Derivate des Ionentransporters Valinomycin

In der vorliegenden Arbeit wurden Derivate des Ionentransporters Valinomycin synthetisiert und als Sensorelemente in Modellmembransysteme inkorporiert. Als Modellmembranen wurden festkörpergestützte Lipiddoppelschichten (tBLMs, tethered bilayer lipid membranes) verwendet. rnValinomycin transportiert selektiv Kalium-Ionen durch Membranen, was durch einen Rückgang des Widerstandes über elektrochemische Messmethoden nachgewiesen werden kann. Es ist ein zyklisches Dodecadepsipeptid, das aus zwei verschiedenen Aminosäuren (L- und D-Valin) und  Hydroxysäuren (L Milchsäure und D Hydroxyisovaleriansäure) besteht. In dieser Arbeit wurde ein L Valin durch ein L-Lysin ausgetauscht, um eine freie Aminogruppe zum Anbinden verschiedenster Liganden zu erhalten. rnDie Synthese erfolgte in Lösung über einen linearen Decadepsipeptid-Precursor, hierbei wurde hauptsächlich mit Benzyl- und Boc-Schutzgruppen gearbeitet. An den Precursor wurden dann unterschiedlich modifizierte Lysin-Didepside gebunden und das daraus erhaltene lineare Dodecadepsipeptid zyklisiert.rnInsgesamt wurden sechs verschiedene Derivate synthetisiert, deren Ionentransportfähigkeit mit Hilfe eines angebundenen Liganden blockiert wurde. Diese Blockade kann entweder mechanisch durch Festhalten des Ionencarriers an der Oberfläche der Membran oder chemisch durch Einbringen einer Ladung erfolgen, da geladene Moleküle eine Membran nicht überwinden können. rnAcetyl-Lysin-Valinomycin wurde als Testsystem hergestellt, um zu zeigen, dass die Synthese einen funktionsfähigen Ionencarrier ergeben hatte. Im nächsten Schritt wurde Lysin-Valinomycin mit freier Aminogruppe synthetisiert, um es als pH-Sensor zu nutzen und damit zu überprüfen, ob das chemische Einbringen einer Ladung möglich ist. Es konnte ein pH abhängiger Kalium-Transport nachgewiesen werden, die Blockade der Ionentransportfähigkeit über eine eingebrachte Ladung ist somit möglich. rnAuf dem gleichen Konzept beruht Ferrocen-Valinomycin. Wird der Ferrocen-Ligand oxidiert, liegt eine positive Ladung vor und der Ionencarrier kann die Membran nicht mehr überwinden. Eine Reduktion macht diesen Prozess reversibel. Ferrocen-Valinomycin konnte innerhalb einer tBLM chemisch oxidiert und reduziert werden, dieses System kann somit als chemischer Redox-Sensor eingesetzt werden.rnEine mechanische Blockade liegt dem Biotin- und dem Sulfonamid-Valinomycin zugrunde. Dabei soll die Zugabe von Streptavidin bzw. BCA II (bovine Carboanhydrase) den Ionentransport durch die Membran stoppen. Beide Valinomycin-Derivate zeigten aber keine Ionentransportfähigkeit, eine Inkorporation in tBLMs konnte jedoch über SPR gezeigt werden. rnDie Synthese eines fluoreszenz-markierten (FITC) Valinomycins ergab zwar auch keinen transportfähigen Ionencarrier, aber mit diesem Derivat konnte der Diffusionskoeffizient von Valinomycin in sBLMs mit Hilfe von Fluorescence Recovery after photobleaching (FRAP) bestimmt werden.rn

Electrostatic supramolecular assembly of charged dendritic polymers and their biological application

The aim of this study was the development of functional multilayer films through electrostatic layer by layer (LbL) assembly of dendritic macromolecules, the investigation of the fundamental properties of these multilalyered films and the study of their biological applications. rnThe synthesis of the anionic hyperbranched polyglycerols (hbPG) and the preparation of multilayers made of hbPG/phosphorus dendrimer as well as the influences of deposition conditions on multilayers were reported. The thicknesses of multilayer films increase with a decrease of molecular weight of anionic hbPGs. The multilayer films fabricated by low molecular weight hbPGs grow less regularly due to the less charged carboxylic acid groups providing the relative weaker electrostatic forces for the deposition. The thicknesses of multilayer films are reduced with increasing pH values and decreasing the concentration of NaCl. The observed changes of multilayer thickness and surface morphology could be interpreted with the aid of theories regarding the charge density and conformation of the anionic hbPG chains in solution. rnBesides the study of fundamental properties of hbPG/phosphorus multilayer films, antifouling thin films derived from hbPG layers were developed. The antifouling properties of hbPG layers were found to correlate with factors of the molecular weight of anionic hbPG and the film thickness. It was demonstrated that anionic hbPG single layer with highest molecular weight can reduce non specific protein adsorption more efficiently than single layer with lower molecular weight and all the hbPG bilayers possessed excellent property of antifouling. rnPhosphorus dendrimer multilayers were successfully prepared as the platforms to detect DNA immobilization and hybridization. The effect of NaCl concentration on the multilayer film thickness was evaluated to obtain the optimized film thickness. Making use of the multilayer deposited at the optimized condition as a substrate, a high loading of DNA probes was achieved through covalent coupling of probe DNA with the as-formed multilayer films. The hybridization of target DNA with immobilized probe DNA was then carried out and studied by SPFS. The limit of detection upon hybridization was estimated on various dendrimer multilayer platforms. The minimum detection concentration for DNA hybridization is in the same order of magnitude compared with other neutral phosphorus dendrimer systems. Furthermore, the LbL deposition of phosphorus dendrimer multilayers provided a mild and simple way to prepare platforms as DNA microarrays. rnBased on the phosphorus dendrimer multilayer systems, dendritic star polymers were employed which have more reactive groups than that phosphorus dendrimers. The as-assembled dendritic star polymer multilayer films exhibited such distinct morphology characteristics that they underwent extensive structural reorganization upon post-treatment under different pH conditions. Kinetic binding of probe DNA molecules on the outermost negatively charged dendritic surface was studied by SPR as well. The binding capacities of probe DNA on the multilayer surfaces fabricated from the first-generation and the second-generation of dendritic star polymers were compared. The improved binding capacity was achieved from the second-generation of dendritic star polymer multilayer films due to their more reactive groups. DNA hybridization reaction on dendritic multilayer films was investigated by SPFS. The similar hybridization behaviors were found on both multilayer surfaces. Meanwhile, the hybridization kinetic affinities were compared with that of phosphorus dendrimer multilayer surfaces and showed improved detection sensitivity than phosphorus dendrimer multilayer films.rn

Detektion und Synthese eines liganden-gesteuerten Ionenkanals im mikrofluidischen Analysesystem

Membranproteine spielen eine wichtige Rolle bei physiologischen Prozessen wie Signalweiterleitung oder Immunreaktion. Deshalb stehen sie im Fokus der pharmakologischen Wirkstoffentwicklung und es besteht großes Interesse, Membranproteinbasierte Biosensoren zu entwickeln, die sich z.B. als Screening-Plattformen eignen. Allerdings stellt die Handhabung von Membranproteinen wegen ihrer amphiphilen Struktur eine große Herausforderung dar. Membranproteine werden meist in Zellkultur oder in bakteriellen Expressionssystemen synthetisiert. Diese Verfahren liefern aber oft nur eine geringe Ausbeute und erlauben wenig Kontrolle über die Expressionsbedingungen. Als alternativer Ansatz bietet sich stattdessen die in vitro Synthese von Proteinen an, die in einer zellfreien Umgebung stattfindet. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Etablierung eines miniaturisierten Analysesystems, das Aktivitätsmessungen an in vitro synthetisierten Ionenkanälen erlaubt. Dafür wurde ein Labon- Chip entwickelt, der elektrochemische und optische Nachweismethoden in parallelen Anätzen ermöglicht. Als amphiphile Umgebung für die Inkorporation von Membranproteinen wurden vier verschieden biomimetische Membranaufbauten hinsichtlich ihrer Dichtigkeit und ihrer Reproduzierbarkeit untersucht. Als Methode fanden insbesondere die Impedanzspektroskpie und die Oberflächenplasmonen-Resonanzspektroskopie Anwendung. Die peptide cushioned Bilyer Lipid Membranes (pcBLM) eignete sich dabei am besten für Untersuchungen an Membranproteinen. Zur Detektion der Ionenkanalaktivität wurde eine neue Messmethode etabliert, die auf der Messung der Impedanz bei fester Frequenz basiert und u.a. eine Aussage über die Änderung des Membranwiderstandes bei Aktivierung erlaubt. Am Beispiel des nicotinischen Acetylcholinrezeptors (nAchR) konnte gezeigt werden, dass sich die Aktivität von Ionenkanälen mit dem entwickelten Chip-System nachweisen ließ. Die Spezifität der Methode konnte durch verschiedene Kontrollen wie die Zugabe eines nicht-aktivierenden Liganden oder Inhibition des Rezeptors nachgewiesen werden. Weiterhin konnte die in vitro Synthese des Ionenkanals a7 nAchR durch Radioaktivmarkierung nachgewiesen werden. Die Inkorporation des Rezeptors in die biomimetischen Membranen wurde mit Immunodetektion und elektrochemischen Methoden untersucht. Es zeigte sich, dass die funktionelle Inkorporation des a7 nAchR davon abhing, welcher biomimetische Membranaufbau verwendet wurde.

Identification and dissolution behavior of the secondary uranium minerals in the corrosion products of Depleted Uranium (DU) ammunition formed in soils

In der vorliegenden Studie wurden verschiedene Techniken eingesetzt um drei Proben (4, 7, and 8) die aus denrnKorrosionsprodukten von aus dem Kosovo Krieg stammenden Munitionskugeln, bestehend aus abgereichertem Uranrn(Depleted Uranium - DU), zu untersuchen. Als erstes Verfahren wurde die Raman-Spektroskopie eingesetzt. Hierbeirnzeigte sichin den Proben, charakterisiert durch einen Doppelpeak, die Anwesenheit von Schoepitrn(UO2)8O2(OH)12(H2O)12. Der erste und zweite Peakzeigte sich im Spektralbereich von 840,3-842,5 cm-1rnbeziehungsweise 853,6-855,8 cm-1. Diese Werte stimmen mit den Literaturwerten für Raman-Peaks für Schoepitrnüberein. Des Weiteren wurde bei dieser Untersuchungsmethode Becquerelite Ca(UO2)6O4(OH)6(H2O)8 mit einemrnPeak im Bereich zwischen 829 to 836 cm-1 gefunden. Aufgrund des Fehlens des Becquerelitespektrums in derrnSpektralbibliothek wurde eine in der Natur vorkommende Variante analysiert und deren Peak bei 829 cm-1 bestimmt,rnwas mit den Ergebnissen in den Proben korrespondiert. Mittels Röntgenbeugung (X-Ray Diffraction, XRD) zeigtenrnsich in allen Proben ähnliche Spektren. Das lässt darauf schließen, dass das pulverisierte Material in allen Probenrndas gleiche ist. Hierbei zeigte sich eine sehr gute Übereinstimmung mit Schoepit und/oder meta-rnSchoepit(UO2)8O2(OH)12(H2O)10, sowie Becquerelite. Weiterhin war weder Autunit, Sabugalit noch Uranylphosphatrnanwesend, was die Ergebnisse einer anderen Studie, durchgeführt an denselben Proben, wiederlegt. DiernAnwesenheit von P, C oder Ca im Probenmaterial konnte ausgeschlossen werden. Im Falle von Calciumkann diesrnmit der Anwesenheit von Uran erklärt werden, welches aufgrund seines Atomradius bevorzugt in Becquerelite (1:6)rneingebaut wird. Die beiden Hauptpeaks für Uran lagen im Falle von U 4f 7/2 bei 382.0 eV und im Falle von U 4f 5/2rnbei 392 eV. Diese Werte mit den Literaturwerten für Schoepit und meta-Schoepitüberein. Die Ergebnissernelektronenmikroskopischen Untersuchung zeigen U, O, Ca, Ti als dominante Komponenten in allen Messungen.rnElemente wie Si, Al, Fe, S, Na, und C wurden ebenfalls detektiert; allerdings kann nicht ausgeschlossen werden,rndass diese Elemente aus dem Boden in der unmittelbaren Umgebung der Munitionsgeschosse stammen. Gold wurdernebenfalls gemessen, was aber auf die Goldarmierung in den Probenaufbereitungsbehältern zurückgeführt werdenrnkann. Die Elektronenmikroskopie zeigte außerdem einige Stellen in denen elementares Uran und Bodenmineralernsowie sekundäre Uranminerale auftraten. Die Elementübersicht zeigt einen direkten Zusammenhang zwischen U andrnCa und gleichzeitig keine Korrelation zwischen U und Si, oder Mg. Auf der anderen Seite zeigte sich aber einrnZusammenhang zwischen Si und Al da beide Konstituenten von Bodenmineralen darstellen. Eine mit Hilfe derrnElektronenstrahlmikroanalyse durchgeführte quantitative Analyse zeigte den Massenanteil von Uran bei ca. 78 - 80%,rnwas mit den 78,2% and 79,47% für Becquerelite beziehungsweise Schoepit aufgrund ihrer Summenformelrnkorrespondiert. Zusätzlich zeigt sich für Calcium ein Massenanteil von 2% was mit dem Wert in Becquerelite (2.19%)rnrecht gut übereinstimmt. Der Massenanteil von Ti lag in einigen Fällen bei 0,77%, was auf eine noch nicht korrodierternDU-Legierung zurückzuführen ist. Ein Lösungsexperiment wurde weiterhin durchgeführt, wobei eine 0,01 M NaClO4-rnLösung zum Einsatz kam in der die verbliebene Probensubstanz der Korrosionsprodukte gelöst wurde;rnNatriumperchlorate wurde hierbei genutzt um die Ionenstärke bei 0,01 zu halten. Um Verunreinigungen durchrnatmosphärisches CO2 zu vermeiden wurden die im Versuch für die drei Hauptproben genutzten 15 Probenbehälterrnmit Stickstoffgas gespült. Eine Modelkalkulation für den beschriebenen Versuchsaufbau wurde mit Visual MINTEQrnv.3.0 für die mittels vorgenannten Analysemethoden beschriebenen Mineralphasen im pH-Bereich von 6 – 10 imrnFalle von Becquerelite, und Schoepit berechnet. Die modellierten Lösungskurven wurden unter An- und Abwesenheitrnvon atmosphärischem CO2 kalkuliert. Nach dem Ende des Lösungsexperiments (Dauer ca. 6 Monate) zeigten diernKonzentrationen des gelösten Urans, gemessen mittels ICP-OES, gute Übereinstimmung mit den modelliertenrnSchoepit und Becquerelite Kurven. Auf Grund des ähnlichen Löslichkeitverhaltens war es nicht möglich zwichen denrnbeiden Mineralen zu unterscheiden. Schoepit kontrolliert im sauren Bereich die Löslichkeit des Urans, währendrnbecquerelit im basichen am wenigsten gelöst wird. Des Weiteren bleibt festzuhalten, dass ein Anteil an CO2 in diernverschlossenen Probenbehälter eingedrungen ist, was sich mit der Vorhersage der Modeldaten deckt. Die Löslichkeitrnvon Uran in der Lösung als Funktion des pH-Wertes zeigte die niedrigsten Konzentrationen im Falle einer Zunahmerndes pH-Wertes von 5 auf 7 (ungefähr 5,1 x 10-6 mol/l) und einer Zunahme des pH-Wertes auf 8 (ungefähr 1,5 x 10-6rnmol/l bei). Oberhalb dieses Bereichs resultiert jeder weitere Anstieg des pH-Wertes in einer Zunahme gelösten Uransrnin der Lösung. Der ph-Wert der Lösung wie auch deren pCO2-Wert kontrollieren hier die Menge des gelösten Urans.rnAuf der anderen Seite zeigten im Falle von Becquerelite die Ca-Konzentrationen höhere Werte als erwartet, wobeirnwahrscheinlich auf eine Vermischung der Proben mit Bodensubstanz zurückgeführt werden kann. Abschließendrnwurde, unter Berücksichtigung der oben genannten Ergebnisse, eine Fallstudie aus Basrah (Irak) diskutiert, wo inrnzwei militärischen Konflikten Uranmunition in zwei Regionen unter verschiedenen Umweltbedingungen eingesetztrnwurden.

Charakterisierung antiker Keramik und ihrer Herstellungstechniken mit mineralogischen Methoden am Beispiel Mayener Gebrauchskeramik

Mehr als hundert Jahre archäologischer Forschung haben gezeigt, dass in Mayen in römischer und mittelalterlicher Zeit eines der wichtigsten europäischen Produktionszentren für die Herstellung qualitätsvoller Gebrauchskeramik bestand. Im Rahmen dieser Studie wurden vier Befundkomplexe aus Töpfereisiedlungen vom 4. bis in das 14. Jahrhundert untersucht. Genauer handelt es sich um Keramik aus zwei spätantiken Brennanlagen des 4. Jahrhunderts im Bereich der Flur „Auf der Eich“ an den Straßen „Am Sonnenhang“ und „Frankenstraße“. Weiterhin konnte Material aus zwei Töpferofenfüllungen des 5. bis 9. Jahrhunderts analysiert werden, das 1975 auf dem Grundstück 55 an der „Siegfriedstraße“ in Brennanlagen entdeckt wurde. Hinzu kam Brenngut aus elf Töpferöfen des späten 8. bis 14. Jahrhunderts, welches in den so genannten „Burggärten“ der Genovevaburg von Mayen in den Jahren 1986/87 durch die archäologische Denkmalpflege in Koblenz geborgen wurde. Die mineralogischen Untersuchungen zur Charakterisierung der „Mayener Keramik“ wurden systematisch an den Keramikmaterialien aus diesen Fundstellen durchgeführt. Mittelalterliche Keramik aus Bornheim-Walberberg, Brühl-Eckdorf, Höhr-Grenzhausen, Langerwehe, Frechen, Brühl-Pingsdorf, Paffrath, Raeren, Ratingen-Breitscheid, Siegburg-Seehofstraße, Siegburg-Scherbenhügel, Fredelsloh und Brühl-Badorf konnte für diese Arbeit als Referenzmaterialien ebenfalls untersucht werden. Provenienzanalysen wurden an Keramikproben aus 27 Fundorten, die makroskopisch nach Mayener Ware aussehen, mit mineralogischen Methoden durchgeführt, um sie der Fundregion Mayen eindeutig zuordnen zu können.rnPhasenanalyse, chemische Analyse und thermische Analyse wurden an Keramik sowie Ton durchgeführt. Die Phasenanalyse wurde zur Bestimmung der mineralischen Zusammensetzung von Grundmasse und Magerungsmittel (Röntgendiffraktometrie (XRD), Polarisationsmikroskop, Mikro-Raman-Spektroskopie) verwendet. Die chemische Zusammensetzung wurde durch Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) ermittelt. Elektronenstrahlmikroanalyse (ESMA) und Laser-Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (LA-ICP-MS) wurden bei den Proben, bei denen weniger als 2g Material zur Verfügung standen, eingesetzt. Brennexperimente wurden am originalen Rohstoff der Keramik aus den „Burggärten“ der Genovevaburg durchgeführt. Gebrannter Ton wurde durch Röntgendiffraktometrie (XRD), Infrarotspektroskopie (IR) und Differential-Thermoanalyse (DTA) analysiert. rnAnhand der Messergebnisse lässt sich die Mayener Keramik aus den vier Fundplätzen in zwei Typen zusammenzufassen: der mit Feldspat-reichem Sand gemagerte römische Typ und der mit Quarz-reichem Sand gemagerte mittelalterliche Typ. Die Änderung des Magerungsmittels von Feldspat- zu Quarzsand weist eine technische Entwicklung zu höheren Brenntemperaturen von der Römerzeit bis in das Mittelalter nach. Nach der Untersuchung und dem Vergleich mit den Referenzkeramikgruppen ist festzustellen, dass durch multivariate Statistikanalysen der chemischen Komponenten die Charakterisierung der Keramik und eine Differenzierung zwischen den Keramikgruppen gelingt. Diese Erkenntnisse bildeten die Basis für Provenienzanalysen. 16 Fundorte können durch Provenienzanalyse sicher als Exportregionen der Mayener Ware festgestellt werden. Gemäß den Brennexperimenten lassen sich die chemischen Reaktionen während des Brandprozesses nachvollziehen. Zwei Methoden wurden mittels Röntgendiffraktometrie (XRD) und Differential-Thermoanalyse (DTA) zur Bestimmung der Brenntemperaturen der Keramik modelliert. Die Töpferöfen der „Burggärten“ können nach der Brenntemperatur in zwei Typen zusammengefasst werden: solche mit einer Brenntemperatur unter 1050°C und solche mit einer Brenntemperatur über 1050°C.rn

Synthese und Testung potentieller Elongin-C-Antagonisten als neuartige HIV-Therapeutika

Weltweit sind über 34 Millionen Menschen mit dem HI-Virus infiziert. Da die Behandlung mit der HAART-Therapie aufgrund der hohen Mutationsrate des Virus oft fehlschlägt, ist die stetige Forschung an neuen, verbesserten Wirkstoffen zwingend nötig. Mit einem neuartigen Therapieansatz, der die Aufrechterhaltung des menschlichen antiretroviralen Schutz-mechanismus durch Hemmung des APOBEC3G-Abbaus zum Ziel hat, existiert eine neue Möglichkeit zur Bekämpfung der Infektion. Im Gegensatz zu den HAART-Virustatika soll hier das menschliche Immunsystem aufrechterhalten werden, sodass es die Abwehr des Virus selbst übernehmen kann. Der durch das Virus induzierte Abbau von APOBEC3G ist gekoppelt an die Bildung eines Komplexes aus mehreren Proteinen, darunter das virale Protein vif (viral infectivity factor) und das humane Protein Elongin–C. Wird eine der Interaktionen dieser Komplexbildung gehemmt, so kann APOBEC3G nicht mehr abgebaut werden und der humane Schutzmechanismus bleibt aufrechterhalten.rnDie vorliegende Arbeit widmete sich in diesem Zusammenhang der Suche nach Inhibitoren der vif-Elongin–C-Interaktion. Nach Dockingstudien wurden potentielle Kandidaten synthetisiert und anschließend zunächst mit Hilfe der Mikrokalorimetrie (ITC) und der Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) auf ihre Affinität zu rekombinant exprimiertem Elongin–C getestet. Zusätzlich wurde ein auf der Mikroskalierten Thermo-phorese (MST) basierender Bindungsassay etabliert, und die Substanzen auch mit dieser Methode getestet. Während die Bindung in diesen Assays nicht eindeutig nachgewiesen werden konnte, zeigte sich eine Substanz in In-vitro-Tests auf Hemmung der APOBEC3G- und vif-abhängigen Virusreplikation als sehr vielversprechend. Auch wenn der genaue molekulare Wirkort in weiteren Tests erst noch ermittelt werden muss, stellt diese Molekülstruktur aufgrund der bisherigen Testergebnisse bereits eine vielversprechende Basis für weitere Derivatisierungen dar.rn

Zur Darstellung und Interpretation archäologischer und geowissenschaftlicher Untersuchungen anhand einer Auswahl römischer Gebrauchskeramik aus dem Limeskastell Saalburg

Die vorliegende Arbeit gliedert sich in drei Kapitel. Das erste Kapitel umfasst dabei die Darstellung von Methoden, die zum gegenwärtigen Zeitpunkt unter anderem in der provinzialrömischen Archäologie zur Untersuchung von Gefäßkeramik üblich sind, wobei die Einzelergebnisse des im Rahmen dieser Arbeit untersuchten gebrauchskeramischen Materials (Randfragmente) der Saalburg (bei Bad Homburg) am Ende des Kapitels zusammengefasst werden. Im zweiten Kapitel werden anhand des gleichen Materials einige naturwissenschaftliche Methoden dargestellt, die zur Materialanalyse sowohl in den Geowissenschaften (Materialwissenschaft), als auch in der Archäometrie häufig Anwendung finden und deren Ergebnisse am Ende des Kapitels zusammengefasst. In einer Gesamtbetrachtung (drittes Kapitel) werden schließlich diese hinsichtlich ihrer Aussagekraft in archäologischem Kontext evaluiert. Neben der im Anhang festgehaltenen Original-dokumentation der Dünnschliff-Untersuchungen (Ramanspektroskopie, „RS“), werden im Abbildungsteil die Kopien der Originaldaten aus der Röntgendiffraktometrie („XRD“) und der Röntgenfluoreszenzanalyse („RFA“, chemische Analyse), Abbildungen einiger Festkörper, als auch Zeichnungen, Photos und Dünnschliffe der Randfragmente aufgeführt. Während die Darstellung der angewandten Methoden einer Verständniserleichterung vor allem der komplexen chemisch-physikalischen Zusammenhänge dienen soll - nicht zuletzt auch, um die künftige Methodenwahl zu optimieren - soll mittels der Evaluation, vor allem für die Keramikforschung, die Entwicklung neuer Forschungsmethoden unterstützt werden. Aus dem Vergleich der Ergebnisse beider Kapitel erhebt sich nicht allein für die Keramikforschung die Frage, inwieweit die Anwendungen bestimmter Untersuchungen überhaupt sinnvoll sind, wenn sie nicht nur der Bestätigung dienen sollen, sondern welche Konsequenzen daraus auch für die Untersuchung anderer historisch-kultureller Materialgruppen resultieren könnten.

Phosphocreatine interacts with phospholipids, affects membrane properties and exerts membrane-protective effects

A broad spectrum of beneficial effects has been ascribed to creatine (Cr), phosphocreatine (PCr) and their cyclic analogues cyclo-(cCr) and phospho-cyclocreatine (PcCr). Cr is widely used as nutritional supplement in sports and increasingly also as adjuvant treatment for pathologies such as myopathies and a plethora of neurodegenerative diseases. Additionally, Cr and its cyclic analogues have been proposed for anti-cancer treatment. The mechanisms involved in these pleiotropic effects are still controversial and far from being understood. The reversible conversion of Cr and ATP into PCr and ADP by creatine kinase, generating highly diffusible PCr energy reserves, is certainly an important element. However, some protective effects of Cr and analogues cannot be satisfactorily explained solely by effects on the cellular energy state. Here we used mainly liposome model systems to provide evidence for interaction of PCr and PcCr with different zwitterionic phospholipids by applying four independent, complementary biochemical and biophysical assays: (i) chemical binding assay, (ii) surface plasmon resonance spectroscopy (SPR), (iii) solid-state (31)P-NMR, and (iv) differential scanning calorimetry (DSC). SPR revealed low affinity PCr/phospholipid interaction that additionally induced changes in liposome shape as indicated by NMR and SPR. Additionally, DSC revealed evidence for membrane packing effects by PCr, as seen by altered lipid phase transition. Finally, PCr efficiently protected against membrane permeabilization in two different model systems: liposome-permeabilization by the membrane-active peptide melittin, and erythrocyte hemolysis by the oxidative drug doxorubicin, hypoosmotic stress or the mild detergent saponin. These findings suggest a new molecular basis for non-energy related functions of PCr and its cyclic analogue. PCr/phospholipid interaction and alteration of membrane structure may not only protect cellular membranes against various insults, but could have more general implications for many physiological membrane-related functions that are relevant for health and disease.

Collagen XII interacts with avian tenascin-X through its NC3 domain

Large oligomeric proteins often contain several binding sites for different molecules and can therefore induce formation of larger protein complexes. Collagen XII, a multidomain protein with a small collagenous region, interacts with fibrillar collagens through its C-terminal region. However, no interactions to other extracellular proteins have been identified involving the non-collagenous N-terminal NC3 domain. To further elucidate the components of protein complexes present close to collagen fibrils, different extracellular matrix proteins were tested for interaction in a solid phase assay. Binding to the NC3 domain of collagen XII was found for the avian homologue of tenascin-X that in humans is linked to Ehlers-Danlos disease. The binding was further characterized by surface plasmon resonance spectroscopy and supported by immunohistochemical co-localization in chick and mouse tissue. On the ultrastructural level, detection of collagen XII and tenascin-X by immunogold labeling confirmed this finding.

A Data-Analytic Strategy for Protein-Biomarker Discovery: Profiling of High-Dimensional Proteomic Data for Cancer Detection

With recent advances in mass spectrometry techniques, it is now possible to investigate proteins over a wide range of molecular weights in small biological specimens. This advance has generated data-analytic challenges in proteomics, similar to those created by microarray technologies in genetics, namely, discovery of "signature" protein profiles specific to each pathologic state (e.g., normal vs. cancer) or differential profiles between experimental conditions (e.g., treated by a drug of interest vs. untreated) from high-dimensional data. We propose a data analytic strategy for discovering protein biomarkers based on such high-dimensional mass-spectrometry data. A real biomarker-discovery project on prostate cancer is taken as a concrete example throughout the paper: the project aims to identify proteins in serum that distinguish cancer, benign hyperplasia, and normal states of prostate using the Surface Enhanced Laser Desorption/Ionization (SELDI) technology, a recently developed mass spectrometry technique. Our data analytic strategy takes properties of the SELDI mass-spectrometer into account: the SELDI output of a specimen contains about 48,000 (x, y) points where x is the protein mass divided by the number of charges introduced by ionization and y is the protein intensity of the corresponding mass per charge value, x, in that specimen. Given high coefficients of variation and other characteristics of protein intensity measures (y values), we reduce the measures of protein intensities to a set of binary variables that indicate peaks in the y-axis direction in the nearest neighborhoods of each mass per charge point in the x-axis direction. We then account for a shifting (measurement error) problem of the x-axis in SELDI output. After these pre-analysis processing of data, we combine the binary predictors to generate classification rules for cancer, benign hyperplasia, and normal states of prostate. Our approach is to apply the boosting algorithm to select binary predictors and construct a summary classifier. We empirically evaluate sensitivity and specificity of the resulting summary classifiers with a test dataset that is independent from the training dataset used to construct the summary classifiers. The proposed method performed nearly perfectly in distinguishing cancer and benign hyperplasia from normal. In the classification of cancer vs. benign hyperplasia, however, an appreciable proportion of the benign specimens were classified incorrectly as cancer. We discuss practical issues associated with our proposed approach to the analysis of SELDI output and its application in cancer biomarker discovery.

Boron nitride nanotubes : synthesis, characterization, functionalization, and potential applications

Boron nitride nanotubes (BNNTs) are structurally similar to carbon nanotubes (CNTs), but exhibit completely different physical and chemical properties. Thus, BNNTs with various interesting properties may be complementary to CNTs and provide an alternative perspective to be useful in different applications. However, synthesis of high quality of BNNTs is still challenging. Hence, the major goals of this research work focus on the fundamental study of synthesis, characterizations, functionalization, and explorations of potential applications. In this work, we have established a new growth vapor trapping (GVT) approach to produce high quality and quantity BNNTs on a Si substrate, by using a conventional tube furnace. This chemical vapor deposition (CVD) approach was conducted at a growth temperature of 1200 °C. As compared to other known approaches, our GVT technique is much simpler in experimental setup and requires relatively lower growth temperatures. The as-grown BNNTs are fully characterized by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), electron energy loss spectroscopy (EELS), Energy Filtered Mapping, Raman spectroscopy, Fourier Transform Infra Red spectroscopy (FTIR), UV-Visible (UV-vis) absorption spectroscopy, etc. Following this success, the growth of BNNTs is now as convenient as growing CNTs and ZnO nanowires. Some important parameters have been identified to produce high-quality BNNTs on Si substrates. Furthermore, we have identified a series of effective catalysts for patterned growth of BNNTs at desirable or pre-defined locations. This catalytic CVD technique is achieved based on our finding that MgO, Ni or Fe are the good catalysts for the growth of BNNTs. The success of patterned growth not only explains the role of catalysts in the formation of BNNTs, this technique will also become technologically important for future device fabrication of BNNTs. Following our success in controlled growth of BNNTs on substrates, we have discovered the superhydrophobic behavior of these partially vertically aligned BNNTs. Since BNNTs are chemically inert, resistive to oxidation up to ~1000°C, and transparent to UV-visible light, our discovery suggests that BNNTs could be useful as self-cleaning, insulating and protective coatings under rigorous chemical and thermal conditions. We have also established various approaches to functionalize BNNTs with polymeric molecules and carbon coatings. First, we showed that BNNTs can be functionalized by mPEG-DSPE (Polyethylene glycol-1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine), a bio-compatible polymer that helps disperse and dissolve BNNTs in water solution. Furthermore, well-dispersed BNNTs in water can be cut from its original length of >10µm to(>20hrs). This success is an essential step to implement BNNTs in biomedical applications. On the other hand, we have also succeeded to functionalize BNNTs with various conjugated polymers. This success enables the dispersion of BNNTs in organic solvents instead of water. Our approaches are useful for applications of BNNTs in high-strength composites. In addition, we have also functionalized BNNTs with carbon decoration. This was performed by introducing methane (CH4) gas into the growth process of BNNT. Graphitic carbon coatings can be deposited on the side wall of BNNTs with thicknesses ranging from 2 to 5 nm. This success can modulate the conductivity of pure BNNTs from insulating to weakly electrically conductive. Finally, efforts were devoted to explore the application of the wide bandgap BNNTs in solar-blind deep UV (DUV) photo-detectors. We found that photoelectric current generated by the DUV light was dominated in the microelectrodes of our devices. The contribution of photocurrent from BNNTs is not significant if there is any. Implication from these preliminary experiments and potential future work are discussed.

CHARACTERIZATION OF ELECTRODEPOSITED POLYANILINE BIOSENSOR PLATFORM FOR ESCHERICHIA COLI O157:H7 DETECTION

Amperometric electrodeposition has been used to obtain uniform, conductive, and repeatable polyaniline (PANi) thin films for use in nano scaled biochemical sensors. This report describes the characterization of these films. Techniques such as ellipsometry were used to test repeatability of the deposition and the uniformity of the deposited thin films. Raman spectroscopy was utilized to confirm the composition of the deposited PANi thin films. Fluorescence microscopy was used to determine the immobilization of antibodies to the PANi thin films using biotin-avidin interactions, as well as the density of active binding sites. Ellipsometry results demonstrated that biomolecules could be immobilized on PANi films as thin as 9nm. Evidence from the Raman spectroscopy demonstrated the conductive nature of the PANi films. The fluorescence microscopy demonstrated that antibodies could be immobilized on PANi films, although the experiment also demonstrated a low density of binding sites. The characterization demonstrates the utility of the PANi thin films as a conductive interface between the inorganic sensor platform and biochemical molecules.

Crystal chemistry and hydrogen bonding of rustumite Ca10(Si2O7)2(SiO4)(OH)2Cl2 with variable OH, Cl, F

Three samples of the skarn mineral rustumite Ca10(Si2O7)2(SiO4)(OH)2Cl2, space group C2/c, a ≈7.6, b ≈ 18.5, c ≈ 15.5 Å, β ≈ 104°, with variable OH, Cl, F content were investigated by electron microprobe, single-crystal X-ray structure refinements, and Raman spectroscopy. “Rust1LCl” is a low chlorine rustumite Ca10(Si2O7)2(SiO4)(OH1.88F0.12)(Cl1.28,OH0.72) from skarns associated with the Rize batholith near Ikizedere, Turkey. “Rust2F” is a F-bearing rustumite Ca10(Si2O7)2(SiO4)(OH1.13F0.87) (Cl1 96OH0.04) from xenoliths in ignimbrites of the Upper Chegem Caldera, Northern Caucasus, Russia. “Rust3LClF” represents a low-Cl, F-bearing rustumite Ca10(Si2O7)2(SiO4)0.87(H4O4)0.13(OH1.01F0.99) (Cl1.00 OH1.00) from altered merwinite skarns of the Birkhin massif, Baikal Lake area, Eastern Siberia, Russia. Rustumite from Birkhin massif is characterized by a significant hydrogarnet-like or fluorine substitution at the apices of the orthosilicate group, leading to specific atomic displacements. The crystal structures including hydrogen positions have been refined from single-crystal X-ray data to R1 = 0.0205 (Rust1_LCl), R1 = 0.0295 (Rust2_F), and R1 = 0.0243 (Rust3_LCl_F), respectively. Depletion in Cl and replacement by OH is associated with smaller unit-cell dimensions. The substitution of OH by F leads to shorter hydrogen bonds O-H⋯F instead of O-H⋯OH. Raman spectra for all samples have been measured and confirm slight strengthening of the hydrogen bonds with uptake of F.This study discusses the complex crystal chemistry of the skarn mineral rustumite and may provide a wider understanding of the chemical reactions related to contact metamorphism of limestones.

Pressure-temperature estimates of the lizardite/antigorite transition in high pressure serpentinites

Serpentine minerals in natural samples are dominated by lizardite and antigorite. In spite of numerous laboratory experiments, the stability fields of these species remain poorly constrained. This paper presents petrological observations and the Raman spectroscopy and XRD analyses of natural serpentinites from the Alpine paleo-accretionary wedge. Serpentine varieties were identified from a range of metamorphic pressure and temperature conditions from sub-greenschist (P < 4 kbar, T ~ 200–300 °C) to eclogite facies conditions (P > 20 kbar, T > 460 °C) along a subduction geothermal gradient. We use the observed mineral assemblage in natural serpentinite along with the Tmax estimated by Raman spectroscopy of the carbonaceous matter in associated metasediments to constrain the temperature of the lizardite to antigorite transition at high pressures. We show that below 300 °C, lizardite and locally chrysotile are the dominant species in the mesh texture. Between 320 and 390 °C, lizardite is progressively replaced by antigorite at the grain boundaries through dissolution–precipitation processes in the presence of SiO2 enriched fluids and in the cores of the lizardite mesh. Above 390 °C, under high-grade blueschist to eclogite facies conditions, antigorite is the sole stable serpentine mineral until the onset of secondary olivine crystallization at 460 °C.

Protein profiling of organic stone matrix and urine from dogs with urolithiasis

Two-thirds of the organic matrix in urinary stones consists of proteins. Their relationship to calculogenesis remains controversial with regard to their effect as inhibitors or promoters during stone formation. The purpose of the present study was to determine the differences in peptide and protein pattern between the urine of stone formers (n = 23) and control dogs (n = 12), as well as between organic matrix of different urinary stones (struvite n = 11, calcium oxalate n = 8, uric acid n = 4) using surface-enhanced laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry. Specific differences in protein and peptide profiles were found in the organic matrix of different mineral compositions. Characteristic differences were also found in urinary peptide and protein pattern especially in molecular masses below 20 kDa between affected and healthy dogs. Based on the obtained molecular masses they were in some cases tentatively identified as proteins that are known to be involved in stone formation in humans. The study shows that in dogs, specific-urinary peptides and proteins might be associated with urolithiasis. It indicates the importance to further characterize those proteins for possible diagnostic purposes in prognosis and therapy