Computer simulations of charged systems in partially periodic geometries

This work presents algorithms for the calculation of the electrostatic interaction in partially periodic systems. The framework for these algorithms is provided by the simulation package ESPResSo, of which the author was one of the main developers. The prominent features of the program are listed and the internal structure is described. In the following, algorithms for the calculation of the Coulomb sum in three dimensionally periodic systems are described. These methods are the foundations for the algorithms for partially periodic systems presented in this work. Starting from the MMM2D method for systems with one non-periodic coordinate, the ELC method for these systems is developed. This method consists of a correction term which allows to use methods for three dimensional periodicity also for the case of two periodic coordinates. The computation time of this correction term is neglible for large numbers of particles. The performance of MMM2D and ELC are demonstrated by results from the implementations contained in ESPResSo. It is also discussed, how different dielectric constants inside and outside of the simulation box can be realized. For systems with one periodic coordinate, the MMM1D method is derived from the MMM2D method. This method is applied to the problem of the attraction of like-charged rods in the presence of counterions, and results of the strong coupling theory for the equilibrium distance of the rods at infinite counterion-coupling are checked against results from computer simulations. The degree of agreement between the simulations at finite coupling and the theory can be characterized by a single parameter gamma_RB. In the special case of T=0, one finds under certain circumstances flat configurations, in which all charges are located in the rod-rod plane. The energetically optimal configuration and its stability are determined analytically, which depends on only one parameter gamma_z, similar to gamma_RB. These findings are in good agreement with results from computer simulations.

Entstehung und Dynamik des Keratinfilament-Netzwerks

Das zytoplasmatische Zytoskelett besteht aus drei Filamentsystemen, die aus Aktin, Tubulin und Intermediärfilamentproteinen aufgebaut sind und dreidimensionale Netzwerke ausbilden. Das Intermediärfilamentsystem, dem vor allem mechanische Stabilisierungsfunktionen zugesprochen werden, unterscheidet sich von den anderen durch seine Fähigkeit, spontan aus seinen Polypeptiduntereinheiten ohne weitere Kofaktoren zu polymerisieren und durch seinen unpolaren Aufbau. Es ist bis heute unbekannt, wie Intermediärfilamentnetzwerke in vivo moduliert werden und wie ihre Anordnung in den Kontext des Gesamtzytoskeletts koordiniert wird. Am Beispiel der epithelialen Intermediärfilamentproteine, den Keratinen, sollte daher untersucht werden, wie und wo neue Intermediärfilamente entstehen, welche Bedeutung den anderen Filamentsystemen bei dem Netzwerkaufbau und –Turn-Over zukommen und wie die Netzwerkbildung gesteuert wird. Zur Beantwortung dieser Fragestellungen wurden Zellklone hergestellt, die fluoreszierende Keratine synthetisieren. In der Zelllinie SK8/18-2, deren gesamtes Netzwerk aus derartigen Chimären aufgebaut ist, konnten anhand von mikroskopischen Zeitrafferaufnahmen der Fluoreszenzmuster Keratinfilamentvorläufer (KFP) identifiziert und deren Dynamik direkt in lebenden Zellen verfolgt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die KFP in einem Plasmamembran-nahen Bereich entstehen, in dem sie zuerst als punktförmige Partikel detektiert werden. Nach einer initialen, sphäroidalen Wachstumsphase elongieren die Partikel zu kleinen Filamentstückchen. Diese können miteinander fusionieren und werden über ihre Enden in das periphere Netzwerk integriert. Der Wachstumsprozess ist gekoppelt an eine kontinuierliche, langsame Bewegung in Richtung auf das Zellzentrum. Diese Motilität sistiert vollständig nach pharmakologisch induziertem Abbau der Aktinfilamente. In Zeitraffer-aufnahmen kann jedoch in derartig behandelten Zellen ein wesentlich schnellerer Transport, der in verschiedene Richtungen verläuft und durch lange Ruhephasen unterbrochen wird, beobachtet werden. Dieser Modus, der gelegentlich auch in unbehandelten Zellen gefunden wurde, ist abhängig von intakten Mikrotubuli. Erst durch Zerstörung der Aktinfilamente und der Mikrotubuli erlischt die Motilität der KFPs vollständig. Bei der Suche nach Regulatoren der Keratinnetzwerkbildung wurde die p38 MAPK als zentraler Faktor identifiziert. Erstmals konnte eine direkte räumliche und zeitliche Korrelation zwischen einer spezifischen Enzymaktivität durch Nachweis der phosphorylierten p38 MAPK, der daraus folgenden Phosphorylierung eines Keratins, hier Serin 73 des Keratin 8, und der daraus resultierenden Veränderung des Netzwerkaufbaus, d. h. der Ausbildung von Keratingranula, nachgewiesen werden. Diese koordinierten Veränderungen wurden in unterschiedlichen Stresssituationen in verschiedenen Zellsystemen und in Zellen mit mutierten Keratinen beobachtet. Genetische (shRNA) und pharmakologische Manipulationen der p38 MAPK-Aktivität deuten auf einen engen kausalen Zusammenhang hin.

Synthese und Charakterisierung von Modellen für Photoschalter und elektronische Ventile

Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die Synthese von organischen Photoschalter-Modellen auf der Basis von mesoionischen Pyrimidinium-olaten und Bis(thienylperfluorocyclopentenen), sowie die Darstellung substituierter Biphenyl-Biradikale als Modelle für Ventil-Systeme im Sinne eines neuen Schalter-Ventil-Konzeptes.Aufbauend auf meiner Arbeit über mesoionische Pyrimidinium-olate wurde ein henkelverbrücktes Ansa-Mesoion mit einem 16-gliedrigen Makrocyclus, sowie drei mehrcyclische mesoionische Systeme synthetisiert und auf ihr Schaltverhalten hin untersucht. Das Ansa-Mesoion stellt ein erstes einfaches Modell für Schalter-Ventil-Konjugate dar. Zur Darstellung der photochromen Bis(thienylethene) wurden die aus der Literatur bekannten Syntheserouten nach Irie als auch nach Feringa auf neue Strukturen angewandt und die Schalteigenschaften der Bis(thienylethene) optisch nachgewiesen. Die Anordnung der reaktiven Endgruppen in den synthetisierten Verbindungen schafft ideale Voraussetzungen für eine große konformelle Änderung, welche im Schalter-Ventil-Konjugat erwünscht ist. Durch vielfaches Durchlaufen des Schaltprozesses (> 100 Cyclen) konnte die hohe Reversibilität des Schaltvorganges belegt werden.Als Ventilmodelle wurden mit stabilen Nitroxidradikalen substituierte Biphenyle verwendet, deren primärer konformativer Freiheitsgrad durch die Drehung um die Phenyl-Phenyl-Einfachbindung gegeben ist. Experimentelle ESR-Daten und deren Vergleich mit Spektrensimulationen bestätigten die Abhängigkeit der Austauschwechselwirkung J zwischen den Radikalen vom Biphenyldiederwinkel.

Zweischleifenkorrekturen zum leptonischen Zerfall des Z-Bosons

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde, basierend auf der Parallel-/Orthogonalraum-Methode, eine neue Methode zur Berechnung von allgemeinen massiven Zweischleifen-Dreipunkt-Tensorintegralen mit planarer und gedrehter reduzierter planarer Topologie entwickelt. Die Ausarbeitung und Implementation einer Tensorreduktion fuer Integrale, welche eine allgemeine Tensorstruktur im Minkowski-Raum besitzen koennen, wurde durchgefuehrt. Die Entwicklung und Implementation eines Algorithmus zur semi-analytischen Berechnung der schwierigsten Integrale, die nach der Tensorreduktion verbleiben, konnte vollendet werden. (Fuer die anderen Basisintegrale koennen wohlbekannte Methoden verwendet werden.) Die Implementation ist bezueglich der UV-endlichen Anteile der Masterintegrale, die auch nach Tensorreduktion noch die zuvor erwaehnten Topologien besitzen, abgeschlossen. Die numerischen Integrationen haben sich als stabil erwiesen. Fuer die verbleibenden Teile des Projektes koennen wohlbekannte Methoden verwendet werden. In weiten Teilen muessen lediglich noch Links zu existierenden Programmen geschrieben werden. Fuer diejenigen wenigen verbleibenden speziellen Topologien, welche noch zu implementieren sind, sind (wohlbekannte) Methoden zu implementieren. Die Computerprogramme, die im Rahmen dieses Projektes entstanden, werden auch fuer allgemeinere Prozesse in das xloops-Projekt einfliessen. Deswegen wurde sie soweit moeglich fuer allgemeine Prozesse entwickelt und implementiert. Der oben erwaehnte Algorithmus wurde insbesondere fuer die Evaluation der fermionischen NNLO-Korrekturen zum leptonischen schwachen Mischungswinkel sowie zu aehnlichen Prozessen entwickelt. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde ein Grossteil der fuer die fermionischen NNLO-Korrekturen zu den effektiven Kopplungskonstanten des Z-Zerfalls (und damit fuer den schachen Mischungswinkel) notwendigen Arbeit durchgefuehrt.

Spectroscopic signatures from first principles calculations: from surface adsorbates to liquids and polymers

In dieser Arbeit werden drei wasserstoffverbrückte Systeme in der kondensierten Phase mit Hilfe von first-principles-Elektronenstruktur-Rechnungen untersucht, die auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) unter periodischen Randbedingungen basieren. Ihre lokalen Konformationen und Wasserstoffbrückenbindungen werden mittels ab-initio Molekulardynamiksimulationen berechnet und weiterhin durch die Bestimmung ihrer spektroskopischen Parameter charakterisiert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf lokalen Strukturen und auf schnellen Fluktuationen der Wasserstoffbrückenbindungen, welche von zentraler Bedeutung für die physikalischen und chemischen Eigenschaften der betrachteten Systeme sind. Die für die lokalen, instantanen Konformationen berechneten Spektren werden verwendet, um die physikalischen Prozesse, die hinter den untersuchten Phänomenen stehen, zu erklären: die Wasseradsorption auf metallischen Oberflächen, die Ionensolvatisierung in wässrigen Lösungen und der Protonentransport in protonleitenden Polymeren, welche Prototypen von Membranen für Brennstoffzellen sind. Die Möglichkeit der Vorhersage spektroskopischer Parameter eröffnet vielfältige Möglichkeiten des Dialogs zwischen Experimenten und numerischen Simulationen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass die Zuverlässigkeit dieser theoretischen Berechnungen inzwischen für viele experimentell relevante Systeme ein quantitatives Niveau erreicht hat.

Oligomerization and protein-protein interactions of the sensory histidine kinase DcuS in Escherichia coli

DcuS is a membrane-integral sensory histidine kinase involved in the DcuSR two-component regulatory system in Escherichia coli by regulating the gene expression of C4-dicarboxylate metabolism in response to external stimuli. How DcuS mediates the signal transduction across the membrane remains little understood. This study focused on the oligomerization and protein-protein interactions of DcuS by using quantitative Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) spectroscopy. A quantitative FRET analysis for fluorescence spectroscopy has been developed in this study, consisting of three steps: (1) flexible background subtraction to yield background-free spectra, (2) a FRET quantification method to determine FRET efficiency (E) and donor fraction (fD = [donor] / ([donor]+[acceptor])) from the spectra, and (3) a model to determine the degree of oligomerization (interaction stoichiometry) in the protein complexes based on E vs. fD. The accuracy and applicability of this analysis was validated by theoretical simulations and experimental systems. These three steps were integrated into a computer procedure as an automatic quantitative FRET analysis which is easy, fast, and allows high-throughout to quantify FRET accurately and robustly, even in living cells. This method was subsequently applied to investigate oligomerization and protein-protein interactions, in particular in living cells. Cyan (CFP) and yellow fluorescent protein (YFP), two spectral variants of green fluorescent protein, were used as a donor-acceptor pair for in vivo measurements. Based on CFP- and YFP-fusions of non-interacting membrane proteins in the cell membrane, a minor FRET signal (E = 0.06 ± 0.01) can be regarded as an estimate of direct interaction between CFP and YFP moieties of fusion proteins co-localized in the cell membrane (false-positive). To confirm if the FRET occurrence is specific to the interaction of the investigated proteins, their FRET efficiency should be clearly above E = 0.06. The oligomeric state of DcuS was examined both in vivo (CFP/YFP) and in vitro (two different donor-acceptor pairs of organic dyes) by three independent experimental systems. The consistent occurrence of FRET in vitro and in vivo provides the evidence for the homo-dimerization of DcuS as full-length protein for the first time. Moreover, novel interactions (hetero-complexes) between DcuS and its functionally related proteins, citrate-specific sensor kinase CitA and aerobic dicarboxylate transporter DctA respectively, have been identified for the first time by intermolecular FRET in vivo. This analysis can be widely applied as a robust method to determine the interaction stoichiometry of protein complexes for other proteins of interest labeled with adequate fluorophores in vitro or in vivo.

Unconventional correlated systems

This work comprises three different types of unconventional correlated systems.rnChapters 3-5 of this work are about the open shell compounds Rb4O6 and Cs4O6. These mixed valent compounds contain oxygen in two different modifications: the closed-shell peroxide anion is nonmagnetic, whereas the hyperoxide anion contains an unpaired electrons in an antibonding pi*-orbital. Due to this electron magnetic ordering is rendered possible. In contrast to theoretical predictions, which suggested half-metallic ferromagnetism for Rb4O6,rndominating antiferromagnetic interactions were found in the experiment. Besidesrna symmetry reduction due to the mixed valency, strong electronic correlations of this highly molecular system determine its properties; it is a magnetically frustrated insulator. The corresponding Cs4O6 was found to show similar properties.rnChapters 6-9 of this work are about intermetallic Heusler superconductors. rnAll of these superconductors were rationally designed using the van Hove scenario as a working recipe. A saddle point in the energy dispersion curve of a solid leads to a van Hove singularity in the density of states. In the Ni-based and Pd-based Heusler superconductors presented in this work this sort of a valence instability occurs at the high-symmetry L point and coincides or nearly coincides with the Fermi level. The compounds escape the high density of states at the Fermi energy through a transition into the correlated superconducting state.rnChapter 10 of this work is about the tetragonally distorted ferrimagnetic DO22 phase of Mn3Ga. This hard-magnetic modification is technologically useful for spin torque transfer applications. The phase exhibits two different crystallographic sites that are occupied by Mn atoms and can thus be written as Mn2MnGa. The competition between the mainly itinerant moments of the Mn atoms at the Wyckoff position 4d and the localized moments of the Mn atoms at the Wyckoff position 2b leads to magnetic correlations. The antiferromagnetic orientation of these moments determines the compound to exhibit a resulting magnetic moment of approximately 1 µB per formula unit in a partially compensated ferrimagnetic configuration.

Interacting bosons and fermions in three-dimensional optical lattice potentials

This thesis reports on the realization, characterization and analysis of ultracold bosonic and fermionic atoms in three-dimensional optical lattice potentials. Ultracold quantum gases in optical lattices can be regarded as ideal model systems to investigate quantum many-body physics. In this work interacting ensembles of bosonic 87Rb and fermionic 40K atoms are employed to study equilibrium phases and nonequilibrium dynamics. The investigations are enabled by a versatile experimental setup, whose core feature is a blue-detuned optical lattice that is combined with Feshbach resonances and a red-detuned dipole trap to allow for independent control of tunneling, interactions and external confinement. The Fermi-Hubbard model, which plays a central role in the theoretical description of strongly correlated electrons, is experimentally realized by loading interacting fermionic spin mixtures into the optical lattice. Using phase-contrast imaging the in-situ size of the atomic density distribution is measured, which allows to extract the global compressibility of the many-body state as a function of interaction and external confinement. Thereby, metallic and insulating phases are clearly identified. At strongly repulsive interaction, a vanishing compressibility and suppression of doubly occupied lattice sites signal the emergence of a fermionic Mott insulator. In a second series of experiments interaction effects in bosonic lattice quantum gases are analyzed. Typically, interactions between microscopic particles are described as two-body interactions. As such they are also contained in the single-band Bose-Hubbard model. However, our measurements demonstrate the presence of multi-body interactions that effectively emerge via virtual transitions of atoms to higher lattice bands. These findings are enabled by the development of a novel atom optical measurement technique: In quantum phase revival spectroscopy periodic collapse and revival dynamics of the bosonic matter wave field are induced. The frequencies of the dynamics are directly related to the on-site interaction energies of atomic Fock states and can be read out with high precision. The third part of this work deals with mixtures of bosons and fermions in optical lattices, in which the interspecies interactions are accurately controlled by means of a Feshbach resonance. Studies of the equilibrium phases show that the bosonic superfluid to Mott insulator transition is shifted towards lower lattice depths when bosons and fermions interact attractively. This observation is further analyzed by applying quantum phase revival spectroscopy to few-body systems consisting of a single fermion and a coherent bosonic field on individual lattice sites. In addition to the direct measurement of Bose-Fermi interaction energies, Bose-Bose interactions are proven to be modified by the presence of a fermion. This renormalization of bosonic interaction energies can explain the shift of the Mott insulator transition. The experiments of this thesis lay important foundations for future studies of quantum magnetism with fermionic spin mixtures as well as for the realization of complex quantum phases with Bose-Fermi mixtures. They furthermore point towards physics that reaches beyond the single-band Hubbard model.

Computer simulations of slowly relaxing systems in external fields

Eine der offenen Fragen der aktuellen Physik ist das Verständnis von Systemen im Nichtgleichgewicht. Im Gegensatz zu der Gleichgewichtsphysik ist in diesem Bereich aktuell kein Formalismus bekannt der ein systematisches Beschreiben der unterschiedlichen Systeme ermöglicht. Um das Verständnis über diese Systeme zu vergrößern werden in dieser Arbeit zwei unterschiedliche Systeme studiert, die unter einem externen Feld ein starkes nichtlineares Verhalten zeigen. Hierbei handelt es sich zum einen um das Verhalten von Teilchen unter dem Einfluss einer extern angelegten Kraft und zum anderen um das Verhalten eines Systems in der Nähe des kritischen Punktes unter Scherung. Das Modellsystem in dem ersten Teil der Arbeit ist eine binäre Yukawa Mischung, die bei tiefen Temperaturen einen Glassübergang zeigt. Dies führt zu einer stark ansteigenden Relaxationszeit des Systems, so dass man auch bei kleinen Kräften relativ schnell ein nichtlineares Verhalten beobachtet. In Abhängigkeit der angelegten konstanten Kraft können in dieser Arbeit drei Regime, mit stark unterschiedlichem Teilchenverhalten, identifiziert werden. In dem zweiten Teil der Arbeit wird das Ising-Modell unter Scherung betrachtet. In der Nähe des kritischen Punkts kommt es in diesem Modell zu einer Beeinflussung der Fluktuationen in dem System durch das angelegte Scherfeld. Dies hat zur Folge, dass das System stark anisotrop wird und man zwei unterschiedliche Korrelationslängen vorfindet, die mit unterschiedlichen Exponenten divergieren. Infolgedessen lässt sich der normale isotrope Formalismus des "finite-size scaling" nicht mehr auf dieses System anwenden. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie dieser auf den anisotropen Fall zu verallgemeinern ist und wie damit die kritischen Punkte, sowie die dazu gehörenden kritischen Exponenten berechnet werden können.