Large-scale coupled-cluster calculations

Coupled-cluster theory provides one of the most successful concepts in electronic-structure theory. This work covers the parallelization of coupled-cluster energies, gradients, and second derivatives and its application to selected large-scale chemical problems, beside the more practical aspects such as the publication and support of the quantum-chemistry package ACES II MAB and the design and development of a computational environment optimized for coupled-cluster calculations. The main objective of this thesis was to extend the range of applicability of coupled-cluster models to larger molecular systems and their properties and therefore to bring large-scale coupled-cluster calculations into day-to-day routine of computational chemistry. A straightforward strategy for the parallelization of CCSD and CCSD(T) energies, gradients, and second derivatives has been outlined and implemented for closed-shell and open-shell references. Starting from the highly efficient serial implementation of the ACES II MAB computer code an adaptation for affordable workstation clusters has been obtained by parallelizing the most time-consuming steps of the algorithms. Benchmark calculations for systems with up to 1300 basis functions and the presented applications show that the resulting algorithm for energies, gradients and second derivatives at the CCSD and CCSD(T) level of theory exhibits good scaling with the number of processors and substantially extends the range of applicability. Within the framework of the ’High accuracy Extrapolated Ab initio Thermochemistry’ (HEAT) protocols effects of increased basis-set size and higher excitations in the coupled- cluster expansion were investigated. The HEAT scheme was generalized for molecules containing second-row atoms in the case of vinyl chloride. This allowed the different experimental reported values to be discriminated. In the case of the benzene molecule it was shown that even for molecules of this size chemical accuracy can be achieved. Near-quantitative agreement with experiment (about 2 ppm deviation) for the prediction of fluorine-19 nuclear magnetic shielding constants can be achieved by employing the CCSD(T) model together with large basis sets at accurate equilibrium geometries if vibrational averaging and temperature corrections via second-order vibrational perturbation theory are considered. Applying a very similar level of theory for the calculation of the carbon-13 NMR chemical shifts of benzene resulted in quantitative agreement with experimental gas-phase data. The NMR chemical shift study for the bridgehead 1-adamantyl cation at the CCSD(T) level resolved earlier discrepancies of lower-level theoretical treatment. The equilibrium structure of diacetylene has been determined based on the combination of experimental rotational constants of thirteen isotopic species and zero-point vibrational corrections calculated at various quantum-chemical levels. These empirical equilibrium structures agree to within 0.1 pm irrespective of the theoretical level employed. High-level quantum-chemical calculations on the hyperfine structure parameters of the cyanopolyynes were found to be in excellent agreement with experiment. Finally, the theoretically most accurate determination of the molecular equilibrium structure of ferrocene to date is presented.

Bioinformatische Identifizierung und Charakterisierung von Zyklin-abhängigen Kinasen und Zyklinen des Parasiten Eimeria tenella und deren Nutzung im rationalen Wirkstoffdesign

Parasiten der Apicomplexa umfassen sowohl humanpathogene, als auch tierpathogene Protozoen. Beispiele für wichtige Vertreter human- und tierpathogener Parasiten sind Plasmodium falciparum und Eimeria tenella. E. tenella verursacht die Kokzidiose des Hühnchens, eine Darmerkrankung die weltweit für Verluste in einer geschätzten Höhe von bis zu 3 Milliarden US$ verantwortlich zeichnet. Eine prophylaktische Vakzinierung gegen diese Krankheit ist ökonomisch meist ineffizient, und eine Behandlung mit Kokzidiostatika wird durch häufige Resistenzbildung gegen bekannte Wirkstoffe erschwert. Diese Situation erfordert die Entwicklung neuer kostengünstiger Alternativen. Geeignete Zielproteine für die Entwicklung neuartiger Arzneistoffe zur Behandlung der Kokzidiose sind die Zyklin-abhängigen Kinasen (CDKs), zu denen auch die CDK-related Kinase 2 (EtCRK2) aus E. tenella gehört. Diese Proteine sind maßgeblich an der Regulation des Zellzyklus beteiligt. Durch chemische Validierung mit dem CDK Inhibitor Flavopiridol konnte nachgewiesen werden, dass ein Funktionsverlust von CDKs in E. tenella die Vermehrung des Parasiten in Zellkultur inhibiert. E. tenella CDKs sind daher als Zielproteine für die Entwicklung einer Chemotherapie der Kokzidiose geeignet. Mittels bioinformatischer Tiefenanalysen sollten CDK Proteine im Parasiten E. tenella identifiziert werden. Das Genom von E. tenella liegt in Rohfassung vor [ftp://ftp.sanger.ac.uk]. Jedoch waren zum Zeitpunkt dieser Arbeiten viele Sequenzen des Genoms noch nicht annotiert. Homologe CDK Proteine von E. tenella konnten durch den Vergleich von Sequenzinformationen mit anderen Organismen der Apicomplexa identifiziert und analysiert werden. Durch diese Analysen konnten neben der bereits bekannten EtCRK2, drei weitere, bislang nicht annotierte CDKs in E. tenella identifiziert werden (EtCRK1, EtCRK3 sowie EtMRK). Darüber hinaus wurde eine Analyse der entsprechenden Zykline – der Aktivatoren der CDKs – bezüglich Funktion und Struktur, sowie eine Datenbanksuche nach bisher nicht beschriebenen Zyklinen in E. tenella durchgeführt. Diese Suchen ergaben vier neue potentielle Zykline für E. tenella, wovon EtCYC3a als Aktivator der EtCRK2 von María L. Suárez Fernández (Intervet Innovation GmbH, Schwabenheim) bestätigt werden konnte. Sequenzvergleiche lassen vermuten, dass auch EtCYC1 und EtCYC3b in der Lage sind, EtCRK2 zu aktivieren. Außerdem ist anzunehmen, dass EtCYC4 als Aktivator der EtCRK1 fungiert. Ein weiterer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit war die Suche und Optimierung nach neuen Inhibitoren von CDKs aus E. tenella. In vorangegangenen Arbeiten konnten bereits Inhibitoren der EtCRK2 gefunden werden [BEYER, 2007]. Mittels Substruktur- und Ähnlichkeitssuchen konnten im Rahmen dieser Arbeit weitere Inhibitoren der EtCRK2 identifiziert werden. Vier dieser Strukturklassen erfüllen die Kriterien einer Leitstruktur. Eine dieser Leitstrukturen gehört zur Strukturklasse der Benzimidazol-Carbonitrile und ist bislang nicht als Inhibitor anderer Kinasen beschrieben. Diese neu identifizierte Leitstruktur konnte in silico weiter optimiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Bindungsenergien von Vertretern dieser Strukturklasse berechnet, um einen wahrscheinlichen Bindemodus vorherzusagen. Für die weiterführende in silico Optimierung wurde eine virtuelle kombinatorische Substanzbibliothek dieser Klasse erstellt. Die Auswahl geeigneter Verbindungen für eine chemische Synthese erfolgte durch molekulares Docking unter Nutzung von Homologiemodellen der EtCRK2. Darüber hinaus wurde ein in silico Screening nach potentiellen Inhibitoren der PfMRK und EtMRK durchgeführt. Dabei konnten weitere interessante virtuelle Hit-Strukturen aus einer Substanzdatenbank kommerziell erhältlicher Verbindungen gefunden werden. Durch dieses virtuelle Screening konnten jeweils sieben Verbindungen als virtuelle Hits der PfMRK sowie der EtMRK identifiziert werden. Die Häufung von Strukturklassen mit bekannter CDK Aktivität deutet darauf hin, dass während des virtuellen Screenings eine Anreicherung von CDK Inhibitoren stattgefunden hat. Diese Ergebnisse lassen auf eine Weiterentwicklung neuer Wirkstoffe gegen Kokzidiose und Malaria hoffen.

Von der geographischen Analyse über die Bestandsaufnahme der anzutreffenden Krankheiten und der Anwendung traditioneller Medizin zu einem geomedizinischen Informationssystem am Beispiel einer Bergregion im Kabupaten Sikka (Insel Flores, Indonesien)

Im Rahmen der interdisziplinären Zusammenarbeit zur Durchsetzung des »Menschenrecht Gesundheit« wurde ein geomedizinisches Informationssystem erstellt, das auf die nordexponierten Bergdörfer zwischen 350 m ü. NN und 450 m ü. NN des Kabupaten Sikka auf der Insel Flores in Indonesien anwendbar ist. Es wurde eine Analyse der Zeit-Raum-Dimension der Gesundheitssituation in Wololuma und Napun Lawan - exemplarisch für die nordexponierten Bergdörfer - durchgeführt. Im Untersuchungsraum wurden Gesundheitsgefahren und Gesundheitsrisiken analysiert, Zonen der Gefahren herausgearbeitet und Risikoräume bewertet. Trotz eines El Niño-Jahres waren prinzipielle Bezüge der Krankheiten zum jahreszeitlichen Rhythmus der wechselfeuchten Tropen zu erkennen. Ausgehend von der Vermutung, dass Krankheiten mit spezifischen Klimaelementen korrelieren, wurden Zusammenhänge gesucht. Für jede Krankheit wurden Makro-, Meso- und Mikrorisikoräume ermittelt. Somit wurden Krankheitsherde lokalisiert. Die Generalisierung des geomedizinischen Informationssystems lässt sich auf der Makroebene auf die nordexponierten Bergdörfer zwischen 350 m ü. NN und 450 m ü. NN des Kabupaten Sikka übertragen. Aus einer Vielzahl von angetroffenen Krankheiten wurden sechs Krankheiten selektiert. Aufgrund der Häufigkeitszahlen ergibt sich für das Gesundheitsrisiko der Bevölkerung eine Prioritätenliste:rn- Dermatomykosen (ganzjährig)rn- Typhus (ganzjährig)rn- Infektionen der unteren Atemwege (Übergangszeit)rn- Infektionen der oberen Atemwege (Übergangszeit)rn- Malaria (Regenzeit)rn- Struma (ganzjährig)rnDie Hauptrisikogruppe der Makroebene ist die feminine Bevölkerung. Betroffen sind weibliche Kleinkinder von null bis sechs Jahren und Frauen ab 41 Jahren. Die erstellten Karten des zeitlichen und räumlichen Verbreitungsmusters der Krankheiten und des Zugangs zu Gesundheitsdienstleistungen dienen Entscheidungsträgern als Entscheidungshilfe für den Einsatz der Mittel zur Primärprävention. Die Geographie als Wissenschaft mit ihren Methoden und dem Zeit-Raum-Modell hat gezeigt, dass sie die Basis für die interdisziplinäre Forschung darstellt. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit zur Gesundheitsforschung im Untersuchungszeitraum 2009 hat sich bewährt und muss weiter ausgebaut werden. Die vorgeschlagenen Lösungsmöglichkeiten dienen der Minimierung des Gesundheitsrisikos und der Gesundheitsvorsorge. Da die Systemzusammenhänge der Ätiologie der einzelnen Krankheiten sehr komplex sind, besteht noch immer sehr großer Forschungsbedarf. rnDas Ergebnis der vorliegenden Untersuchung zeigt, dass Wasser in jeder Form die primäre Ursache für das Gesundheitsrisiko der Bergdörfer im Kabupaten Sikka auf der Insel Flores in Indonesien ist.rnDer Zugang zu Wasser ist unerlässlich für die Verwirklichung des »Menschenrecht Gesundheit«. Das Recht auf Wasser besagt, dass jeder Mensch Zugang zu nicht gesundheitsgefährdendem, ausreichendem und bezahlbarem Wasser haben soll. Alle Staaten dieser Erde sollten sich dieser Forderung verpflichtet fühlen.rn

Applications of GIS and remote sensing techniques for studying the housing patterns in Cairo Governorate

The main objective of this study is to reveal the housing patterns in Cairo as one of the most rapidly urbanizing city in the developing world. The study outlines the evolution of the housing problem and its influencing factors in Egypt generally and in Cairo specifically. The study takes into account the political transition from the national state economy to the open door policy, the neo-liberal period and finally to the housing situation after the January 2011 Revolution. The resulting housing patterns in Cairo Governorate were identified as (1) squatter settlements, (2) semi-informal settlements, (3) deteriorated inner pockets, and (4) formal settlements. rnThe study concluded that the housing patterns in Cairo are reflecting a multifaceted problem resulting in: (1) the imbalance between the high demand for affordable housing units for low-income families and the oversupply of upper-income housing, (2) the vast expansion of informal areas both on agricultural and desert lands, (3) the deterioration of the old parts of Cairo without upgrading or appropriate replacement of the housing structure, and (4) the high vacancy rate of newly constructed apartmentsrnThe evolution and development of the current housing problem were attributed to a number of factors. These factors are demographic factors represented in the rapid growth of the population associated with urbanization under the dictates of poverty, and the progressive increase of the prices of both buildable land and building materials. The study underlined that the current pattern of population density in Cairo Governorate is a direct result of the current housing problems. Around the depopulation core of the city, a ring of relatively stable areas in terms of population density has developed. Population densification, at the expense of the depopulation core, is characterizing the peripheries of the city. The population density in relation to the built-up area was examined using Landsat-7 ETM+ image (176/039). The image was acquired on 24 August 2006 and considered as an ideal source for land cover classification in Cairo since it is compatible with the population census 2006.rnConsidering that the socio-economic setting is a driving force of change of housing demand and that it is an outcome of the accumulated housing problems, the socio-economic deprivations of the inhabitants of Cairo Governorate are analyzed. Small administrative units in Cairo are categorized into four classes based on the Socio-Economic Opportunity Index (SEOI). This index is developed by using multiple domains focusing on the economic, educational and health situation of the residential population. The results show four levels of deprivation which are consistent with the existing housing patterns. Informal areas on state owned land are included in the first category, namely, the “severely deprived” level. Ex-formal areas or deteriorated inner pockets are characterized as “deprived” urban quarters. Semi-informal areas on agricultural land concentrate in the third category of “medium deprived” settlements. Formal or planned areas are included mostly in the fourth category of the “less deprived” parts of Cairo Governorate. rnFor a better understanding of the differences and similarities among the various housing patterns, four areas based on the smallest administrative units of shiakhat were selected for a detailed study. These areas are: (1) El-Ma’desa is representing a severely deprived squatter settlement, (2) Ain el-Sira is an example for an ex-formal deprived area, (3) El-Marg el-Qibliya was selected as a typical semi-informal and medium deprived settlement, and (4) El-Nozha is representing a formal and less deprived area.rnThe analysis at shiakhat level reveals how the socio-economic characteristics and the unregulated urban growth are greatly reflected in the morphological characteristics of the housing patterns in terms of street network and types of residential buildings as well as types of housing tenure. It is also reflected in the functional characteristics in terms of land use mix and its degree of compatibility. It is concluded that the provision and accessibility to public services represents a performance measure of the dysfunctional structure dominating squatter and semi-informal settlements on one hand and ample public services and accessibility in formal areas on the other hand.rn