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

Einzelmolekülspektroskopische Studien an Farbstoff-markierten Chlorophyll-a/b-Lichtsammlerkomplexen und Untersuchungen zur Integration der Komplexe in elektrochemische Solarzellen

Die zentrale Funktion des Hauptlichtsammlerkomplexes des Photosystems II, LHCII, besteht in der Absorption von Sonnenlicht und der Bereitstellung von Energie für die photosynthetische Ladungstrennung im Reaktionszentrum des Photosystems. Auch in der Regulation der Photosynthese spielt der LHCII eine wichtige Rolle, da die Energieverteilung zwischen Photosystem I und Photosystem II im Rahmen des sog. „State Transition“-Prozesses über die Verteilung der Lichtsammlerkomplexe zwischen den beiden Photosystemen gesteuert wird. Im Blickfeld des ersten Teils dieser Arbeit stand die konformative Dynamik der N-terminalen Domäne des LHCII, die wahrscheinlich in die Regulation der Lichtsammlung involviert ist. Gemeinsam mit Mitarbeitern des 3. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart wurde an der Etablierung einer Methode zur einzelmolekülspektroskopischen Untersuchung der Dynamik des N-Terminus gearbeitet. Als Messgröße diente der Energietransfer zwischen einem Fluoreszenzfarbstoff, der an die N-terminale Domäne gekoppelt war, und den Chlorophyllen des Komplexes. Die Funktion des LHCII als effiziente Lichtantenne bildete die Grundlage für den zweiten Teil dieser Arbeit. Hier wurde untersucht, in wie weit LHCII als Lichtsammler in eine elektrochemische Solarzelle integriert werden kann. In der potentiellen Solarzelle sollte die Anregungsenergie des LHCII auf Akzeptorfarbstoffe übertragen werden, die in der Folge Elektronen in das Leitungsband einer aus Titandioxid oder Zinndioxid bestehenden porösen Halbleiterelektrode injizierten, auf der Komplexe und Farbstoffe immobilisiert waren.

Spektromikroskopische Analyse von Nukleationsdomänen in epitaktischen Diamantschichten auf Ir,SrTiO 3 und von präsolaren SiC-Meteoritenkörnern

Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Systeme untersucht, deren verbindende Gemeinsamkeit in den verwendeten ortsauflösenden, spektroskopischen Messmethoden der Oberflächenanalytik, wie z.B. abbildendes XPS, Röntgennahkanten-Photoemissionsmikroskopie (XANES-PEEM) und Augerspektroskopie (AES) liegt. Im ersten Teil der Arbeit wurden Diamant-Nukleationsdomänen auf Ir/SrTiO3 untersucht und mit vorherrschenden Modellen aus der Literatur verglichen. Die Nukleationsdomänen, wie sie im Mikrowellen-induzierten CVD Prozess unter Verwendung der BEN Prozedur (bias-enhanced nucleation) entstehen, bilden die „Startschicht“ für ein heteroepitaktisches Wachstum einer hoch orientierten Diamantschicht. Sie entwickeln sich aber unter Bedingungen, unter denen 3D-Diamant abgetragen und weggeätzt wird. Mittels XANES-PEEM Messungen konnte erstmals die lokale Bindungsumgebung des Kohlenstoffs in den Nukleationsdomänen ortsaufgelöst aufgezeigt werden und aus AES Messungen ließ sich die Schichtdicke der Nukleationsdomänen abschätzen. Es zeigte sich, dass die Nukleationsdomänen Bereiche mit etwa 1 nm Dicke darstellen, in denen der Übergang von eine sp2-koordinierte amorphen Kohlenstoff- zu einer Diamantschicht mit hohem sp3 Anteil abläuft. Zur Erklärung des Nukleationsprozesses wurde auf das „Clustermodell“ von Lifshitz et al. zurückgegriffen, welches um einen wesentlichen Aspekt erweitert wurde. Die Stabilität der Nukleationsdomänen gegen die Ätzwirkung des Nukleationsprozesses auf Volumendiamant wird durch eine starke Wechselwirkung zwischen dem Diamant und dem Iridiumsubstrat erklärt, wobei die Dicke von etwa 1 nm als Maß für die Ausdehnung dieses Wechselwirkungsbereichs angesehen wird. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung präsolarer SiC-Körner und darin eingeschlossener Spurenelemente. Neben den Hauptelementen Si und C wurden auch Spinelle wie Chromit (FeCr2O4), Korund (Al2O3) und auch verschiedene Spurenelemente (z. B. Al, Ba und Y) nachgewiesen. Ferner wurden XPS-Linien bei Energien nachgewiesen, welche sich den Seltenen Erden Erbium, Thulium und Dysprosium zuordnen lassen. Aufgrund von Abweichungen zur Literatur bzgl. der ausgeprägten Intensität der XPS-Linien, wurde als alternative Erklärungsmöglichkeit für verschiedene Signale der Nachweis von stark schwefelhaltigen Körnern (z.B. so genannte „Fremdlinge“) mit Aufladungen von mehreren Volt diskutiert. Es zeigt sich, dass abbildendes XPS und XANES-PEEM Methoden zur leistungsfähigen chemischen Charakterisierung von SiC-Körnern und anderer solarer und präsolarer Materie im Größenbereich bis herab zu 100 – 200 nm Durchmesser (z.B. als Grundlage für eine spätere massenspektrometrische Isotopenanalyse)darstellen.

Synthese potentieller Antitumorvakzine aus tumorassoziierten Glycopeptiden des Mucins MUC1 und Versuche zur Festphasensynthese von Oligosacchariden

Festphasenoligosaccharidsynthesen: Um den mit der Synthese der Saccharidbausteine verbundenen Zeitaufwand zu reduzieren, sollten festphasenunterstützte, leicht automatisierbare Strategien entwickelt werden. Für die Optimierungen ist es notwendig, über Analysetechniken zu verfügen, die eine quantitative Verfolgung des Reaktionsablaufes erlauben. Zur Bestimmung der Konzentration freier Hydroxylgruppen wurde hierbei eine einfache und effiziente Reaktionsabfolge gefunden, die eine UV-spektroskopische Analyse erlaubt. rnZur Verknüpfung zwischen Kohlenhydrat und polymerem Träger (Polystyrol, Tentagel) kamen der PTMSE-, ein p-Alkoxybenzyl- und zwei Alkylthioanker zum Einsatz. Die Bedingungen zur Anknüpfung der mit Carboxylgruppen ausgestatteten Anker über Amidbindungen an das Harz, zur Spaltung der Lävulinoylschutzgruppe, sowie zur reduktiven Öffnung der Benzylidenacetalschutzgruppe wurden optimiert, sodass sich diese Reaktionen nun in sehr hohen Ausbeuten am polymeren Träger durchführen lassen. rnSpeziell Glycosylierungsreaktionen zeigten jedoch erhebliche Kompatibilitätsprobleme mit der polymeren Matrix. Die Ausbeuten aller an der festen Phase durchgeführten Glycosylierungen lagen bei maximal 5 Prozent. rnGlycopeptidsynthesen: Einige Tumorzellen unterscheiden sich von gesunden Zellen durch ein verändertes Profil an Oberflächenglycoproteinen. So ist das membranständige Glycoprotein MUC1 in malignen Epithelzellen stark überexprimiert und zeigt infolge veränderter Aktivitäten mehrerer Glycosyltransferasen ein modifiziertes Glycosylierungsmuster. Diese tumorspezifischen Strukturveränderungen stellen einen interessanten Angriffspunkt zur Entwicklung von Antitumorvakzinen dar. Um zu potentiellen Impfstoffen zu gelangen, ist es jedoch nötig, die Immunogenität der selbst nur schwach immunogenen Glycopeptide durch Konjugation zu erhöhen. rnIm Rahmen dieser Arbeit sollten vollsynthetische Konjugate, auf Basis einer 16 Aminosäuren langen, tumorassoziierten Glycopeptidpartialstruktur aus dem MUC1, zur möglichen Verwendung als Antitumorvakzine synthetisiert werden. Die Darstellung erfolgte in einer automatisierten Festphasensynthese nach der Fmoc-Strategie. rnZur Steigerung der Immunogenität wurde das glycosylierte Hexadecapeptid über einen Spacer mit einem T-Zell-Epitop aus dem Tetanustoxoidprotein sowie mit einem Mitogen verknüpft. Zur Synthese des Mitogenkonjugates sind noch Optimierungen im Syntheseablauf und insbesondere bei der Reinigung notwendig. Die immunologische Evaluierung des MUC1-Tetanustoxin-Heterotopkonjugates als mögliches Antitumorvakzin ist geplant. rn

Qualitative and absolute quantitative studies of the cell-nanoparticle interaction

This thesis focused on the polymer’s influence on the interaction of polymeric NPs with epithelial cells. Furthermore, the measurement of single submicron nanoparticles in a commercially available flow cytometer was established, to provide a new method in the toolbox for nanoparticle-cell studies. This gave way to develop a routine for the absolute quantification of intracellular NPs via flow cytometry. rnThe cellular uptake of poly(methyl methacrylate) (PMMA), polystyrene (PS) and poly(L-lactide) (PLLA) nanoparticles was investigated via flow cytometry. PLLA-NPs were internalized the most efficiently. But upon co-incubation of PS and PLLA particles with cells, the two particles mutually influenced their uptake, slightly shifting the relative uptake efficiencies. This phenomenon should be based on specific properties of the different polymer materials. The findings indicated a competition (which is strongly influenced by properties of the respective polymeric material) for the uptake into the cells, allegedly due to competition for specific coatings with serum components that enhances the NPs’ cellular uptake. The fluorescence of single 150 nm particles was determined with a benchtop cytometer, breaching the machine’s detection limit but yielding precise NP fluorescence standardization factors. Up to now, these standardization factors are mostly determined by spectroscopic analysis of the particles’ dye content. Finally a flow cytometric routine for absolute particle counting in cells was devised. This quantitation revealed a low uptake efficiency for un-functionalized PMMA NPs of less than 150 NPs (approx. 0,001 % of added) per cell.rn

Charakterisierung einer pflanzlichen Variante des Cytoskelettproteins gamma-Tubulin durch Strukturmodellierung, Überexpression und Analyse der Interaktionspartner

Wie alle Eukaryoten besitzen auch höhere Pflanzen ein mikrotubuläres Cytoskelett. Einige Funktionen dieses Cytoskeletts sind relativ stark konserviert, andere dagegen scheinen sehr pflanzenspezifisch zu sein. Dies betrifft insbesondere charakteristische mikrotubuläre Netzwerke, die bei der Neubildung und der Verstärkung der Zellwände wichtige Rollen übernehmen. Wie der Aufbau dieser Netzwerke kontrolliert wird, ist bisher relativ unklar. Typische Mikrotubuli organisierende Zentren (MTOC), insbesondere Centrosomen oder Spindelpolkörper, sind bei höheren Pflanzen nicht beobachtet worden. Von pilzlichen und tierischen Organismen weiß man, dass gamma-Tubulin (gTUB) mit seinen assoziierten Proteinen in den MTOC bei der Nukleation von Mikrotubuli eine Schlüsselfunktion hat. Dieses Mitglied der Tubulin-Superfamilie wird aber auch in Pflanzen gefunden, dessen genaue Funktion bisher unbekannt ist. Zu Beginn der Arbeit wurden mittels in silico Berechnungen Strukturmodelle des pflanzlichen gTUBs aus Nicotiana tabacum erarbeitet, da die Struktur, die zu einem Verständnis der pflanzlichen Wachstumsregulation beitragen könnte, bisher unbekannt ist. Auf Grundlage der bioinformatischen Daten konnte für weitere Studien eine notwendige gTUB-Deletionsmutante entwickelt werden. Für Röntgendiffraktionsstudien und gTUB-Interaktionspartneranalysen war die Verfügbarkeit verhältnismäßig großer Proteinmengen notwendig. Die Expression der gTUB-Volllängensequenz in gelöster und aktiver Form stellte einen immanent wichtigen Zwischenschritt dar. Das Escherichia coli T7/lacO-Expressionssystem lieferte, trotz vielversprechender Erfolge in der Vergangenheit, kein gelöstes rekombinantes gTUB. So wurden zwar verhältnismäßig hohe Expressionsraten erzielt, aber das rekombinante gTUB lag quantitativ als Inclusion bodies vor. Eine Variationen der Expressionsparameter sowie umfangreiche Versuche mittels verschiedenster Konstrukte sowie potentiell die Löslichkeit erhöhenden Tags gTUB in gelöster Form in E. coli zu exprimieren blieben erfolglos. Eine Denaturierung der Inclusion bodies und Rückfaltung wurde aufgrund der wohl bei der Tubulinfaltung notwendigen komplexeren Chaperone sowie thermodynamischer Überlegungen ausgeschlossen. Die höher evolvierte Chaperonausstattung war ein Hauptgrund für die Verwendung der eukaryotischen Hefe-Expressionssysteme K. lactis und des S. cerevisiae-Stammes FGY217 zur gTUB-Expression. So konnten nach der Selektion nur transgene Hefe-Zellen dokumentiert werden, die die gTUB-Expressionskassette nachweislich an der vorgesehenen Zielposition in ihrem Genom integrierten, aber keine dokumentierbare Expression zeigten. Die wahrscheinlichste Begründung hierfür ist, dass ein erhöhter intrazellulärer gTUB-Titer mit dem Zellwachstum und der Zellteilung dieser eukaryotischen Organismen interferierte und durch Rückkopplungen die rekombinante gTUB-CDS aus N. tabacum ausgeschaltet wurde. Der Versuch einer transienten gTUB-Überexpression in differenzierten Blattgeweben höherer Pflanzen war eine logische Konsequenz aus den vorherigen Ergebnissen und lieferte, wenn auch nicht die für eine Proteinkristallisation notwendigen Mengen, gelöstes gTUB. Bestrebungen einer stabilen Transfektion von A. thaliana oder BY-2-Zellkulturen mit einer gTUB-CDS lieferten keine transgenen Organismen, was starke Interferenzen der rekombinanten gTUB-CDS in den Zellen vermuten lies. Transfektionsversuche mit nur GFP tragenden Konstrukten ergaben hingegen eine hohe Anzahl an transgenen Organismen, die auch verhältnismäßig starke Expressionsraten zeigten. Die erzielten Proteinmengen bei der transienten gTUB-Überexpression in N. benthamiana Blattgeweben, in Co-Expression mit dem Posttransriptional Gene Silencing-Suppressorprotein p19, waren für einen Pull-Down sowie eine massenspektroskopische Analyse der Interaktionspartner ausreichend und ergaben Befunde. Eine abschließende Auswertung des erarbeiteten massenspektroskopischen Datensatzes wird jedoch erst dann möglich sein, wenn das Tabak-Proteom vollständig sequenziert ist. Die Erweiterung der bestehenden pflanzlichen Vergleichsdatenbanken um das bisher bekannte Tabak-Proteom vervielfachte die Anzahl der in dieser Studie identifizierten gTUB-Interaktionspartner. Interaktionen mit dem TCP1-Chaperon untermauern die Hypothese der zur Faltung pflanzlichen gTUBs notwendigen Chaperone. Beobachtete gTUB-Degradationsmuster in Verbindung mit Interaktionen des 26S-Proteasoms deuten auf eine Gegenregulationen bei erhöhtem gTUB-Titer auf Proteinebene hin. Da Blattgewebe selbst nur noch über eine sehr geringe und inhomogene Teilungsaktivität verfügen ist diese Regulation hoch spannend. Auch konnte durch Co-Expression des PTGS-Suppressorproteins p19 gezeigt werden, dass bei der gTUB-Expression eine Regulation auf RNA-Ebene erfolgt.

Spectroscopic investigations of functional bulk and thin film Heusler alloys

Functional and smart materials have gained large scientific and practical interest in current research and development. The Heusler alloys form an important class of functional materials used in spintronics, thermoelectrics, and for shape memory alloy applications. An important aspect of functional materials is the adaptability of their physical properties. In this work functional polycrystalline bulk and epitaxial thin film Heusler alloys are characterized by means of spectroscopic investigation methods, X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) and energy dispersive X-ray analysis (EDX). With EDX the homogeneity of the samples is studied extensively. For some cases of quaternary compounds, for example Co2(MnxTi1−x)Sn and Co2(Mn0.5Dy0.5)Sn, an interesting phase separation in two nearly pure ternary Heusler phases occurs. For these samples the phase separation leads to an improvement of thermoelectric properties. XMCD as the main investigation method was used to study Co2TiZ (Z = Si, Sn, and Sb), Co2(MnxTi1−x)Si, Co2(MnxTi1−x)Ge, Co2Mn(Ga1−xGex), Co2FeAl, Mn2VAl, and Ni2MnGa Heusler compounds. The element-specific magnetic moments are calculated. Also, the spin-resolved unoccupied density of states is determined, for example giving hints for half-metallic ferromagnetism for some Co-based compounds. The systematic change of the magnetic moments and the shift of the Fermi energy is a proof that Heusler alloys are suitable for a controlled tailoring of physical properties. The comparison of the experimental results with theoretical predictions improves the understanding of complex materials needed to optimize functional Heusler alloys.