Design und Synthese maßgeschneiderter funktioneller Rylenfarbstoffe

Die vorgelegte Dissertation beschäftigt sich mit der Darstellung und Untersuchung von funktionellen Farbstoffen auf der Basis von Rylendiimiden. Diese Substanzklasse zeichnet sich durch gute Funktionalisierbarkeit, hohe chemische und photochemische Stabilität sowie durch hohe Fluoreszenzquantenausbeuten und Extinktionskoeffizienten aus. Rylendiimide spielen eine bedeutsame Rolle in den modernen Materialwissenschaften. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Synthese und Untersuchung von neuen Perylendiimiden (PDI) im Hinblick auf eine Anwendung in der organischen Elektronik. Das Substitutionsmuster der PDI hat einen signifikanten Einflussrnauf deren supramolekulares Verhalten und die Leistungsfähigkeit in elektronischen Bauteilen. Durch das Einführen neuer Substituenten konnten weitergehende Erkenntnisse über das supramolekulare Verhalten der PDI gewonnenrnwerden. Multichromophore sind wichtige Modellsysteme zur Untersuchung vonrnEnergietransportprozessen und Einzelphotonenquellen. Daher liegt ein weiterer Schwerpunkt auf der Synthese multichromophorer PDI-Systeme. Neben der Darstellung definierter dendritischer Nanoteilchen auf Basis von Poly(phenylenethinylen)-Dendrimeren beschäftigt sich dieser Teil auch mit der Synthese hochverzweigter ethinylverknüpfter Polymere auf Basis von PDI-Monomeren. Aufgrund ihrer außergewöhnlichen photochemischen Eigenschaften spielen Perylen- und Terrylendiimide eine wichtige Rolle als Fluoreszenzmarker.rnDaher beschäftigt sich ein weiterer Aspekt dieser Arbeit mit der Synthese vonrnFluoreszenzmarkern, die sowohl in Polymerisationsreaktionen als auch inrnbiologischen Systemen Anwendung finden können.

Identifizierung chemischer Transportinhibitoren zur Modulation (patho)biologischer Genprodukte

Die intrazelluläre Lokalisation von Proteinen und Makromolekülen unterliegt in Eukaryoten einer strengen Regulation. Insbesondere erlaubt die Kompartimentierung eukaryotischer Zellen in Zellkern und Zytoplasma den simultanen Ablauf räumlich getrennter biochemischer Reaktionen, und damit die unabhängige Regulation zellulärer Programme. Da trotz intensiver Forschungsbemühungen bis dato die molekularen Details sowie die (patho)biologische Bedeutung von Kern-Zytoplasma-Transportprozessen noch immer nicht vollkommen verstanden sind, wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein Fokus auf die Identifizierung von chemischen Transportinhibitoren gelegt. Das zu diesem Zweck entwickelte Translokations-Biosensor-System basiert auf der Kombination von autofluoreszierenden Proteinen, sowie spezifisch ausgewählten Kernexport- und Kernimportsignalen. Nach Etablierung geeigneter Zellmodelle, die effizient und stabil die Translokations-Biosensoren exprimieren, wurde die 17 000 Substanzen umfassende Bibliothek der ChemBioNet-Initiative nach Kernexportinhibitoren mittels einer Fluoreszenzmikroskopie-basierten Hochdurchsatzanalyse-Plattform durchmustert. Zunächst wurden Translokations-Algorithmen, welche eine zuverlässige automatisierte Erkennung von Zellkern und Zytoplasma erlauben, optimiert. Im Folgenden konnten acht neue niedermolekulare Kernexport-Inhibitoren identifiziert werden, die sich in der Stärke, der Geschwindigkeit, sowie in der Beständigkeit der vermittelten Inhibition unterscheiden. Die Aktivität der Inhibitoren konnte auf den isolierten nukleären Exportsignalen (NES) von HIV-1 Rev und Survivin als auch auf den entsprechenden Volllängeproteinen mittels Mikroinjektionsexperimenten sowie durch umfassende in vitro und biochemische Methoden bestätigt werden. Zur Untersuchung der funktionellen Einheiten der Inhibitoren wurden homologe Substanzen auf Ihre Aktivität hin getestet. Dabei konnten für die Aktivität wichtige chemische Gruppen definiert werden. Alle Substanzen stellen neue Inhibitoren des Crm1-abhängigen Exports dar und zeigen keine nachweisbare NES-Selektivität. Interessanterweise konnte jedoch eine zytotoxische und Apoptose-induzierende Wirkung auf verschiedene Krebszellarten festgestellt werden. Da diese Wirkung unabhängig vom p53-Status der Tumorzellen ist und die Inhibitoren C3 und C5 die Vitalität nicht-maligner humaner Zellen signifikant weniger beeinträchtigen, wurden diese Substanzen zum internationalen Patent angemeldet. Da der nukleäre Export besonders für Tumorzellen einen wichtigen Überlebenssignalweg darstellt, könnte dessen reversible Hemmung ausgenutzt werden, um besonders in Kombination mit gängigen Krebstherapien eine therapeutisch relevante Tumorinhibition zu erzeugen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der neuen Exportinhibitoren ist auf dem Gebiet der Infektionskrankheiten zu sehen, da auch die Aktivität des essentiellen HIV-1 Rev-Proteins inhibiert wird. Zusätzlich konnte in der Arbeit gezeigt werden, dass der zelluläre Kofaktor des Crm1-abhängigen Exports des HIV-1 Rev-Proteins, die RNA-Helikase DDX3, ein eigenes NES enthält. Der Nachweis einer direkten Interaktion des HIV-1 Rev- mit dem DDX3-Protein impliziert, dass multiple Angriffstellen für chemische Modulatoren hinsichtlich einer antiviralen Therapie gegeben sind. Da die Vielfalt des chemischen Strukturraums es unmöglich macht diesen experimentell vollständig zu durchmustern, wurden im Rahmen dieser Arbeit auch Naturstoffe als vielversprechende Wirkstoffquelle untersucht. Um zukünftig umfassend bioaktive Substanzen aus diesen hochkomplexen Stoffgemischen experimentell identifizieren zu können, wurde eine Fluoreszenzmikroskopie-basierte Hochdurchsatzanalyse-Plattform am Mainz Screening Center (MSC) etabliert. Damit konnte bereits ein weiterer, bisher unbekannter Exportinhibitor aus Cyphellopsis anomala identifiziert werden. Neben einer Anwendung dieser Substanz als chemisches Werkzeug zur Aufklärung der Regulation von Transportvorgängen, stellt sich auch die evolutionsbiologisch relevante Frage, wie es dem Pilzproduzenten gelingt die Blockierung des eigenen Kernexports zu umgehen. Weiterführende Projekte müssen sich neben der Aufklärung der molekularen Wirkmechanismen der gefundenen Substanzen mit der Identifizierung spezifischer chemischer „Funktionseinheiten“ beschäftigen. Neben einem verbesserten mechanistischen Verständnis von Transportvorgängen stellen die erarbeiteten Transportinhibitoren Vorstufen zur Weiterentwicklung möglicher Wirkstoffe dar. Die im Rahmen dieser Arbeit etablierte Technologie-Plattform und molekularen Werkzeuge stellen darüber hinaus eine wichtige Voraussetzung dar, um eine systematische Suche nach möglichen Wirkstoffen im Forschungsfeld der „Chemischen Biomedizin“ voranzutreiben.

Stable isotope composition of atmospheric carbon monoxide : a modelling study

Stable isotope composition of atmospheric carbon monoxide: A modelling study.rnrnThis study aims at an improved understanding of the stable carbon and oxygen isotope composition of the carbon monoxide (CO) in the global atmosphere by means of numerical simulations. At first, a new kinetic chemistry tagging technique for the most complete parameterisation of isotope effects has been introduced into the Modular Earth Submodel System (MESSy) framework. Incorporated into the ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry (EMAC) general circulation model, an explicit treatment of the isotope effects on the global scale is now possible. The expanded model system has been applied to simulate the chemical system containing up to five isotopologues of all carbon- and oxygen-bearing species, which ultimately determine the δ13C, δ18O and Δ17O isotopic signatures of atmospheric CO. As model input, a new stable isotope-inclusive emission inventory for the relevant trace gases has been compiled. The uncertainties of the emission estimates and of the resulting simulated mixing and isotope ratios have been analysed. The simulated CO mixing and stable isotope ratios have been compared to in-situ measurements from ground-based observatories and from the civil-aircraft-mounted CARIBIC−1 measurement platform.rnrnThe systematically underestimated 13CO/12CO ratios of earlier, simplified modelling studies can now be partly explained. The EMAC simulations do not support the inferences of those studies, which suggest for CO a reduced input of the highly depleted in 13C methane oxidation source. In particular, a high average yield of 0.94 CO per reacted methane (CH4) molecule is simulated in the troposphere, to a large extent due to the competition between the deposition and convective transport processes affecting the CH4 to CO reaction chain intermediates. None of the other factors, assumed or disregarded in previous studies, however hypothesised to have the potential in enriching tropospheric CO in 13C, were found significant when explicitly simulated. The inaccurate surface emissions, likely underestimated over East Asia, are responsible for roughly half of the discrepancies between the simulated and observed 13CO in the northern hemisphere (NH), whereas the remote southern hemisphere (SH) compositions suggest an underestimated fractionation during the oxidation of CO by the hydroxyl radical (OH). A reanalysis of the kinetic isotope effect (KIE) in this reaction contrasts the conventional assumption of a mere pressure dependence, and instead suggests an additional temperature dependence of the 13C KIE, which is driven by changes in the partitioning of the reaction exit channels. This result is yet to be confirmed in the laboratory.rnrnApart from 13CO, for the first time the atmospheric distribution of the oxygen mass-independent fractionation (MIF) in CO, Δ17O, has been consistently simulated on the global scale with EMAC. The applicability of Δ17O(CO) observations to unravelling changes in the tropospheric CH4-CO-OH system has been scrutinised, as well as the implications of the ozone (O3) input to the CO isotope oxygen budget. The Δ17O(CO) is confirmed to be the principal signal for the CO photochemical age, thus providing a measure for the OH chiefly involved in the sink of CO. The highly mass-independently fractionated O3 oxygen is estimated to comprise around 2% of the overall tropospheric CO source, which has implications for the δ18O, but less likely for the Δ17O CO budgets. Finally, additional sensitivity simulations with EMAC corroborate the nearly equal net effects of the present-day CH4 and CO burdens in removing tropospheric OH, as well as the large turnover and stability of the abundance of the latter. The simulated CO isotopologues nonetheless hint at a likely insufficient OH regeneration in the NH high latitudes and the upper troposphere / lower stratosphere (UTLS).rn

Plasmon-enhanced dynamic light scattering of gold nanorods in bulk and near a wall

Transportprozesse von anisotropen metallischen Nanopartikeln wie zum Beispiel Gold-Nanostäbchen in komplexen Flüssigkeiten und/oder begrenzten Geometrien spielen eine bedeutende Rolle in einer Vielzahl von biomedizinischen und industriellen Anwendungen. Ein Weg zu einem tiefen, grundlegenden Verständnis von Transportmechanismen ist die Verwendung zweier leistungsstarker Methoden - dynamischer Lichtstreuung (DLS) und resonanzverstärkter Lichtstreuung (REDLS) in der Nähe einer Grenzfläche. In dieser Arbeit wurden nanomolare Suspensionen von Gold-Nanostäbchen, stabilisiert mit Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB), mit DLS sowie in der Nähe einer Grenzfläche mit REDLS untersucht. Mit DLS wurde eine wellenlängenabhängige Verstärkung der anisotropen Streuung beobachtet, welche sich durch die Anregung von longitudinaler Oberflächenplasmonenresonanz ergibt. Die hohe Streuintensität nahe der longitudinalen Oberflächenplasmonenresonanzfrequenz für Stäbchen, welche parallel zum anregenden optischen Feld liegen, erlaubte die Auflösung der translationalen Anisotropie in einem isotropen Medium. Diese wellenlängenabhängige anisotrope Lichtstreuung ermöglicht neue Anwendungen wie etwa die Untersuchung der Dynamik einzelner Partikel in komplexen Umgebungen mittels depolarisierter dynamischer Lichtstreuung. In der Nähe einer Grenzfläche wurde eine starke Verlangsamung der translationalen Diffusion beobachtet. Hingegen zeigte sich für die Rotation zwar eine ausgeprägte aber weniger starke Verlangsamung. Um den möglichen Einfluss von Ladung auf der festen Grenzfläche zu untersuchen, wurde das Metall mit elektrisch neutralem Polymethylmethacrylat (PMMA) beschichtet. In einem weiteren Ansatz wurde das CTAB in der Gold-Nanostäbchen Lösung durch das kovalent gebundene 16-Mercaptohexadecyltrimethylammoniumbromid (MTAB) ersetzt. Daraus ergab sich eine deutlich geringere Verlangsamung.

Analysen zur molekularen Charakterisierung von Proteinen des humanen Usher-Syndroms und Evaluation genbasierter Therapiestrategien

Analysen zur molekularen Charakterisierung von Proteinen des humanen Usher-Syndroms und Evaluation genbasierter Therapiestrategien rnDas humane Usher Syndrom (USH) ist die häufigste Form vererbter Taub-Blindheit. In der vorliegenden Dissertation wurde diese komplexe Erkrankung auf verschiedenen Ebenen analysiert: in Arbeiten zur Expression und Lokalisation von USH-Proteinen, der Analyse der USH-Proteinnetzwerke und deren Funktionen sowie darauf aufbauend die Entwicklung von Therapiestrategien für USH.rnIm Rahmen der Arbeit wurde die Expression und (sub)-zelluläre Lokalisation des USH1D-Genproduktes CDH23 in der Retina und Cochlea analysiert. CDH23-Isoformen werden in der Maus zeitlich und räumlich differentiell exprimiert. In den Retinae von Mäusen, nicht humanen Primaten und Menschen zeigten Analysen eine unterschiedliche Expression und Lokalisation des Zell-Zelladhäsionsmoleküls CDH23, was auf Funktions-unterschiede der einzelnen Isoformen in den analysierten Spezies hindeutet.rnAnalysen zur Aufklärung der USH-Proteinnetzwerke ergaben eine potentielle Interaktion des USH1G-Gerüstproteins SANS mit dem Golgi- und Centrosom-assoziierten Protein Myomegalin. Die direkte Interaktion der Proteine konnte durch unabhängige Experimente verifiziert werden. Beide Interaktionspartner sind in den Retinae verschiedener Spezies partiell ko-lokalisiert und partizipieren im periciliären USH-Proteinnetzwerk. Die Assoziation von SANS und Myomegalin mit dem Mikrotubuli-Cytoskelett weist auf eine Funktion des Proteinkomplexes in gerichteten Transportprozessen innerhalb der Photorezeptoren hin und bekräftigt die Hypothese einer Rolle von SANS und assoziierten Netzwerken mit Transportprozessen.rnDas hier gewonnene erweiterte Verständnis der molekularen Grundlagen sowie die Aufklärung der zellulären Funktion der Proteinnetzwerke ermöglichen die Entwicklung therapeutischer Strategien für USH. Ein Fokus der vorliegenden Arbeit lag auf der Entwicklung genbasierter Therapiestrategien und deren Evaluation, wobei der Schwerpunkt auf der Therapiestrategie der Genreparatur lag. Die mit Hilfe von Zinkfinger-Nukleasen (ZFN) induzierte Homologe Rekombination für die Genkorrektur wurde exemplarisch an der 91C>T/p.R31X-Mutation im USH1C-Gen gezeigt. Effiziente ZFN wurden identifiziert, generiert und erfolgreich im Zellkulturmodellsystem eingesetzt. Die Analysen demonstrierten eine Reparatur der Mutation durch Homologe Rekombination auf genomischer Ebene und die Expression des wiederhergestellten Proteins. Durch die Genkorrektur im endogenen Lokus sind Größe des Gens, Isoformen oder die Art der Mutation keine limitierenden Faktoren für die Therapie. Die in der vorliegenden Arbeit durchgeführten Experimente unterstreichen das enorme Potential ZFN-basierter Therapiestrategien hin zu personalisierten Therapieformen nicht nur für USH sondern auch für andere erbliche Erkrankungen, deren genetische Grundlagen bekannt sind.rn

Quantification of the carbonaceous matter origin in submicron marine aerosol by 13C and 14C isotope analysis

Dual carbon isotope anal. of marine aerosol samples has been performed for the first time demonstrating a potential in org. matter apportionment between three principal sources: marine, terrestrial (non-fossil) and fossil fuel due to unique isotopic signatures. The results presented here, utilizing combinations of dual carbon isotope anal., provides conclusive evidence of a dominant biogenic org. fraction to org. aerosol over biol. active oceans. In particular, the NE Atlantic, which is also subjected to notable anthropogenic influences via pollution transport processes, was found to contain 80 % org. aerosol matter of biogenic origin directly linked to plankton emissions. The remaining carbonaceous aerosol was of terrestrial origin. By contrast, for polluted air advected out from Europe into the NE Atlantic, the source apportionment is 30 % marine biogenic, 40 % fossil fuel, and 30 % continental non-fossil fuel. The dominant marine org. aerosol source in the atm. has significant implications for climate change feedback processes. [on SciFinder(R)]

Nitrogen oxides in the firn air at Summit, Greenland

Measurements of NOx within the snowpack at Summit, Greenland were carried out from June 2008 to July 2010, using a novel system to sample firn air with minimal disruption of the snowpack. These long-term measurements were motivated by the need of improving the representation of air-snow interactions in global models. Results indicated that the NOx budget within the snowpack was on the order of 550 pptv as maximum, and was constituted primarily for NO2. NOx production was observed within the first 50 cm of the snowpack during the sunlight season between February and August. Presence of NOx at larger depths was attributed to high speed wind and vertical transport processes. Production of NO correlated with the seasonal incoming radiation profile, while NO2 maximum was observed in April. These measurements constitute the larger data set of NOx within the firn and will improve the representation of processes driving snow photochemistry at Summit.

Mineralogy-based quantitative precipitation and temperature reconstructions from annually laminated lake sediments (Swiss Alps) since AD 1580

[1] We present quantitative autumn, summer and annual precipitation and summer temperature reconstructions from proglacial annually laminated Lake Silvaplana, eastern Swiss Alps back to AD 1580. We used X-ray diffraction peak intensity ratios of minerals in the sediment layers (quartz qz, plagioclase pl, amphibole am, mica mi) that are diagnostic for different source areas and hydro-meteorological transport processes in the catchment. XRD data were calibrated with meteorological data (AD 1800/1864–1950) and revealed significant correlations: mi/pl with SON precipitation (r = 0.56, p < 0.05) and MJJAS precipitation (r = 0.66, p < 0.01); qz/mi with MJJAS temperature (r = −0.72, p < 0.01)and qz/am with annual precipitation (r = −0.54, p < 0.05). Geological catchment settings and hydro-meteorological processes provide deterministic explanations for the correlations. Our summer temperature reconstruction reproduces the typical features of past climate variability known from independent data sets. The precipitation reconstructions show a LIA climate moister than today. Exceptionally wet periods in our reconstruction coincide with regional glacier advances.

Das Internet der Dinge unter dem Aspekt der Selbststeuerung-Ein Überblick

In den letzten Jahren wurde die Vision einer Welt smarter Alltagsgegenstände unter den Begriffen wie Ubiquitous Computing, Pervasive Computing und Ambient Intelligence in der Öffentlichkeit wahrgenommen. Die smarten Gegenstände sollen mit digitaler Logik, Sensorik und der Möglichkeit zur Vernetzung ausgestattet werden. Somit bilden sie ein „Internet der Dinge“, in dem der Computer als eigenständiges Gerät verschwindet und in den Objekten der physischen Welt aufgeht. Während auf der einen Seite die Vision des „Internet der Dinge“ durch die weiter anhaltenden Fortschritte in der Informatik, Mikroelektronik, Kommunikationstechnik und Materialwissenschaft zumindest aus technischer Sicht wahrscheinlich mittelfristig realisiert werden kann, müssen auf der anderen Seite die damit zusammenhängenden ökonomischen, rechtlichen und sozialen Fragen geklärt werden. Zur Weiterentwicklung und Realisierung der Vision des „Internet der Dinge“ wurde erstmals vom AutoID-Center das EPC-Konzept entwickelt, welches auf globale netzbasierte Informationsstandards setzt und heute von EPCglobal weiterentwickelt und umgesetzt wird. Der EPC erlaubt es, umfassende Produktinformationen über das Internet zur Verfügung zu stellen. Die RFID-Technologie stellt dabei die wichtigste Grundlage des „Internet der Dinge“ dar, da sie die Brücke zwischen der physischen Welt der Produkte und der virtuellen Welt der digitalen Daten schlägt. Die Objekte, die mit RFID-Transpondern ausgestattet sind, können miteinander kommunizieren und beispielsweise ihren Weg durch die Prozesskette finden. So können sie dann mit Hilfe der auf den RFID-Transpondern gespeicherten Informationen Förderanlagen oder sonstige Maschinen ohne menschliches Eingreifen selbstständig steuern.

Vergleich von Softwarelösungen für die Ökobilanzierung – eine softwareergonomische Analyse

Ökobilanzierung von Produktsystemen dient der Abschätzung ihrer Wirkung auf die Umwelt. Eine vollständige Lebenswegbetrachtung erfordert auch die Einbeziehung intralogistischer Transportprozesse bzw. -mittel. Für die Erstellung von Ökobilanzen wird i. d. R. ein Computerprogramm verwendet. Die Demoversionen dreier kommerzieller Softwarelösungen (SimaPro, GaBi und Umberto NXT LCA) und die Vollversion einer Open Source Software (openLCA) wurden aus softwareergonomischer Sicht analysiert. Hierzu erfolgte u. a. der Nachbau der bereitgestellten Tutorials bzw. die Modellierung eigener Produktsysteme. Im Rahmen der Analyse wurden die Punkte • Entstehung, Verbreitung, Zielgruppe, • Eignung der Tutorials, Erlernbarkeit, • Grafische Benutzeroberfläche, Individualisierbarkeit der Software, • Umsetzung der Anforderungen aus den Ökobilanzierungsnormen, • Notwendige Arbeitsschritte zur Erstellung einer Ökobilanz einer vergleichenden Betrachtung unterzogen. Der Beitrag beinhaltet eine Einführung in die wesentlichen Prinzipien der Ökobilanzierung und die Grundsätze der Softwareergonomie. Diese werden zu softwareergonomischen Eigenschaften für Ökobilanzsoftwarelösungen subsumiert. Anschließend werden die Ergebnisse des Softwarevergleiches dargestellt. Abschließend erfolgt eine Zusammenfassung der Erkenntnisse.

Adaptive Materialbereitstellung in flexiblen Produktionssystemen auf Grundlage einer agentenbasierten Transportsteuerung

Zur Sicherstellung einer schnellen und flexiblen Anpassung an sich ändernde Anforderungen sind innerbetriebliche Materialbereitstellungskonzepte in immer stärkerem Maße zu flexibilisieren. Hierdurch kann die Erreichung logistischer Ziele in einem dynamischen Produktionsumfeld gesteigert werden. Der Beitrag stellt ein Konzept für eine adaptive Materialbereitstellung in flexiblen Produktionssystemen auf Grundlage einer agentenbasierten Transportplanung und -steuerung vor. Der Fokus liegt hierbei auf der Planung und Steuerung der auf Basis von Materialbedarfsmeldungen ausgelösten innerbetrieblichen Transporte. Neben Pendeltouren zur Versorgung des Produktionssystems findet auch das dynamische Pickup-and-Delivery-Problem Berücksichtigung. Das vorgestellte Konzept ist an den Anforderungen selbstorganisierender Produktionsprozesse ausgerichtet.

Quantitative high-resolution warm season rainfall recorded in varved sediments of Lake Oeschinen, northern Swiss Alps: calibration and validation AD 1901–2008

High-resolution, well-calibrated records of lake sediments are critically important for quantitative climate reconstructions, but they remain a methodological and analytical challenge. While several comprehensive paleotemperature reconstructions have been developed across Europe, only a few quantitative high-resolution studies exist for precipitation. Here we present a calibration and verification study of lithoclastic sediment proxies from proglacial Lake Oeschinen (46°30′N, 7°44′E, 1,580 m a.s.l., north–west Swiss Alps) that are sensitive to rainfall for the period AD 1901–2008. We collected two sediment cores, one in 2007 and another in 2011. The sediments are characterized by two facies: (A) mm-laminated clastic varves and (B) turbidites. The annual character of the laminae couplets was confirmed by radiometric dating (210Pb, 137Cs) and independent flood-layer chronomarkers. Individual varves consist of a dark sand-size spring-summer layer enriched in siliciclastic minerals and a lighter clay-size calcite-rich winter layer. Three subtypes of varves are distinguished: Type I with a 1–1.5 mm fining upward sequence; Type II with a distinct fine-sand base up to 3 mm thick; and Type III containing multiple internal microlaminae caused by individual summer rainstorm deposits. Delta-fan surface samples and sediment trap data fingerprint different sediment source areas and transport processes from the watershed and confirm the instant response of sediment flux to rainfall and erosion. Based on a highly accurate, precise and reproducible chronology, we demonstrate that sediment accumulation (varve thickness) is a quantitative predictor for cumulative boreal alpine spring (May–June) and spring/summer (May–August) rainfall (rMJ = 0.71, rMJJA = 0.60, p < 0.01). Bootstrap-based verification of the calibration model reveals a root mean squared error of prediction (RMSEPMJ = 32.7 mm, RMSEPMJJA = 57.8 mm) which is on the order of 10–13 % of mean MJ and MJJA cumulative precipitation, respectively. These results highlight the potential of the Lake Oeschinen sediments for high-resolution reconstructions of past rainfall conditions in the northern Swiss Alps, central and eastern France and south-west Germany.

The influence of bedrock orientation on the landscape evolution, surface morphology and denudation (10Be) at the Niesen, Switzerland

Landscape evolution and surface morphology in mountainous settings are a function of the relative importance between sediment transport processes acting on hillslopes and in channels, modulated by climate variables. The Niesen nappe in the Swiss Penninic Prealps presents a unique setting in which opposite facing flanks host basins underlain by identical lithologies, but contrasting litho-tectonic architectures where lithologies either dip parallel to the topographic slope or in the opposite direction (i.e. dip slope and non-dip slope). The north-western facing Diemtigen flank represents such a dip slope situation and is characterized by a gentle topography, low hillslope gradients, poorly dissected channels, and it hosts large landslides. In contrast, the south-eastern facing Frutigen side can be described as non-dip slope flank with deeply incised bedrock channels, high mean hillslope gradients and high relief topography. Results from morphometric analysis reveal that noticeable differences in morphometric parameters can be related to the contrasts in the relative importance of the internal hillslope-channel system between both valley flanks. While the contrasting dip-orientations of the underlying flysch bedrock has promoted hillslope and channelized processes to contrasting extents and particularly the occurrence of large landslides on the dip slope flank, the flank averaged beryllium-10 (10Be)-derived denudation rates are very similar and range between 0.20 and 0.26 mm yr−1. In addition, our denudation rates offer no direct relationship to basin's slope, area, steepness or concavity index, but reveal a positive correlation to mean basin elevation that we interpret as having been controlled by climatically driven factors such as frost-induced processes and orographic precipitation. Our findings illustrate that while the landscape properties in this part of the northern Alpine border can mainly be related to the tectonic architecture of the underlying bedrock, the denudation rates have a strong orographic control through elevation dependent mean annual temperature and precipitation.

Clathrin heavy chain plays multiple roles in polarizing the Drosophila oocyte downstream of Bic-D

Bicaudal-D (Bic-D), Egalitarian (Egl), microtubules and their motors form a transport machinery that localizes a remarkable diversity of mRNAs to specific cellular regions during oogenesis and embryogenesis. Bic-D family proteins also promote dynein-dependent transport of Golgi vesicles, lipid droplets, synaptic vesicles and nuclei. However, the transport of these different cargoes is still poorly understood. We searched for novel proteins that either mediate Bic-Ddependent transport processes or are transported by them. Clathrin heavy chain (Chc) co-immunopurifies with Bic-D in embryos and ovaries, and a fraction of Chc colocalizes with Bic-D. Both proteins control posterior patterning of the Drosophila oocyte and endocytosis. Although the role of Chc in endocytosis is well established, our results show that Bic-D is also needed for the elevated endocytic activity at the posterior of the oocyte. Apart fromaffecting endocytosis indirectly by its role in osk mRNA localization, Bic-D is also required to transport Chc mRNA into the oocyte and for transport and proper localization of Chc protein to the oocyte cortex, pointing to an additional,more direct role of Bic-D in the endocytic pathway. Furthermore, similar to Bic-D, Chc also contributes to proper localization of osk mRNA and to oocyte growth. However, in contrast to other endocytic components and factors of the endocytic recycling pathway, such as Rabenosyn-5 (Rbsn-5) and Rab11, Chc is needed during early stages of oogenesis (from stage 6 onwards) to localize oskmRNA correctly.Moreover,we also uncovered a novel, presumably endocytosis-independent, role of Chc in the establishment of microtubule polarity in stage 6 oocytes.

Resolving diffusion in clay minerals at different time scales: Combination of experimental and modeling approaches

Since no single experimental or modeling technique provides data that allow a description of transport processes in clays and clay minerals at all relevant scales, several complementary approaches have to be combined to understand and explain the interplay between transport relevant phenomena. In this paper molecular dynamics simulations (MD) were used to investigate the mobility of water in the interlayer of montmorillonite (Mt), and to estimate the influence of mineral surfaces and interlayer ions on the water diffusion. Random Walk (RW) simulations based on a simplified representation of pore space in Mt were used to estimate and understand the effect of the arrangement of Mt particles on the meso- to macroscopic diffusivity of water. These theoretical calculations were complemented with quasielastic neutron scattering (QENS) measurements of aqueous diffusion in Mt with two pseudo-layers of water performed at four significantly different energy resolutions (i.e. observation times). The size of the interlayer and the size of Mt particles are two characteristic dimensions which determine the time dependent behavior of water diffusion in Mt. MD simulations show that at very short time scales water dynamics has the characteristic features of an oscillatory motion in the cage formed by neighbors in the first coordination shell. At longer time scales, the interaction of water with the surface determines the water dynamics, and the effect of confinement on the overall water mobility within the interlayer becomes evident. At time scales corresponding to an average water displacement equivalent to the average size of Mt particles, the effects of tortuosity are observed in the meso- to macroscopic pore scale simulations. Consistent with the picture obtained in the simulations, the QENS data can be described using a (local) 3D diffusion at short observation times, whereas at sufficiently long observation times a 2D diffusive motion is clearly observed. The effects of tortuosity measured in macroscopic tracer diffusion experiments are in qualitative agreement with RW simulations. By using experimental data to calibrate molecular and mesoscopic theoretical models, a consistent description of water mobility in clay minerals from the molecular to the macroscopic scale can be achieved. In turn, simulations help in choosing optimal conditions for the experimental measurements and the data interpretation. (C) 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.