der Bild- und Szenenkomposition bereits bei den Dreharbeiten vorgesehen wurde. In Bezug auf Text-Bild-Verhältnisse zeigen sich die größten Parallelen zu Ansätzen aus der Comicforschung, da auch dort schriftliche Texte im Bild eingebettet sind anstatt andersherum. Allerdings sind auch diese Ansätze zur Beschreibung von Bewegung und Ton unzureichend. Die Erkundung der Erklärungsreichweite weiterer vielversprechender Konzepte, wie Interface und Usability, bleibt ein Ziel für künftige Studien. Aus dem Experteninterview lässt sich schließen, dass die Übersetzung von Inserts ein neues, noch unstandardisiertes Verfahren ist, in dem idiosynkratische praktische Lösungen zur sprachübergreifenden Kommunikation zwischen verschiedenen Prozessbeteiligten zum Einsatz kommen. Bei hochqualitative Produktionen zeigt ist auch für die ersetzende Insertübersetzung der Einsatz von Grafikern unerlässlich, zumindest für die Erstellung neuer Inserts als Übersetzungen von gefilmtem Text (Display). Hierbei sind die theoretisch möglichen Synergien zwischen Sprach- und Bildexperten noch nicht voll ausgeschöpft. Zudem zeigt sich Optimierungspotential mit Blick auf die Bereitstellung von sorgfältiger Dokumentation zur ausgangssprachlichen Version. Diese wäre als Referenzmaterial für die Übersetzung insbesondere auch für Zwecke der internationalen Qualitätssicherung relevant. Die übersetzten Inserts in der deutschen Version weisen insgesamt eine sehr hohe Qualität auf. Übersetzungsprobleme ergeben sich für das genretypische Element der Codes, die wegen ihrer Kompaktheit und multiplen Bezügen zum Film eine Herausforderung darstellen. Neben weiteren bekannten Übersetzungsproblemen wie intertextuellen Bezügen und Realia stellt sich immer wieder die Frage, wieviel der im Original dargestellten Insert- und Displaytexte übersetzt werden müssen. Aus Gründen der visuellen Konsistenz wurden neue Inserts zur Übersetzung von Displays notwendig. Außerdem stellt sich die Frage insbesondere bei Fülltexten. Sie dienen der Repräsentation von Text und der Erweiterung der Grenzen der fiktiv dargestellten Welt, sind allerdings mit hohem Übersetzungsaufwand bei minimaler Bedeutung für die Handlung verbunden.