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Änderungen intramolekularer Abstände bei der Faltung des Kälteschockproteins aus Bacillus caldolyticus
(2004)
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Christine Magg
- Das kleine Kälteschockprotein Bc-Csp bildet ein beta-barrel aus fünf antiparallelen beta-Faltblattsträngen. Es faltet gemäß einem Zweizustandsmechanismus und erreicht den nativen Zustand in Abwesenheit von Denaturierungsmittel innerhalb einer Millisekunde. Um die strukturellen Veränderungen während dieser schnellen Faltungsreaktion zu untersuchen, wurden intramolekulare Abstandsänderungen mit Hilfe des Förster-Resonanzenergietransfers (FRET) bestimmt. Einzelne Tryptophanreste wurden als Donor und einzelne 5-(((acetylamino)ethyl)amino)-naphthalin-1-sulfonsäure-Reste (AEDANS) als Akzeptor in das Protein eingeführt. An der Oberfläche von Bc-Csp wurden vier verschiedene Donor- und vier verschiedene Akzeptorpositionen ausgewählt. Diese Positionen wurden zu neun einzelnen Donor-Akzeptor Proteinvarianten kombiniert, so daß Änderungen von neun intramolekularen Abständen verfolgt werden konnten. In den nativen Proteinen betrugen diese Abstände zwischen 1,4 und 2,8 nm. Für das Trp/AEDANS Paar liegt der charakteristische Transferabstand im Bereich von 2,2 nm, was ungefähr dem Durchmesser von Bc-Csp entspricht und daher sehr empfindliche Messungen ermöglicht. In den einzelnen Proteinen wurde der Abstand zwischen Donor und Akzeptor sowohl unter nativen als auch unter Entfaltungsbedingungen bestimmt. Für die gefalteten Proteine sind die gemessenen Abstände mit denen aus der Kristallstruktur von Bc-Csp vereinbar, wenn die Länge des AEDANS linker berücksichtigt wird. Bei den entfalteten Proteinen wird eine gute Übereinstimmung mit den berechneten Abständen in einer zufällig angeordneten Peptidkette gefunden. Es gibt daher keinen Hinweis auf nativähnliche Reststrukturen im entfalteten Protein. Die Mutationen und Modifikationen, um sowohl den FRET Donor als auch Akzeptor einzuführen, verringerten die Stabilität von Bc-Csp nur geringfügig und führten zu keiner Veränderung der Rückfaltungsreaktion. Die Änderungen der Transfereffizienz während der Faltung wurden in kinetischen stopped-flow-Experimenten anhand der Trp- und der AEDANS-Fluoreszenz bestimmt. Für diese beiden Sonden wurden reziproke Effekte beobachtet. Bei niedrigen Konzentrationen des Denaturierungsmittels wird bereits in der Totzeit der stopped-flow-Rückfaltungsexperimente ein Anstieg der Transfereffizienz beobachtet, der von einem schnellen Kollaps des entfalteten Proteins verursacht wird. In Abhängigkeit von der Position des Donors und des Akzeptors findet bis zu 70 % der gesamten Abstandsänderung vor dem geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Faltung statt. Mit Drucksprung- und Temperatursprungexperimenten wird eine höhere Zeitauflösung erreicht, aber der Zeitverlauf des Kollapses konnte auch mit diesen Methoden nicht verfolgt werden. In der Totzeit der Temperatursprungmessungen kommt es zu einer schwachen Effizienzänderung, so daß der Kollaps möglicherweise schneller ist als 0,1 Mikrosekunden. Alle Donor-Akzeptor Proteine zeigen unabhängig vom äußerst schnellen Kollaps ein Zweizustandsverhalten im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Faltung. Es tritt keine Abweichung von der Linearität in den Chevronauftragungen auf, und die kinetischen und die Gleichgewichts-m-Werte stimmen überein. Diese Befunde deuten auf einen kollabierten Zustand hin, der zwar eine kompakte Struktur besitzt, aber für Wasser und Denaturierungsmittel immer noch gut zugänglich ist. Beide Eigenschaften konnten mit Hilfe verschiedener Lösungsmittelzusätze bestätigt werden: Ammoniumsulfat stabilisiert den kompakten kollabierten Zustand, durch Ethylenglykol wird er hingegen destabilisiert. Ethylenglykol wird vom immer noch lösungsmittelzugänglichen Peptidrückgrat des kollabierten Zustands ausgeschlossen. Beim kollabierten Zustand handelt es sich also nicht um ein gut definiertes, teilgefaltetes Intermediat. Der entfaltete und der kollabierte Zustand von Bc-Csp sind wahrscheinlich nicht durch eine Energiebarriere getrennt, sondern bilden zusammen ein Kontinuum von Konformationen mit unterschiedlicher Kompaktheit. Thermodynamisch betrachtet können die kollabierten Moleküle so dem entfalteten Zustand zugeordnet werden. Der Kollaps der Peptidkette ist eine Reaktion auf den Transfer in ein schlechteres Lösungsmittel bei der Rückfaltung. Dieser kollabierte Zustand verzögert den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Faltung nicht, und daher erfolgt die effiziente und schnelle Bildung des nativen Zustands von Bc-Csp innerhalb von Millisekunden.
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Water in the Earth’s Interior: Thermodynamics and kinetics of hydrogen incorporation in olivine and wadsleyite
(2004)
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Sylvie Demouchy
- (1) Hydrogen diffusion in olivine The kinetics of hydration of dry single crystals of San Carlos olivine was determined by performing experiments under water-saturated conditions. The experiments were performed at 1.5 GPa, 1000°C for 5 hours in a piston cylinder apparatus, or at 0.2 GPa, 900°C, for 1 and 20 hours in TZM cold-seal vessels. Polarized Fourier-transform infrared spectrometry (FTIR) was employed to quantify the hydroxyl distributions in the samples after the experiments. The new data obtained show a strong anisotropy of diffusion, with the diffusion coefficient D[100]>D[010]> D[001] at 900°C for short duration experiments. This initial mechanism of diffusion possibly involved a redox-exchange between proton and polaron. After longer duration experiment, the anisotropy of diffusion is different with D[001]>D[010]» D[100]. For this second stage of diffusion a model of hydrogen-metal vacancy associated defects is proposed, where the vacancies are the slower diffusing species with the diffusion laws: [100], [010] = 10-(5.6±3.2) exp [-(175 ± 76)/RT] [001] = 10-(1.4±0.5) exp [-(258 ± 31)/RT] (2) Hydrogen diffusion in forsterite The kinetics of hydration linked to magnesium-vacancy diffusion within dry synthetic forsterite single crystals was determined by performing similar experiments and analyses as in the previous section. The experiments were performed at 1.5 GPa, 1000°C for 3 hours in piston cylinder apparatus, or at 0.2 GPa, 900-1110°C, for 3-20 hours in TZM cold-seal vessels. The chemical diffusion coefficients are marginally slower than in iron-bearing olivine for the same diffusion process, but the anisotropy of diffusion is the same, with the [001] axis the fastest direction of diffusion and [100] the slowest. Fits of the diffusion data to an Arrhenius law yield similar activation energies for each of the crystallographic axes; a global fit to all the diffusion data gave an activation energy around 211 ± 18 kJmol-1. Thus hydration likely occurs by coupled diffusion of protons and octahedrally coordinated metal vacancies. The diffusion rates are fast enough to modify water contents within xenoliths ascending from the mantle but they are probably too slow to permit a total equilibration in a new dry or wet environment. (3)Dehydration profiles in natural mantle-derived olivine within basalt First evidence for water diffusion in a natural mantle-derived olivine are presented from peridotite samples. The samples are olivine crystals within lherzolite xenoliths from the Quaternary alkali basalts of the Pali-Aike volcanic field in Patagonia. Water content and distribution was studied using unpolarized and polarized FTIR and analyses shows that olivine, Cr-diopside and orthopyroxene contain a significant amount of water, with up to 13 wt ppm H2O for olivine and up to 250 wt ppm H2O in the pyroxenes. In contrast, analysis of optically clear-parts of small garnet crystals indicates that they are dry. Oriented Infrared profiles show that olivine grains larger than 0.5 mm have hydroxyl-depleted rims. These water concentration profiles suggest that partial dehydration occurred during the ascent of the xenolith-bearing magma to the Earth’s surface, confirming that dehydration is occurring in the nature. From a combination of analyses of natural xenoliths with experimental diffusion works, ascent duration of the host magma is estimated to several hours, suggesting a fast rise up to the surface. (4)Temperature and pressure dependence of water solubility in iron-free wadsleyite Previous experimental studies indicate that the maximum solubility of water in wadsleyite may vary as a function of pressure and temperature. Therefore wadsleyite samples were synthesized using a multi-anvil press. One series of experiments were performed at a fixed pressure of 15 GPa and at various temperatures and in a second series the temperature was fixed at 1200°C and pressure was varied from 13 to 18 GPa. The starting material corresponds to a composition of Mg2SiO4 + 5wt% H2O. The water content was quantified by ion probe (SIMS). Results show that at 15 GPa, the water concentration decreases significantly with increasing temperature from 2.5 wt% H2O at 900oC down to 0.93 wt% H2O at 1400oC; the corresponding wadsleyite Mg/Si ratios increase from 1.79 to 1.93 over this temperature range. Up to 17 GPa, no significant effect of pressure on the water content was observed. Moreover, together with previous results on ringwoodite, these data imply a strong decrease of the water partition coefficient between wadsleyite and ringwoodite with temperature. (5) Computer simulation on hydrous point defect in iron-free wadsleyite The general utility lattice program (GULP), a semi-empirical method, was used to simulate the formation of point defects (Mott-Littleton method) in wadsleyite and especially hydrogen incorporation and their corresponding infrared frequencies.
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Verbesserte Schätzungen von CO2- und N2O-Flussraten von Böden mitteleuropäischer Ökosysteme - Entwicklung konzeptioneller Neuerungen von Bodenemissionsmodellen
(2004)
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Sascha Reth
- Im Zuge dreier Intensivmessperioden innerhalb des Projektverbundes VERTIKO (Vertikaltransporte von Energie und Spurenstoffen an Ankerstationen und ihre räumliche/zeitliche Extrapolation unter komplexen natürlichen Bedingungen) wurden in Melpitz (24.09.-12.10.2001), Lindenberg (03.06.-06.07.2002) und Tharandt (18.05.-23.05. und 08.06.-14.06.2003) simultane Messungen der N2O- und CO2-Emissionen aus Wiesen-, Acker- und Waldböden durchgeführt. Die Emissionsdaten wurden mit einem photoakustischen Infrarot-Monitor in geschlossenen Kammern erhoben. Die entwickelte automatische Steuereinrichtung erlaubte es 5 Kammern simultan als räumliche Replikate zu messen und ermöglichte damit den Einsatz unter geringem Personalaufwand. In Rahmen dieser Arbeit wurde an einer Kalibrierungskampagne in Hyytiälä / Finnland teilgenommen, in der sowohl das automatisierte Messsystem gegen einen Referenzgasfluss, als auch gegen 19 Kammersysteme anderer Forschungseinrichtungen verglichen wurde. Die Anwendbarkeit der Methode wurde durch den Vergleich bestätigt und im weiteren wurde für jedes System ein Kalibrierungsfaktor ermittelt, der einen Vergleich mit anderen Ergebnissen erlaubt. Die vorliegende Arbeit konnte weiterhin zeigen, dass verschiedene Messmethoden, Bodenkammermessungen und Eddy Kovarianz, auf einer Brache vergleichbare Resultate erzielen. Ein gewichtetes Footprintmodell ermöglichte den direkten Vergleich von CO2-Flüssen, die hauptsächlich aus dem Quellgebiet Brache emittiert wurden und daher wenig durch Senkenterme kontaminiert schienen. Zudem wurde die Einfluss der Nettoflüsse aus der benachbarten Wiesenfläche untersucht. Die Emissionshöhen von CO2 und N2O variierten stark zwischen verschiedenen Landnutzungstypen. Generell konnten für beide Gase auf Wiesen und landwirtschaftlich genutzten Böden höhere Emissionen als auf Waldböden gefunden werden. Auch innerhalb der Standorte war die zeitliche und räumliche Heterogenität hoch. Diese Arbeit entwickelte ein nichtlineares Regressionsmodell auf der Basis der gemessenen Flussraten zur Berechnung von CO2-Emissionen für verschiedene Landnutzungstypen, welches eine regionale Anwendung erlaubt. Neben Bodentemperatur und -wassergehalt als Parameter wurden der pH-Wert und die Wurzelmasse berücksichtigt. Als zusätzlicher und unerwarteter Parameter wurde der zeitlicher Abstand zu einem Regenereignis als Steuergröße identifiziert. Auch für N2O wurde ein nichtlineares Regressionsmodell (DenNit) für regionale Anwendungen entwickelt, das eine Abschätzung der N2O-Emissionen von Brachen, Wiesen und Wald mit lediglich 6 Faktoren (Bodentemperatur, Bodenwassergehalt, pH-Wert, Nitrat- und Ammonium-verfügbarkeit, zeitlicher Abstand zu einem Regenereignis) erlaubt. Im Anschluss wurden die entwickelten Modelle für den Zeitraum dreier Intensivmesskampagnen für die verschiedenen Landnutzungstypen angewendet und zeigten gute Übereinstimmungen mit publizierten Emissionsdaten anderer Arbeiten. Die Vorhersagbarkeit von Bodenatmungsraten und Lachgasemissionen mit den entwickelten Modellen konnte deutlich gesteigert werden.
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Untersuchungen zur Herstellung strukturierter, nanoporöser Silica – Gele
(2004)
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Annette Fischer
- Nanoporöse Materialien, die über neuartige Synthesewege hergestellt werden, haben in jüngster Zeit vor allem auf speziellen Anwendungsgebieten, wie Membranen, Multilayerbauteilen oder nanostrukturierten Verbundmaterialien verstärkt für Aufsehen gesorgt. Dadurch ist der Sol – Gel – Prozess, insbesondere wegen seiner Möglichkeit sowohl Monolithe als auch dünne Schichten herzustellen in den Blickpunkt des Interesses gerückt. Durch Steuerung der Synthesebedingungen und gezielte Optimierung des Herstellungsprozesses können Porosität und andere Materialeigenschaften variiert werden, denn davon hängen Fließ- und Transporteigenschaften, katalytische Aktivität, Effizienz bei Separationsprozessen oder Adhäsionseigenschaften von Materialien dieser Stoffe ab. So werden beispielsweise akustisches Verhalten und Transporteigenschaften von der Oberflächenstruktur und den vorhandenen Poren beeinflusst. Ein Ziel aktueller Forschung ist es deshalb, Nanokomposite definierter Gestalt und Porosität zu konstruieren. Bei der Herstellung von Materialien, die für solche Anwendungen in Frage kommen, ist es also entscheidend, dass die gewünschte Struktur und die damit verbundenen Eigenschaften durch gezielte Synthese auf das Endprodukt übertragen werden können. Ein neuer Trend bei ihrer Herstellung ist der Einsatz von Templaten, z.B. organischen Verbindungen, die gezielt auf die Struktur dieser Materialien Einfluss nehmen. Eine Optimierung der Synthesebedingungen kann erreicht werden, indem man zu einer schrittweisen Synthese übergeht. Ausgangspunkt dieser step by step Synthese ist eine flüssigkristalline Tensidphase. Der anorganische Prekursor wird in dieser voraggregierten Phase gelöst ohne sie dabei zu verändern. Damit entsteht die hochgeordnete Struktur nicht erst in einem nicht kontrollierbaren Zusammenspiel von Prekursor und Templat, sondern kann systematisch eingestellt werden. Die Ordnung der voraggregierten Templatphase kann durch eine gezielte Temperaturänderung oder das Anlegen äußerer Felder (Magnetfelder) erhöht werden.
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Untersuchungen zur Diffusion und Reaktion von Kohlenstoff auf Nickel- und Eisenoberflächen sowie von Beryllium auf Wolfram
(2004)
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Almut Wiltner
- Die chemische Wechselwirkung und die Diffusion von dünnen C-Schichten auf Ni- und Fe-Oberflächen sowie von Be-Schichten auf polykristallinen W-Substraten werden mit der oberflächensensitiven Analysemethode Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) untersucht. Dabei erfolgt die Schichtdeponierung aus der Gasphase durch Elektronenbeschuß eines Graphitstabs bzw. von metallischem Be, das in einem BeO-Heiztiegel vorliegt. Die C-Schichten werden auf Ni(100), Ni(111) und Fe(110) deponiert. Diese Substratoberflächen repräsentieren sowohl die dichtesten als auch offene Atomanordnungen. Die Bildung der entsprechenden Ni- und Fe-Carbide verläuft in einer endothermen Reaktion. Die Carbidbildung und C-Diffusion werden vom untersuchten Substrat und der jeweiligen Oberflächenatomanordnung beeinflußt. Die bei Raumtemperatur aufgebrachten C-Schichten werden mit XPS analysiert. Im C 1s-Signal wird hauptsächlich elementarer C nachgewiesen. Dieser nicht reagierte C besteht aus dem graphitischen und dem ungeordneten Anteil. Obwohl die Carbidbildungsreaktionen endotherm sind, wird auf allen untersuchten Substratoberflächen zusätzlich ein Carbidanteil nachgewiesen. Dieser Anteil ist auf das unmittelbare Interface limitiert und wird mit der Bildung eines Oberflächencarbids erklärt. Die C-Schichten werden nachfolgend geheizt. Dabei werden zwei experimentelle Verfahren angewandt. Im Verfahren I werden die Proben in Schritten von 50 bzw. 100 K bis zu einer Temperatur von 970 K für jeweils 10 bzw. 30 Minuten geheizt. Nach Abkühlung auf Raumtemperatur werden die Systeme nach jedem Heizschritt mit XPS analysiert. Im thermischen Verhalten zeigen sich dabei verschiedene Phasen. Das anfänglich gebildete Carbid wird zunächst zersetzt (Phase I, 370-570 K), die C 1s-Signalintensität des elementaren C-Anteils nimmt entsprechend zu. Im weiteren Temperaturverlauf wird die Phase II (>370 K) identifiziert. In dieser Phase nimmt der ungeordnete C-Anteil ab, die Signalintensität des graphitischen Anteils steigt entsprechend an. Diese Reaktion wird als Umordnungsreaktion des elementaren C-Anteils bezeichnet. Phase I und II werden auf allen Substratoberflächen im gleichen Temperaturbereich beobachtet. In Abhängigkeit von Substrat und der untersuchten Oberfläche setzt die C-Diffusion (Phase III) ein. Auf Fe(110) die C 1s-Signalintensität bei 620 K ab, gefolgt von Ni(100) bei 670 K und Ni(111) bei 770 K. Der C-Verlust innerhalb dieser Phase führt zu einer Abnahme des C 1s-Signals innerhalb von 200 K. An der Oberfläche ist nach diesem Temperaturbereich eine C-Restbedeckung von weniger als einer Monolage nachweisbar. Zur Ermittlung der kinetischen Parameter (Aktivierungsenergien) für die identifizierten Phasen werden C-Schichten im Heizverfahren II untersucht. Dabei werden die jeweiligen Systeme für mehrere Stunden bei ausgewählten Temperaturen gehalten und dabei mit XPS analysiert. In diesem experimentellen Heizverfahren kann zusätzlich die endotherme Carbidbildungsreaktion, die im Verfahren I nicht eindeutig zu identifizieren ist, charakterisiert werden. Die in beiden Verfahren ermittelten Reaktionen werden sowohl vom untersuchten Substrat als auch von der vorliegenden Struktur beeinflußt. Da die gebildeten Carbide durch die Einlagerung von C-Atomen in das Metallatomgitter entstehen, geht diese Reaktion mit der C-Diffusion einher. Die Be-Schichten werden auf polykristalline W-Substrate deponiert. Das Be 1s-Signal weist hauptsächlich metallisches Be auf. Bereits bei Raumtemperatur wird sowohl im Be 1s- als auch im W 4f-Signal eine Be-W-Mischphase nachgewiesen. Diese Mischphase wird mit der Bildung einer Oberflächenlegierung erklärt. Im Be 1s-Signal wird außerdem ein oxidischer Anteil nachgewiesen. Das thermische Verhalten der Be-Schichten ist abhängig von der anfänglich deponierten Schichtdicke. Dünne Filme (bis 1.2 nm) weisen bis 970 K eine konstante Schichtdicke auf. Werden Be-Schichten mit einer anfänglichen Dicke von 1.2-3.0 nm aufgebracht, nimmt die Be-Menge ab 670 K innerhalb weniger Minuten deutlich ab. Die nach den Heizschritten bis 970 K an der Oberfläche verbleibende Be-Schichtdicke (1.0-.2 nm) ist mit den zuvor erwähnten dünnen Filmen vergleichbar. Be-Schichten mit einer anfänglichen Dicke von mehr als 3.0 nm zeigen eine wesentlich langsamere Abnahme der Schichtdicke bei vergleichbaren Temperaturen. Nach dem letzten Heizschritt bei 970 K ist die verbleibende Schichtdicke größer als 1.4 nm. Unabhängig von der Schichtdicke nimmt die Intensität des Legierungsanteils im Be 1s- und W 4f-Signal ab 670 K zu. Das stöchiometrische Verhältnis des Legierungsanteils in beiden Signalen deutet auf die Bildung von Be(2)W(1) hin. Nach Abschluß der Heizexperimente weisen Tiefenprofile auf eine Be-Diffusion, die auf die Be-W-Mischphase begrenzt ist, hin. Der Verlust des Be wird entsprechend mit der Be-Desorption erklärt.
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Tritrophische Interaktionen zwischen transgenem, insektenresistentem Bacillus thuringiensis-Mais, dem Herbivoren Chilo partellus (Lepidoptera: Crambidae) und dem Parasitoiden Cotesia flavipes (Hymenoptera: Braconidae)
(2004)
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Gernot Prütz
- Die Untersuchung der Wirkung transgener insektenresistenter Pflanzen auf entomophage Insekten ist von Bedeutung, denn Räuber und Parasitoide können eine wichtige Rolle als Gegenspieler von phytophagen Schädlingen spielen. In der vorliegenden Arbeit wurde exemplarisch die wirtsvermittelte Wirkung von transgenem insektenresistentem Bacillus thuringiensis-Mais („B.t.-Mais“) auf den gregären koinobionten larvalen Endoparasitoiden Cotesia flavipes (Hymenoptera: Braconidae) unter Laborbedingungen untersucht. Als Wirt diente Chilo partellus (Lepidoptera: Crambidae). C. partellus ist einer der wirtschaftlich bedeutendsten Schädlinge an Mais und Hirse in Afrika, der mittlerweile in Kenia von C. flavipes wirksam dezimiert wird. B.t.-Mais synthetisiert ein bakterielles Protein mit insektizider Wirkung, das B.t. delta-Endotoxin. Das B.t.-Toxin schädigt das für die Verdauung wichtige Mitteldarmepithel von Insekten, daher wurden die Waldbauerschen Verdaungsparameter von C. partellus nach Aufnahme von B.t.- bzw. Kontrollmais bestimmt. Ferner wurden life history Parameter von C. flavipes ermittelt. Da C. partellus-Larven nach Aufnahme von B.t.-Mais starben, bevor der Parasitoid seine Larvalentwicklung vollenden konnte, wurde mit verdünnten B.t.-Mais-Suspensionen gearbeitet, die auf Blätter von Kontrollmaispflanzen aufgetragen bzw. in Stängelstückchen von Kontrollmaispflanzen injiziert wurden. Jüngere C. partellus-Larven fressen an Blättern, ältere in Stängeln, deswegen wurde mit beiden Pflanzenteilen experimentiert. Nicht parasitierte C. partellus-Larven verschiedener Stadien nahmen in der B.t.-Gruppe weniger Nahrung auf als in der Kontrolle. Die Ursache der verringerten Nahrungsaufnahme lag möglicherweise in einer gegenüber der Kontrolle verlangsamten Darmpassage der Nahrung. Auch das Wachstum war gegenüber der Kontrolle verringert. Dies könnte die Folge der verringerten Nahrungsaufnahme, eines Mangels an Wasser oder eines Mangels an Proteinen sein, denn das B.t.-Toxin kann die Absorption von Aminosäuren blockieren und zu Flüssigkeitsverlust führen. Ferner war der Anteil der verdauten Nahrung, der in Körpermasse umgewandelt wurde, gegenüber der Kontrolle reduziert. Ein Grund dafür könnte in dem gegenüber der Kontrolle erhöhten energetischen Aufwand für die Regeneration des Mitteldarmepithels liegen. Die Wirkungen der B.t.-Mais-Suspension auf die Verdauungsparameter von C. partellus waren bei Gabe von Blatt- und Stängelfutter ähnlich und stimmen mit Literaturdaten überein. Wurden jedoch parasitierte C. partellus-Larven mit Maisblättern gefüttert, konnte kein einziger Parasitoid seine Lavalentwicklung im Wirt vollenden und sich verpuppen. Daher wurden parasitierte C. partellus-Larven im folgenden nur noch mit Stängelstückchen gefüttert. Diese sind möglicherweise aufgrund ihres gegenüber Blättern erhöhten Proteingehaltes für ältere C. partellus-Larvalstadien ernährungsphysiologisch geeigneter als Blätter. Parasitierte C. partellus-Larven nahmen während der ersten 4 Tage des Versuchs in der B.t.-Gruppe weniger Nahrung auf als in der Kontrolle. Ab dem fünften Tag war der Unterschied jedoch nicht mehr signifikant. Dies lag möglicherweise am Schlupf der Parasitoid-L1-Larven im Wirt, denn Parasitoiden können die Nahrungsaufnahme des Wirtes in Abhängigkeit von ihrem Larvalstadium beeinflussen. Verschiedene life history Parameter von C. flavipes waren gegenüber der Kontrolle beeinträchtigt. So konnte der Parasitoid nur in wenigen Wirten seine Entwicklung erfolgreich beenden, wenn der Wirt B.t.-Mais-Suspension aufgenommen hatte. Ferner war das Gewicht von Puppen, Kokons, Kokonspinnseide und adulten Parasitoiden gegenüber der Kontrolle verringert. Das Gewicht von Parasitoidweibchen ist ein Maß für Fitness, denn größere Weibchen haben oft eine längere Lebensdauer und produzieren mehr Eier als kleinere. Nur in der B.t.-Gruppe ergaben sich hochsignifikant negative Korrelationen zwischen der vom Wirt aufgenommenen Nahrungsmenge und der Anzahl an Parasitoid-Kokons pro Wirt. Darüberhinaus war die vom Wirt aufgenommene Nahrungsmenge nur in der B.t.-Gruppe mit der Entwicklungsdauer des Parasitoids positiv korreliert. Wahrscheinlich nahm die Menge des aufgenommenen B.t.-Toxins mit der aufgenommenen Nahrungsmenge zu. Höhere Toxinmengen führten dabei zu einer Erhöhung der Mortalität der Parasitoidlarven im Wirt bzw. verlangsamten die Entwicklung des Parasitoids. Die anhand des tritrophischen Modellsystems der vorliegenden Studie gezeigten Methoden könnten auch auf andere tritrophische Systeme mit verschiedenen Arten von transgenen Pflanzen übertragen werden, die insektizide Proteine synthetisieren. Da diese Proteine auf das Verdauungssystem wirken, wäre eine Bestimmung der Verdauungsparameter bei Herbivoren und Prädatoren sinnvoll. Wie in der vorliegenden Studie angedeutet, kann die Bestimmung der Verdauungsparameter zu einem genaueren Verständnis der Faktoren beitragen, die die Entwicklung des Parasitoids (oder Prädators) bestimmen.
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Transfer and Distribution of Cantharidin within Selected Members of Blister Beetles (Coleoptera: Meloidae) and Its Probable Importance in Sexual Behaviour
(2004)
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Mahmood Reza Nikbakhtzadeh
- Cantharidin (C10H12O4) is a repellent against a wide variety of predators and is known to be produced by blister beetles (Coleoptera: Meloidae) and oedemerid beetles (Col: Oedemeridae) where it is found in hemolymph and various tissues. Males of blister beetles transfer large pockets of cantharidin along with sperm to the female during copulation. Cantharidin movement through different parts of male and female genitalia was surveyed to get a better time sequence of the pharmacodynamic of this compound. Since cantharidin titre in meloid beetles highly depends on the age, sex and mating record of the individuals, deuterated cantharidin (D2C) was introduced into meloids’ body by injection, mixed with artificial diet or floating the beetles’ internal organs in Ringer and D2C solution. All samples were analysed by GC-MS, but because of the approximate coelution of cantharidin and D2C, their exact measurement via normal MS seemed to be very difficult. Therefore, MRM (Multiple Reaction Monitoring) method for cantharidin/D2C separation and independent quantitation was developed for the first time. Cantharidin pharmacodynamic in male of studied species could be quite different over a period of time. As the accessory glands absorb high amount of D2C in short term, they will eventually accumulate less amount than the testis. Confirming the previous studies, it has been concluded that post-farnesyl steps in the cantharidin pathway may occur entirely in the male’s body outside the reproductive system but the ultimate product is transported into male internal genitalia via membrane of the accessory glands which should be permeable to the chemical. It transfers afterwards to epididimis and the vas deferens in higher volume comparing to the other organs of the male genitalia and finally absorbed by the testis. In females, cantharidin is first absorbed by spermatophoral receptacle in high volume while at the same time goes through ovary and is distributed upon eggs; by the way the up-taken volume by ovaries remains considerably lower than the receptacle. By time these two organs stopped accumulating of cantharidin, whereas the bursa copulatrix starts incorporating the gift actively. This reserved amount should be mainly supplied by the receptacle and ovaries directly, so that the internal way of the terpene transfer remains as the main transport way. Analysis of the eggs laid by D2C injected females of Hycleus polymorphus demonstrated that the marker has been transferred from female to the eggs. It was found that D2C had been also incorporated into the triungulin larvae; however the titre decreased significantly from egg to larva. There is a good correlation between density of cuticular pores and the cantharidin/D2C level of the scape and pedicel antennomeres of the male specimens of Cyaneolytta sp. Light microscopy of semi thin cross sections of male scape and pedicel indicates that there are plenty of canal shape structures which have been stretched from the antennal hemolymph to the antennomere surface where cuticular pores situated. These structures can be uni- or multicellular tubules which bring the circulating cantharidin of hemolymph into the surface where later on released via the opening of cuticular pores. Tracing the head capsule and antennal segments of those Cyaneolytta females which were injected by D2C shows that the marker is found mostly in the two first antennal segments. Similarly, a higher concentration of the cuticular pores was also observed on the scape and pedicel. Tubular cells or any other carrying structures such as tyloids were found neither in cross sectioning of female antennomeres nor on integument surface. We suppose a natural system has been evolved in females of genus Cyaneolytta which let them select males with abundant reservoir of cantharidin prior to any mating behaviour. Males and females have antennation during which males antennomeres as well as cantharidin containing pores which are located on the 1st and 2nd antennomeres come into direct contact with the female antennae and thus release cantharidin on its surface. So, the porous area of male antennae can be considered as cantharidin release structures (CRS). In contrast, female porous area of antennae is apparently regarded as multiporous gustatory sensillae (MGS) which means a chemoreceptor to recognize the cantharidin titre of male sexual partner. We hereby refer to cantharidin as a precopulatory sex pheromone and support the idea who suggests cantharidin role in close range sexual selection.
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Totalsynthese von Yahazunol und Untersuchungen zur Synthese von Siphonodictyal C
(2004)
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Thorsten Laube
- Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese der beiden 12-Nordrimane (+)-11-Hydroxy-12-nordrim-9,11-en-8-on und (+)-(8S)-12-Nordriman-8,11-diacetat, dem Sesquiterpenaren Yahazunol sowie Untersuchungen zur Synthese von Siphonodictyal C. Die zentrale Ausgangsverbindung für die Synthese dieser marinen Naturstoffe ist (±)-8-Oxo-12-nordriman-11-säuremethylester, der über eine dreistufige Synthese ausgehend von beta-Ionon erhalten werden kann. Mit Hilfe von (2R,3R)-2,3-Butandiol bzw. (2S,3S)-1,4-Di-O-benzylthreitol ist man in der Lage, die Enantiomeren von (±)-8-Oxo-12-nordriman-11-säuremethylester in Diastereomere zu überführen und diese nach Reduktion bzw. Debenzylierung chromatographisch zu trennen. Nach Abspaltung der Schutzgruppen erhält man (+)- bzw. (–)-11-Hydroxy-12-nordriman-8-on bzw. (+)- bzw. (–)-8-Oxo-12-nordriman-11-säuremethylester. Ausgehend von diesen Produkten konnten die beiden 12-Nordrimane (+)-11-Hydroxy-12-nordrim-9,11-en-8-on und (+)-(8S)-12-Nordriman-8,11-diacetat erstmals enantiomerenrein synthetisiert werden. Siphonodictyal C enthält eine Doppelbindung in Pos. 7,8 des Drimanteils. Diese kann durch Umlagerung der 8,12-Doppelbindung erhalten werden. Durch Reduktion von (±)-Albicansäuremethylester, der durch eine Wittig-Reaktion aus (±)-8-Oxo-12-nordriman-11-säuremethylester erhältlich ist, mit Hilfe von DIBAl-H erhält man (±)-Albicanol, das in Gegenwart der Lewis-Säure BF3*Et2O durch eine 1,3-Hydridverschiebung (±)-Drimenol ergibt. Durch Oxidation mit PCC erhält man schließlich (±)-Drimenal. Der zweite Baustein von Siphonodictyal C lässt sich ausgehend von Sesamol synthetisieren. Die freie OH-Gruppe von Sesamol wird mit MEM geschützt und Bromierung liefert schließlich 6-Bromsesamol-MEM-ether. Durch einen Br-Li-Austausch mit n-BuLi bei –100o C erhält man den lithiierten Aromaten, der mit (±)-Drimenal zu den diastereomeren Benzylalkoholen umgesetzt wird. Durch Behandlung mit PTS bei 40o C kommt es zur benzylischen Dehydratisierung und das Alkylidencyclohexadienon wird gebildet. Dieses lässt sich durch Reduktion mit NaBH4 zum entsprechenden Phenol reduzieren, welches anschließend mit DMS methyliert wird. Der nächste Schritt war die Umsetzung mit n-BuLi/DMF, um die Formylgruppe in Pos. 3´ des Aromaten einzuführen. Die abschließende Abspaltung der Schutzgruppen führte nicht zum Erfolg. Auch die Verwendung anderer Schutzgruppen verlief ergebnislos, da hierbei große Probleme bei der Kupplung, der Formylierung und der Schutzgruppenentfernung auftraten. Deshalb wurde die Synthese von Siphonodictyal C auf dieser Stufe beendet. Behandelt man (+)-11-Hydroxy-12-nordriman-8-on mit PTS bei 50o C, so erhält man das alpha,beta-ungesättigte Keton. Dieses ist nun in der Lage mit einem Cuprat in einer 1,4-Michael-Addition zu reagieren. Das benötigte Cuprat erhält man aus dem Grignardreagenz 2,5-Dibenzyloxyphenylmagnesium-bromid und CuI. Das bei der Reaktion entstehende Enol lässt sich durch Zugabe von Acetylchlorid als Enolacetat abfangen. Durch alkalische Verseifung erhält man das 12-Norsesquiterpenaren und durch anschließende Wittig-Reaktion (+)-Zonarol-dibenzylether. Die in Yahazunol enthaltene äquatoriale Hydroxygruppe in Pos. 8 lässt sich durch Epoxidierung der exo-cyclischen Doppelbindung von (+)-Zonaroldibenzylether und anschließende reduktive Öffnung des Epoxids mit LiAlH4 einführen. Der letzte Schritt in der Synthese war die Abspaltung der beiden Benzylschutzgruppen. Dies geschah hydrogenolytisch mit Palladium als Katalysator. Yahazunol konnte mit einer Ausbeute von 61 % erhalten werden. Die spektroskopischen Daten und der Drehwert der synthetisierten Verbindung stimmten mit denen der isolierten Verbindung gut überein.
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The use of 10Be surface exposure dating of erratic boulders in the reconstruction of the late Pleistocene glaciation history of mountainous regions, with examples from Nepal and Central Asia
(2004)
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Uwe Abramowski
- Be-10 surface exposure dating (SED) of erratic boulders is an innovative approach in Quaternary geochronology. It proves to be an excellent tool for the reconstruction of the glacial history of mountainous regions, which is an important part of climate change research. In the course of this work, I have 1) installed the analytical procedure to extract in-situ produced Be-10 from quartz-bearing rock surface samples in the laboratory of the Institute of Soil Science and Soil Geography at the University of Bayreuth; 2) developed and calibrated the program TEBESEA for quick calculation of Be-10 surface exposure ages with fully propagated errors, thereby evaluating the existing procedures; 3) deduced a new interpretation scheme for exposure age distributions from several stratigraphically related moraines in an area; 4) provided 37 new Be-10 exposure ages for the Nepal Himalaya, complementing earlier soil geographic studies in the Langtang Valley and the Macha Khola Valley; and finally 5) provided 108 new Be-10 exposure ages for the Pamir, and the Alay- and Turkestan Ranges, defining a new glacial chronology for Central Asia. The analytical procedure used to extract Be-10 from quartz-bearing rocks and to prepare it for measurement closely followed the one established at the ETH Zurich, where all Be-10 measurements have been done. The accuracy of the analytical work in Bayreuth was confirmed by preparation of five calibration samples from the Koefels landslide, Oetz Valley, Austria. The traditional scaling system of Lal (1991) as modified by Stone (2000) still proves to be the most suitable one to be used in Be-10 exposure age calculations. For this procedure, I have calibrated a total standard production rate at sea level, high latitude of 5.35 ± 0.15 atoms/(g a), using a contribution of capture of slow negative muons of 1.2%, and including all possible corrections. The altitude dependency of Be-10 production used in the scaling systems of Dunai (2001) and Desilets & Zreda (2003) is as yet not convincing, given the existing calibration data, but suggests that ages calculated for sites above 2000-3000 m a.s.l. in High Asia may be overestimates. Detailed error propagation shows that the uncertainties of Be-10 surface exposure ages at present are dominated by the errors of the scaling factor, the erosion rate, and the tectonic uplift rate. As long as surface erosion and tectonic uplift rates cannot be constrained to within 10%, however, exposure ages older than 30-40 ka have uncertainties of 20% or more and can be no more than rough approximations. For exposure age distributions from a set of stratigraphically related moraines, a new interpretation scheme is presented, which is able to detect ages older than the deposition age of the moraine (Be-10 inheritance), and to interpret age clusters younger than the deposition age, which may be synchronous on several moraines (phases of regionally enhanced surface activity). In the Nepal Himalaya, glacier advances in the Macha Khola Valley have occurred 70-100, 20-23, 11-12 and around 3 cal. ka B.P. Glacier advances in the Langtang Valley are dated to 14-15, 8-9 and ~3.5 cal. ka B.P. Late Pleistocene and Holocene glacial activity in the Nepal Himalaya seems to be controlled by the Indian monsoon rather than the westerly circulation. Only in the MIS 2, the westerly jetstream appears to have shifted as far south as to affect glaciation all over the Himalaya. During the Younger Dryas, the eastern limit of the influence of the westerly circulation on Himalaya glaciation may have been situated between the Manaslu and Langtang Himal. Glacial advances in the Pamir and in the Alay and Turkestan Ranges have occurred >93->136, ~60-80, (40-55), ~27-25, ~22-20, ~18, ~15.5, ~14.3, and 10.5 cal. ka B.P. The most extensive late Pleistocene glaciation occurred during the MIS 5-3, and is characterized by ELA depressions of ~370-380 m in the eastern Pamir, as well as 600 m and >750 m, in the Alay and Turkestan Ranges, respectively. Late Pleistocene glacier advances in northwestern High Asia, were triggered by climatic cold phases rather than by monsoonal maxima. Climate in the region seems to have been mostly under the influence of the westerly circulation and the Siberian anticyclone. Asynchrony of Central Asian and western hemisphere glacier advances is due to increasing aridity in Central Asia in the course of the last glacial cycle. High altitude glaciers seem to have reached their maximum extent earlier (MIS 5-4) than low altitude glaciers (first half of MIS 3). Some indirect monsoonal influence in the eastern Pamir may be responsible for the existence of some of the lateglacial moraine stages in this area.
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The two-dimensional vibrating reed technique: a study of anisotropic pinning in high-temperature superconductors
(2004)
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Anna Karelina
- In this work the anisotropy of the pinning forces of vortices in a-b plane of high temperature-supraconductors was examined. For this purpose vibrating reed with two degrees of freedom of the oscillation was constructed. The pinning forces were examined in single crystals of YBa2Cu3O7 and Bi2Sr2CaCu2O8. Because of the d waves symmetry of the order parameter is expected four-fold anisotropy of the pinning potential. The reed consists of a sapphire fiber which is fast clamped at one end. Other end of the reed glued into a hole of the ruby disc, which is used as a sample holder. The superconducting sample was glued on top of the disc with the c-axis parallel to the sapphire fiber. The dielectric reed is covered by a thin conducting layer for driving the reed electrostatically and detecting its elongation from equilibrium by capacitance method. Thus we have the possibility to vibrate the sample in any direction of the ab plane. The magnetic field directed along the c axis creates vortices in the superconductor. Vibrating of the superconductor leads to the distortion of the flux lines and displacement of the vortices from the point-like oxygen defects, which act as pinning centers. The pinning force leads to additional restoring force which causes a typical magnetic field dependence of the resonance frequency. Such an experimental configuration has never been used before and gives the possibility to study the symmetry of the pinning potential. A mathematical model was developed to describe the effect of anisotropy of the pinning potential on the vibrating reed motion. The two simplest cases of two- and four-fold symmetry of the potential were considered in this model. The experiments with the two-dimensional vibrating reed were carried out with single crystals of YBa2Cu3O7, glued with some angle between the easy axis of the reed (the x direction) and the crystallographic axis a and b. These experiments demonstrated the presence of the two-fold symmetry of the pinning potential of the sample. The anisotropy of the pinning potential manifests itself by the appearance of coupling between main axes of the vibrating reed and by beating in the free oscillations. From the comparison of measurement and mathematical model anisotropy parameter was obtained equal to 10%. For the investigations of the fourfold symmetry of the pinning potential, the crystal was glued so that the crystallographic axes coincide with the easy axes of the reed to eliminate the effect of the two-fold symmetry of the pinning potential. The experiments with YBa2Cu3O7 show that at temperatures lower than 78K the vortices are in a nonequilibrium state. This leads to a flux creep and to a drift of the resonance frequency with time. This prevents the comparison of resonance curves in different directions of oscillations. In Bi2Sr2CaCu2O8 single crystals the vortices are in more stable state, but the measurements of the resonance curves in different directions show no indication of the four-fold symmetry. At temperatures below 60 K a strong hysteresis of the resonance frequency and the resonance-oscillation amplitude was found in YBa2Cu3O7 crystals as a function of the magnetic field. The hysteresis of the amplitude caused probably by bending of the reed because of the irreversible magnetisation.
