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Einsatz von Risikomanagement bei der Steuerung von Grid-Systemen - Eine Analyse von Versicherungen anhand einer simulierten Grid-Ökonomie
(2009)
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Werner Streitberger
- In Unternehmen hat sich der Einsatz von rechenintensiver Informationstechnologie (IT) bereits für den Geschäftsbetrieb als unverzichtbar erwiesen, um Geschäftsprozesse besser auszurichten und neue Geschäftslösungen mit größerer Flexibilität und Geschwindigkeit bereitzustellen. Dieser Situation gegenüber stehen die Kosten für die Anschaffung, den Betrieb und die Wartung der IT. Diese Kosten rechtfertigen jedoch nur selten die vollständige Abdeckung des potenziellen, maximal erwarteten Bedarfs von Software und Ressourcen wie Speicher- und Rechenleistung. So müssen Unternehmen neben Effizienz- und Geschwindigkeitsverbesserungen auch Kosteneinsparungen für ihre Infrastruktur realisieren, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Grid-Computing kann hierzu der nächste Schritt sein, IT-Dienste zu verbessern und bestehende Kapazitäten besser auszulasten. Das hinter dem Begriff Grid-Computing stehende Konzept beschreibt verschiedene Lösungsansätze zur Umsetzung eines dynamischen Bezugs von IT-Ressourcen und Diensten innerhalb eines Unternehmens und über Unternehmensgrenzen hinweg. Im Grid- Computing-Paradigma werden Informationen auf Rechnern im Internet gespeichert, diese werden dann den Benutzern auf Anforderung durch Dienstleister zur Verfügung gestellt. Jedoch gehen mit dem Einsatz von Grid-Computing-Systemen technische Risiken einher, deren Ursachen meist auf fehlerhafte Kommunikation und/oder auf den Ausfall von Ressourcen eines Standorts zurückzuführen sind. Dies schränkt die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Systeme ein und erfordert den Einsatz von Verfahren zur Behandlung dieser Risiken, da die Benutzer zuverlässige Ressourcen von einem Grid-Computing-System erwarten. In den Wirtschaftswissenschaften sind verschiedene Verfahren bekannt, mit denen Risiken bewältigt werden können. Diese Aufgabe übernehmen häufig Versicherungen als Instrument, um ein bestimmtes Risiko zu transferieren. Versicherungen folgen dem Grundprinzip der kollektiven Risikoübernahme: Viele zahlen einen Versicherungsbetrag in den Geldtopf der Versicherung ein, um beim Eintreten des Versicherungsfalls aus diesem Geldtopf einen Schadensausgleich zu erhalten. Für den Konsumenten von Grid-Diensten bietet die Versicherung den Vorteil, dass sie neben der monetären Kompensation eines Schadens als Kompensationsleistung auch Ersatzressourcen vermitteln kann. In letzerem Fall werden Ressourcen zur Kompensation vorgehalten und im Schadensfall bereitgestellt, die die Ausführung des Dienstes übernehmen und so zu einer erhöhten Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Grid-Systeme beitragen. Die Arbeit identifiziert technische und ökonomische Risiken in Grid-Computing-Systemen und untersucht sie hinsichtlich ihrer Versicherbarkeit. Anforderungen an die Versicherung für Grid-Systeme werden abgeleitet und ein Prämienberechnungsmodell aus der Kraftfahrzeugversicherung ausgewählt und an Grid-Systeme angepasst. Die Umsetzung der Grid-Versicherung in ein rechnergestütztes Simulationsmodell erfolgt mithilfe von Multi-Agenten-Technologie mit der ein elektronischer Marktplatz zum Handel von Grid-Ressourcen simuliert wird. Die Versicherung wird mit gridspezifischen Performanzkennzahlen und Metriken der Versicherungsökonomie evaluiert. Die in dieser Arbeit durchgeführten Simulationen zeigen, dass die Einführung einer Versicherung einen nachweislichen Einfluss auf die analysierten technischen und ökonomischen Kennzahlen haben und eine Verbesserung der Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der untersuchten Utility-Grid-Systeme erwarten lassen. Ressourcenkonsumenten haben bei der Festlegung ihrer Strategie zur Behandlung der technischen Risiken einen flexiblen Ansatz zur Verfügung, den sie in ihrer Risikomanagementstrategie berücksichtigen können. Der Risikotransfer auf eine Grid-Versicherung bietet den Ressourcenkonsumenten die Möglichkeit, ihre Risikokosten im Vergleich zu einer Redundanzstrategie zu senken. Aus Sicht der Versicherungswirtschaft besteht die Möglichkeit neue Versicherungstarife im Bereich von Grid-Systemen anzubieten und damit ihr Angebot an Versicherungstarifen zu erweitern.
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(2009)
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Cathérine Conradty
- Multimediales Lernen, bspw. mit dem Computer, ist eine wichtige Unterstützung im Unterricht geworden. Wenn auch Wirkung und Nutzen kontrovers diskutiert werden, gehört der Computer inzwischen zum Lehrplan an deutschen Schulen. Computerhandhabung ist eine notwendige Kompetenz für das Berufsleben. Zudem gilt das Medium als motivationsfördernd, was sich positiv auf den Lernerfolg auswirken soll. Ein kritischer Faktor bei Multimedia-Lernen ist neben der Multimodalität die Unterrichtsform: meist wird der Computer in ansonsten eher seltener schülerzentrierter Freiarbeit eingesetzt. Das eine wie das andere kann an sich Schüler kognitiv überfordern und damit das Lernen erschweren. Im Studie A wird der Effekt auf kognitive Lernerfolg und motivationale Variablen bei variierter Lehrer-Anleitung in computerunterstützter Freiarbeit empirisch untersucht. Fehlt die aktive Lehrerbegleitung, war der Lernerfolg im Nachtest geringer. Nach sechs Wochen aber schnitten die völlig selbstständig Lernenden besser ab als die betreuten Schüler. Wissen, das selbstständig erarbeitet wurde, ist bei der computerunterstützten Freiarbeit konsistenter. Der durch während des Unterrichts empfundenen Druck und geringe Selbstkompetenz verursachte negative Effekt auf den Lernerfolg scheint hingegen durch gezielte Anleitung verhindert zu werden. Auch konnten mit Anleitung die Jungen für das Thema gewonnen werden - allerdings ohne bemerkenswerten Effekt auf den Lernerfolg. Wichtigster Faktor der Untersuchung scheint das Vorwissen zu sein, das den Lernerfolg, das Interesse und das Kompetenzgefühl steigert, und gleichzeitig den Stress im Unterricht senkt. Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass tatsächlich eine völlig selbstständige computerunterstützte Freiarbeit lohnenswert ist, allerdings als Festigungsphase nach einem Vorwissen bildenden, evtl. lehrerzentrierten Vorunterricht. In Studie B wurde ein Medienvergleich zwischen Hypertext und Buchtext durchgeführt. Die computerunterstützte Gruppe variierte nach den Erfahrungen aus Studie I den Grad der Lehrerunterstützung: Ein Teil der Computer-Testgruppe hatte statt der Konsolidierung im Frage-Antworten-Spiel mit dem Lehrer ein computerunterstütztes Quiz. Wenn auch das gewohnte Buch kurzfristig zu besserem Lernerfolg verhalf, vergaßen die Schüler mit der computerunterstützten Einheit mit lehrerzentrierter Konsolidierung weniger. Der Lernerfolg war aber letztlich nicht abhängig vom Medium, sondern von der Lehrerbegleitung. Ohne Betreuung waren die Schüler demotiviert und lernten kaum, wobei besonders die Mädchen litten. In Studie C wurde eine Papier-& Bleistift-Methode des Multimedia-Lernens evaluiert, das Concept Mapping (CMing). Diese „persönlichen Landkarten der Konzepte“ scheinen v. a. als Konsolidierungsphase nach computerunterstütztem Lernen hilfreich zu sein. Hier wurden Concept Maps (CMs) über zwei unterschiedlich schwere Themen erstellt, um Fehler zu typisieren und auf ihre mögliche Ursachen zu untersuchen. Die Teilnehmer, obwohl völlig unerfahren, fühlten sich beim CMing sofort kompetent. Über das einfache Thema erstellten sie komplexe Wissenskarten. Hingegen nahmen bei dem zweiten, schwierigeren Thema die technischen Fehler zu. Dies scheint vor allem ein Problem der Verbalisierungsfähigkeit der Schüler zu sein. In Studie D wurde die Eignung des CMings zur Evaluierung von Schülerwissen untersucht. Bei der Diversität der Qualitätsmerkmale für CMs kann ihre Auswertung im Schulalltag kompliziert werden. Dafür reduzierten wir die Qualitätskriterien auf die Anzahl der richtigen Verbindungen in der Wissenskarte, der „Komplexität“. In den CMs über beide Themen korreliert die Komplexität signifikant mit dem kognitiven Nachtest und dies umso besser, wenn man bei der Korrektur technische Fehler vernachlässigte. Allerdings war der Korrelations-Koeffizient schwach. Da durch CMing ein vernetztes, verstehendes Lernen gefördert wird, rechneten wir damit, dass die Qualität der CM auf den Erfolg im spätere Wissenstest schließen lässt. Entsprechende Korrelation von Komplexität mit spätem Nachtest fanden wir allerdings nur bei dem schweren Thema. Eine Reduzierung der Qualitätsmerkmale auf die Komplexität unterschätzt das abgebildete Wissen der Schüler. Studien C und D zeigen, dass sich CMing sehr gut eignet, um spezifische Wissenslücken und Vorstellungen der Schüler aufzudecken, auf die der Lehrer dann seinen Unterricht adäquat ausrichten kann. Multimediale Lerneinheiten lohnen sich als schülerzentrierte Lernform. Gerade im Wechsel mit lehrerzentrierten Wissensvermittlungs-Stunden unterstützen sie den kognitiven Lernerfolg. Wichtiger noch ist vielleicht: die Vielfalt im Schulalltag fördert die Motivation sowohl der Schüler als auch der Lehrenden. Zusätzlich werden Kompetenzen wie Computerhandhabung, Selbstorganisation und eigenverantwortliches Lernen, Vernetztes Denken und Teamwork gefördert.
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Analyse der physiologischen Funktion von Mitgliedern der Rieske-Typ Eisen-Schwefel-Proteinfamilie in der inneren Plastidenhülle
(2009)
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Sandra Bartsch
- Höher entwickelte Pflanzen enthalten eine Superfamilie von non-Häm Oxygenasen, deren Mitglieder über identische, konservierte Rieske- und mononukleare Fe-Bindungsdomänen verfügen. Diese Familie umfasst Tic55, PAO, CAO, CMO und ein 52 kDa schweres Protein (PTC52), welches in Assoziation mit dem Präkursor NADPH:Protochlorophyllid (Pchlid) Oxidoreduktase A (pPORA) Translocon vorliegt. Die Expression von AtCAO cDNA in Synechocystis, welches kein CAO-Gen enthält, führte zur Bildung von Chlorophyll b (Chl b) und geringen Mengen an Pchlid b. Pulse labeling Experimente mit dem isolierten PTC-Komplex und dem Pchlid Präkursor 5-Aminolävulinsäure (5-ALA) zeigten, dass PTC52 als Pchlid a Oxygenase agiert. Die gekoppelte in vitro Transkription/Translation von Arabidopsis CAO (AtCAO) bzw. PTC52 (AtPTC52) cDNAs führte zur Bildung von katalytisch aktiven Proteinen, wobei CAO Chlid a in Chlid b umwandelte, wohingegen PTC52 die Umwandlung von Pchlid a zu Pchlid b katalysierte. In Kotyledonen von Gerste und Arabidopsis ist der Import von pPORA von Pchlid abhängig. Während der Membran-Passage interagiert pPORA mit Komponenten des PTC-Komplexes und bildet dabei sog. „junction“-Komplexe zwischen äußerer und innerer Plastidenhülle. CAO wird als größeres Präkursor-Protein synthetisiert, über den Standard-Import-Komplex in den Intermembran-Raum importiert und liegt in seiner prozessierten Form als intrinsisches Protein der Thylakoid-Membranen bzw. der inneren Plastidenhülle vor, wo es mit Tic40, Tic22 und Tic20 interagiert und einen neuen Tic-Subkomplex bildet. Weitere Analysen mit Chloroplasten der Chlorina Mutanten ch1-3 (kein funktionelles CAO-Gen; keine Akkumulation von Chl b bzw. LHC-Proteinen) zeigten keinen Import von pLhcb1 (= Präkursor des LHCII-Apoproteins) bzw. pLhcb4 (= Präkursor des CP29-Apoproteins). PTC52 wird als größeres, ca. 57 kDa schweres Vorstufenprotein synthetisiert, in Chloroplasten importiert und zur endgültigen Größe prozessiert. Das reife, 52 kDa schwere Protein wurde als intrinsisches Membranprotein der inneren Plastidenhülle identifiziert, wo es mit PTC130, PTC90, PTC16/Oep16 und PTC33/Toc33 interagiert und einen funktionellen Protein-Import-Komplex (PTC-Komplex) bildet. Während des substratabhängigen Imports von pPORA katalysiert PTC52 die Oxygenierung von Pchlid a zu Pchlid b. DEPC agiert, indem es konservierte His-Reste im Rieske-Fe-S-Cluster ethoxyformyliert. Während bei geringen DEPC-Konzentrationen allein der Import von pPORA inhibiert war, war dieser in Anwesenheit von 1 mM DEPC nicht nachweisbar, wohingegen die Translokation von Tic55-Import-Substraten um ca. 10 % verringert war. Dies bestätigte die Beteiligung der His-Reste am katalytischen Mechanismus von PTC52 und Teil des PTC-Komplexes. Anhand von zwei PTC52-knockout-Linien (SALK_011945 und SAIL_148.HC5) wurde gezeigt, dass loss-of-function-Mutationen im Arabidopsis PTC52-Gen zu einem embryoletalen Phänotyp führten, so dass heterozygote AtPTC52/Atptc52-Pflanzen zur Analyse der Bedeutung von PTC52 in planta herangezogen wurden. Diese Keimlinge waren empfindlicher gegenüber einer Belichtung, was durch die geringeren Mengen an „light-harvesting“ POR-Pchlid (LHPP) – Komplexen im Prolamellarkörper der Etioplasten erklärbar war. Durch Pigmentanalysen konnte sowohl Pchlid a als auch Pchlid b in Wildtyp-Keimlingen identifiziert werden, wobei deren relative Anteile in AtPTC52/Atptc52-Pflanzen in Richtung Pchlid a verschoben waren. Zusätzlich waren ein Rückgang der Chl-Akkumulation, ein verändertes Chl b/Chl a-Verhältnis und eine Verringerung der LHCII-Mengen während des frühen Ergrünens erkennbar. Mittels Affinitätschromatographie wurden Tic55, PTC52 und PAO als Thioredoxin (Trx)-Targets in der inneren Plastidenhülle identifiziert. Abgesehen von konservierten Rieske- und [2Fe-2S]-Clustern weisen diese Proteine ein CxxC-Motiv auf. Aktivitätsmessungen in An- bzw. Abwesenheit von stromalem Trx f bzw. Trx m lassen darauf schließen, dass PTC52 und PAO aus Gerste reversiblen Oxidations/Reduktionsvorgängen, vermittelt durch redox-aktive SH-Gruppen, unterliegen, wobei die reduzierte Form eine höhere Aktivität aufweist. Um zu verifizieren, ob Trx die Aktivität von Tic55, PTC52 und PAO als Reaktion auf die Licht-Dunkel-Regulation und/oder oxidativen Stress regulieren könnte, verglichen wir die In-Vitro-Import-Kapazitäten der verschiedenen Import-Komplexe in tigrina d12 – Chloroplasten, die aus Pflanzen stammten, die entweder unter kontinuierlichem Weiß-Licht angezogen oder vor der Plastiden-Isolierung verdunkelt bzw. einem Dunkel-Licht-Shift unterworfen worden waren. Tic55, PTC52 und PAO reagierten sensitiv gegenüber einer oxidativen Kontrolle und waren in wiederbelichteten tigrina d12 – Pflanzen inaktiv. In CAO ist kein CxxC-Motiv vorhanden, so dass CAO weder auf das Thioredoxin-System noch auf oxidativen Stress reagiert.
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Novel Functional Membrane Precursors based on Triblock Terpolymer Thin Films
(2009)
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Alexandra Sperschneider
- In dieser Studie wurden neuartige, funktionelle Vorstufen für Dünnfilm-Membranen auf Basis von Polybutadien-block-poly(2-vinylpyridin)-block-poly(tert-butylmethacrylat) (BVT) Dreiblockterpolymeren identifiziert. Durch geschickte Kombination des gummiartigen Polybutadiens (PB), des pH-responsiven und mit Metallen beladbaren Poly(2-vinylpyridin) (P2VP) und des strahlungsempfindlichen Poly(tert-butylmethacrylats) (PtBMA), sind seitens der Polymersynthese die besten Voraussetzungen für synthetische Membranvorstufen geschaffen. Dünnfilme mit einer Dicke von kleiner 100 nm wurden sowohl mittels Lackschleudern als auch mittels Ziehvorrichtung zur Erstellung von Dickegradienten auf unterschiedlichen Substraten hergestellt. Im Anschluss wurden die selbstangeordneten Strukturen während des kontrollierten Lösungsmittelbedampfens in ein thermodynamisches Gleichgewicht überführt und mittels (Quasi in-situ) Rasterkraftmikroskopie und Elektronemikroskopie charakterisiert.
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Warten auf die Transkription: Die humanen Elongationsfaktoren NELF und DSIF
(2009)
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Sabine Wenzel
- Die humanen Elongationsfaktoren negative elongation factor (NELF) und 5,6-dichloro-1-beta-D-ribofuranosylbenzimidazole (DRB) sensitivity inducing factor (DSIF) sind Schlüsselfaktoren beim promotorproximalen Arretieren in der frühen Elongationsphase der Transkription. Dabei interagieren beide Faktoren direkt mit RNA-Polymerase II. NELF bindet über die RNA recognition motif (RRM)-Domäne der Untereinheit E zusätzlich an die naszierende RNA. Eine derartige Transkriptionsblockade tritt auch während der Transkription des Genoms des humanen Immunschwächevirus 1 (HIV-1) Provirus auf. NELF bindet hierbei an die Haarnadel-Struktur der naszierenden RNA (HIV-1 TAR RNA). Ein Ziel dieser Arbeit war die strukturelle Analyse der RRM-Domäne von NELF E sowie die Untersuchung einer möglichen sequenzspezifischen Bindung von NELF E RRM an HIV-1 TAR RNA. Außerdem galt es, die Struktur der kleinen Untereinheit von DSIF, hSpt4, zu bestimmen und ihre Interaktion mit der NGN-Domäne der großen DSIF-Untereinheit hSpt5 näher zu charakterisieren. Die Struktur der RRM-Domäne von NELF E wurde mittels magnetischer Kernresonanz (NMR) bestimmt (PDB: 2BZ2) und besteht aus einem viersträngigen Faltblatt mit zwei alpha-Helices, die gegen eine Seite des Faltblattes packen. An der RNA-Bindung sind die zentralen beta-Stränge mit den beiden aromatischen Resten Tyr43 und Phe77 aus dem Konsensussequenzmotiv ribonucleoprotein domain 2 (RNP2) bzw. RNP1 involviert. Der in der freien Form unstrukturierte C-Terminus der RRM bildet in der gebundenen Form (PDB: 2JX2) eine 3-10-Helix aus, die höchstwahrscheinlich direkt an der RNA-Bindung beteiligt ist. RRM-Domänen gelten als klassische einzelstrangbindende Domänen. Die prognostizierte Bindestelle von NELF E ist jedoch die doppelsträngige HIV-1 TAR RNA Stammregion. Die durchgeführten 15N-NMR-Titrationsexperimente und Fluoreszenzgleichgewichtstitrationen mit die HIV-1 TAR RNA umfassenden RNA Oligonukleotiden zeigten, dass NELF E RRM präferentiell einzelsträngige RNA bindet. Die ermittelten KD-Werte lagen dabei alle im niederen mikromolekularen Bereich. NELF E RRM zeigt somit im Vergleich zu anderen RRM-Domänen eine schwächere Affinität für RNA. Eine sequenzspezifische Bindung an die HIV-1 TAR RNA konnte, auch in Versuchen mit der gesamten NELF E Untereinheit, nicht beobachtet werden. Vieles deutet somit darauf hin, dass RNA-Bindung durch NELF E sequenzunabhängig stattfindet. Der Zeitpunkt der RNA-Bindung während der Elongation der Transkription wird womöglich durch andere Faktoren bzw. Ereignisse gesteuert. NELF übt seine inhibitorische Wirkung nur im Zusammenspiel mit dem Elongationsfaktor DSIF aus, über den es nur wenig strukturelle Informationen gibt. Die Koexpression von hSpt4 mit der NusG N-terminalen Homologie Domäne von hSpt5 (hSpt5-NGN) als dessen Interaktionspartner ermöglichte die Bestimmung der Kristallstruktur von hSpt4/hSpt5-NGN bis zu einer Auflösung von 1.55 Å (PDB: 3H7H). hSpt5-NGN besteht aus einem zentralen, viersträngigen Faltblatt und aus einzelnen Helices, die von beiden Seiten gegen das Faltblatt packen. hSpt4 verfügt über ein zwei- und ein dreisträngiges Faltblatt, die senkrecht zueinander angeordnet sind und sich auf der Interaktionsfläche zugewandten Seite befinden. Zusätzliche helikale Elemente werden durch den ausgebildeten Zinkfinger fixiert. Die Komplexstruktur ist von einem zentralen sechssträngigen intermolekularen beta-Faltblatt geprägt. hSpt4/hSpt5-NGN zeigt sehr große Strukturähnlichkeit zur kürzlich publizierten homologen Komplexstruktur von Spt4/Spt5-NGN aus S. cerevisiae. Ein für die Bindung essentieller Glutamatrest (E338) von Spt5-NGN ist auch in hSpt5-NGN konserviert (E228). Der Komplex hSpt4/hSpt5-NGN(E228Q) konnte wegen der Unlöslichkeit von hSpt5-NGN(E228Q) nicht gereinigt werden. Dies deutet an, dass die Interaktion zwischen hSpt4 und hSpt5-NGN(E228Q) gestört ist. Somit ist E228 von hSpt5-NGN höchstwahrscheinlich ebenso essentiell für die Wechselwirkung mit hSpt4 wie im homologen Hefekomplex. hSpt5-NGN hat auch strukturelle Ähnlichkeiten zur N-terminalen Domäne (NTD) des bakteriellen Transkriptionsfaktors NusG. E. coli (Ec)NusG-NTD verfügt an der Position des Glutamatrestes über einen Glutaminrest (Q72). hSpt4-Bindung an EcNusG-NTD bzw. EcNusG-NTD(Q72E) wurde jedoch nicht beobachtet. Ein möglicher Grund dafür ist die unterschiedliche Ladungsverteilung an der hSpt4-Bindungsfläche. hSpt4 besitzt hingegen Ähnlichkeiten zum archaealen Transkriptionsfaktor RpoE‘‘. Überlagerung der Strukturen von hSpt4 und RpoE‘‘ aus P. furiosus (PDB: 1RYQ) zeigten, dass beide den Zinkfinger und die senkrecht zueinander angeordneten Faltblätter gemein haben. Strukturbestimmung sowie funktionelle Analyse von NELF E RRM und hSpt4/hSpt5-NGN repräsentieren somit einen weiteren Schritt auf dem Weg zur Entschlüsselung der komplexen zellulären Vorgänge während der eukaryontischen Transkription.
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Carbon dynamics under natural and manipulated meteorological boundary conditions in a forest and a fen ecosystem
(2009)
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Jan Muhr
- Current climate models predict changes in the amount, intensity, frequency and type of precipitation within this century. These changes are likely to result in an increasing frequency of severe drought periods in summer, causing irregular and extreme drought stress in well-drained soils or a lowering of the water table in water-logged soils. Due to rising temperatures precipitation is more likely to occur as rain rather than snow, resulting in reduced snowpacks in winter. In some regions, this can lead to an increasing frequency of soil frost. In summary, changes in the global water cycle can significantly affect boundary conditions within soils. This thesis investigated the impact of extreme meteorological boundary conditions on CO2 fluxes in two ecosystems in South-eastern Germany. Using a combination of field site manipulation and laboratory experiments we investigated the effects of prolonged summer drought and soil frost on soil C dynamics in a Norway spruce forest. In a minerotrophic fen located nearby, the effect of water table lowering (as a result of summer drought) on ecosystem C dynamics was quantified. Additionally, soil C dynamics at both sites were modeled under current meteorological conditions. For the Norway spruce forest, modeling indicated that soil C turnover predominantly occurred within the organic horizons. During the last decades, the soil has acted as a small sink. The possibility of altered C dynamics at the site due to undocumented liming has to be considered when comparing results presented here to results from other sites. For the fen, modeling revealed that soil C turnover was dominated by processes occurring within the uppermost 15 cm of the peat and that root biomass was a very important soil C stock. Most important, modeling indicated that the fen was turned into a net C source during the last decades, presumably because of disturbance of the hydrological conditions. Results from this fen cannot be regarded as representative for undisturbed peatlands. Soil frost was induced at the forest site by removing the snowpack in the winter of 2005/2006. On the snow removal plots, soil frost occurred down to a depth of at least 15 cm and for several weeks, in contrast to the snow-covered control plots where no soil frost occurred. Soil C losses were significantly reduced not only during the soil frost period but also in the summer of 2006. This phenomenon could be explained by changes in the composition of the microbial community due to soil frost, primarily a reduction of fungal biomass. To investigate the effect of drought on soil C dynamics we experimentally induced prolonged drought at the forest-site by excluding throughfall with a transparent roof during the summers of 2006-2008. Additionally, undisturbed soil columns from the site were subjected to drought in the laboratory. In both experiments, drought reduced total soil C losses in comparison to C losses from a control. This reduction was mainly owed to decreased soil respiration rates during the actual drought period, but water repellency also hindered rewetting of the dry soil, thus further prolonging the period of reduced soil respiration rates. In the past, mobilization of stabilized C due to drying-wetting has been repeatedly discussed as a possibility to actually enhance soil C losses. In the studies presented here, no evidence for this assumption was found. Soil C mineralization rates were reduced during drought and recovery was slow, possibly delayed by water repellency and preferential flow. At the fen site we used two approaches: (i) Experimental lowering of water tables to measure resulting C fluxes in comparison to C fluxes under natural conditions (i.e. control plots), and (ii) repeated measurements under varying natural conditions to be able to later statistically identify the main drivers of CO2 fluxes. We included measurements of C uptake and respiration by aboveground vegetation, thus being able to study ecosystem rather than soil C dynamics at the fen site. In summary, the impact of the water table on CO2 fluxes in and out of the fen ecosystem was minimal. Soil respiration was not affected at all by the manipulative lowering of the water table from ca. 15 cm down to more than 60 cm, most likely due to low substrate quality in deeper peat. Measurements of the natural C dynamics indicate that water table could have an impact on soil respiration within the uppermost 0-15 cm of the soil, but predominantly low water tables during summer under current boundary conditions make it unlikely that further lowered water tables due to climate change will markedly affect soil respiration rates at this site. In summary, CO2 fluxes at the site are presumably very resilient towards an increasing frequency of summer drought resulting in lowering of the water table.
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Kristallstruktur der Selen-abhängigen Nicotinat-Dehydrogenase aus Eubacterium barkeri
(2009)
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Nadine Wagener
- Eubacterium barkeri ist ein gram-positives, anaerobes Bakterium, das zur Ordnung der Clostridien gehört. Es ist der einzige bekannte Organismus, der Nicotinat fermentativ zu Propionat, Acetat, CO2 und NH4+ abbauen kann. Initiert wird dieser Abbauweg durch eine Selen-abhängige Nicotinat-Dehydrogenase, die zur Familie der Molybdän-abhängigen Xanthin-Oxidoreduktasen gehört. Xanthin-Oxidoreduktasen sind große, meist dimere Moleküle die ihr Substrat unter gleichzeitiger Oxidation hydroxylieren. Katalysiert wird diese Reaktion durch einen charakteristischen Molybdän-Kofaktor, der im Verlauf der Reaktion als Hydrid-Akzeptor, Proton-Donor und Hydroxyl-Donor fungiert. Die Elektronen werden vom Molybdän aus über eine kurze Elektronentransport-Kette, bestehend aus zwei [2Fe2S]-Zentren sowie häufig einem FAD-Molekül, auf einen externen Elektronenakzeptor übertragen. Durch Wachstum auf Nicotinat-haltigem Medium wurde die NDH in E. barkeri exprimiert. Es wurden verschiedene Reinigungsstrategien entwickelt die, in Bezug auf Reinheit und Aktivität, den Anforderungen der jeweiligen Kristallisation angepasst waren. Die kurze Halbwertzeit des instabilen Enzyms konnte durch eine verkürzte Reinigung von wenigen Stunden auf mehrere Tage verlängert werden. Die Kristallisation des sauerstoffempfindlichen Enzyms erfolgte unter anaeroben Bedingungen, durch die Methode der Gasphasendiffusion im hängenden Tropfen. Die Struktur der NDH konnte bei 2,2 Å gelöst werden. Die NDH ist eine typische Xanthin-Oxidoreduktase mit einer dimeren Grundstruktur, sowie jeweils einer Molybdän- , Flavin- und Eisen-Schwefel-Untereinheit je Monomer. Weiter war es möglich, das Enzym in aktiver Form, d.h. mit Selen-haltigem Molybdän-Kofaktor zu kristallisieren und seine Struktur bei 2,5 Å zu lösen. Der Nachweis des Selens erfolgte unter Verwendung der anomalen Streuung des Selens am ESRF. Dadurch konnte nachgewiesen werden, dass das Selen als endständiger Ligand des Molybdäns eine äquivalente Position einnimmt wie Schwefel im Kofaktor anderer Xanthin-Oxidoreduktasen. Die NDH ist die erste Nicotinat-Dehydrogenase, sowie die einzige Xanthin-Oxidoreduktase mit endständigem Selenoliganden, die bisher kristallisiert werden konnte. Letztlich handelt es sich auch um die erste Kristallstruktur eines Enzyms, dessen katalytisch involviertes Selen nicht in Form von Selenocystein Bestandteil des Proteins ist.
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Structure-function relationship of archaeal rhodopsin proteins analyzed by continuum electrostatics
(2009)
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Edda Kloppmann
- Rhodopsin proteins perform two cellular key functions: signaling of external stimuli and ion transport. Examples of both functional types are found in the family of archaeal rhodopsins, namely the proton pump bacteriorhodopsin, the chloride pump halorhodopsin and the photoreceptor sensory rhodopsin II. For these three membrane proteins, high-resolution X-ray structures are available, allowing a theoretical investigation in atomic detail. In this thesis, calculations are presented based on a continuum electrostatics approach using a finite-difference discretization of the Poisson-Boltzmann equation. The results can be divided into three parts. One of the interesting features of rhodopsin proteins is the extreme range over which the absorption maximum of their chromophore retinal is tuned. This characteristic and the precision of the tuning mechanism is a fundamental requirement for color vision. Using the archaeal rhodopsins as model systems, this work aims at advancing the understanding of the inter-protein absorption shift. The presented results demonstrate that the electrostatic interactions of the protein with the retinal are a major determinant of the inter-protein shift. The differences in electrostatic potential that the proteins cause at the retinal could be assigned to seven residues. A generalized model of a quantum mechanical particle in a box including the electrostatic potential as a parameter allows a qualitative description of the absorption maxima. Bacteriorhodopsin has become one of the most important model systems in the field of bioenergetics. This is due to its relative simplicity making it amenable to experimental and theoretical studies. Here, the probability of functionally relevant protonation states is calculated to characterize the available structures. The protonation behavior of the key residues of proton transfer and the correlation between the protonation of these residues is analyzed. The results show that with respect to the protonation the bR, K, L and M1 intermediate state are well represented by the available structures, while the M2, N and O intermediate state are less well represented. An algorithm is introduced that determines a gap-free list of the lowest energy states. Such a list allows to analyze the ensemble of states accessible to a system in a certain energy range and, thus, can provide useful insight into the functional mechanism. The newly developed algorithm, termed X-DEE, is based on the dead-end elimination theorem. The X-DEE algorithm is applicable to a wide range of problems, for instance in protein design attempts. Here, X-DEE is successfully applied to bacteriorhodopsin to obtain gap-free lists of the lowest energy protonation states.
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Designing novel host materials for blue phosphorescent organic light-emitting diodes
(2009)
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Michael Rothmann
- The overall efficiency of an organic light-emitting diode (OLED) is always limited to the efficiency of its individual components. The most important component is the emission layer, where excitons are formed and light is generated. This thesis deals with the improvement of one class of OLED component, namely host materials for blue phosphorescent emitters. Three generations of 1,3,5-triazine-based materials with varying donor-substituents are presented in this work. In the first generation carbazole units are bound to the triazine core. The second generation consists of triazines with diarylamino substituents. The third generation compounds are a combination of disubtituted triazines from the first two generations and a phenoxy-carbazole unit. While the first and second generation comprise substituents that are directly bound to the triazine core, in the third generation triazines the phenylcarbazole-donor is attached via a nonconjugated ether bond. Within each generation various properties are tailored to fulfill the complex profile of requirements for host materials. Known nucleophilic substitution reactions were further improved to enable the efficient synthesis of novel host materials in very high purity and high yields. The sequential replacement of the chlorines of cyanuric chloride is dependent on temperature, actual ring substitution and the nature of the nucleophile. Effective methods were developed to yield asymmetrically substituted triazines in a controlled manner. The thermal properties, including the thermal stability to enable the processing by vapor deposition and the glass forming properties to result in a morphological stability of prepared thin emission layers, were controlled by systematic investigation of different substitution patterns. Thus, glass transition temperatures up to 170 °C are presented. Studies of the long term stability of amorphous host films, carried out for several materials, revealed its importance for long term efficient devices. The electrochemical properties of the novel compounds were investigated by cyclic voltammetry to study the energetic position of the HOMO and the LUMO as well as the stability of the material upon oxidation and reduction. Using this method the injection properties of the materials were determined. The blocking of activated positions resulted in reversible redox behavior. Furthermore the ionization potential was decreased for the third generation triazines to yield an improved hole injection into these materials. Additionally computational calculations were carried out to understand and further improve the energy levels by substituent exchange. This led directly to the development of bipolar host materials with separated hole and electron transport units within one molecule. Furthermore single carrier devices were fabricated to demonstrate the benefits of the transport bipolar characteristics. For the efficient operation of a device the triplet energy of the host material has to be higher compared to the emitter. First generation triazines exhibit triplet energies up to 2.96 eV and therefore enable the use of light and middle blue phosphorescent emitters. Second generation triazines comprise exceptionally high triplet energies up to 3.24 eV. These are amongst the highest values reported in the literature and facilitate the use of deep blue phosphorescent emitters. For hosts of the third generation the triplet energy depends on the choice of the triazine moiety. They are therefore suited for light and deep blue emitter. Extensive photo physical characterizations of all materials have been carried out in solutions, neat films and doped films. Energy transfer experiments with several emitters additionally gained valuable information about the compatibility of host and guest molecules All generations of triazines are tested as host material in OLEDs. The optimization of the device configurations was carried out by combinatorial evaporation. The sequential adaption of layer thickness and composition helped to improve the device performance. The stepwise optimization of the host material properties resulted in an enduring progression concerning the luminance and efficiency. For the third generation triazines 11.5 % external quantum efficiency and a high brightness of 33000 cd/m2 were achieved.
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Naturstoff-basierte Cytostatika mit verbesserter Tumorselektivität und Potential zur Überwindung von Wirkstoffresistenzen
(2009)
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Bernhard Biersack
- Mit Pt(II)-Komplexen der 6’-Aminomethylnicotinsäure konnte ein neues Metallkomplexfragment entwickelt werden, über das potentielle Wirkstoffe über wenige Syntheseschritte verbunden werden konnten. Eine erste erfolgreiche Entwicklung war ein (-)-Menthylester-Konjugat mit Potential zur Überwindung der problematischen Cisplatin-Resistenz bei Hodenkrebszellen. Anschließende Modifikationen der Terpen- und der Ligand-Komponente führten zu einem (+)-Cedrenyl-Derivat mit verbesserter Wirkung bei Cisplatin-resistenten Melanom- und Hodenkrebszellen, zu Menthol-Konjugaten mit Diaminopropionat- und -butyrat-Liganden und höherer Aktivität bei Darmkrebszellen, sowie zu Propyl-Spacer-verknüpften Menthol- und Neomenthol-Konjugaten mit ebenfalls verbesserter Wirkung bei diversen resistenten Krebsformen. Zur Erhöhung der Selektivität von Pt(II)-Verbindungen auf hormonabhängige Krebsarten wie Brustkrebs wurde in dieser Arbeit ihre Bindung an das Serumprotein SHBG optimiert, welches Estrogene und Androgene im Blut transportiert und im Zielgewebe akkumuliert. Eine erste Serie von Steroid-Konjugaten mit Pt(II)-Komplexen wies deutliche Struktur-Aktivitäts-Beziehungen hinsichtlich der Affinität zu SHBG auf. Vor allem über die 3-Hydroxy-Gruppe veresterte Estradiol- und Estron-Konjugate sowie ein über den D-Ring verknüpftes Testosteron-Konjugat zeigten eine starke Bindung an SHBG. Ru(Aren)-Komplexe besitzen in vielerlei Hinsicht Vorteile gegenüber Platinverbindungen. So führte die einfache Synthese von entsprechenden ternären Konjugat-Komplexen unter milden Bedingungen ausgehend von einem Ru(Aren)-Dimer zu Konjugaten mit dem Phase-III-Wirkstoff Abirateron, dem stark auf Nierenkrebs wirkenden Digitoxigenin, oder zwei Rezeptortyrosinkinase-inhibierenden Tyrphostin-Derivaten. Ein weiteres Projekt war die Synthese von Metallkomplexen mit Melophlinen, einer Familie mariner N-Methyl-3-acyltetramsäuren. Melophlin C wurde mit geeigneten Metall-Fragmenten zu den entsprechenden Metallkomplexen umgesetzt, wobei La(III)- und Ru(II)-Komplexe eine starke Wirkung auf Nierenkrebs- (A-498) und Leukämiezellen (U-937) im niedrigen mikro- bis sub-mikromolaren Bereich zeigten. Der giftige Pilzinhaltsstoff Illudin-M wurde aus Flüssigkulturen von Omphalotus olearius isoliert und derivatisiert. Dimer-Verbindungen, in welchen Illudin M mit Bipyridyldicarbonsäure oder mit Endothall über die Yamaguchi-Methode verestert wurde, zeigten eine erhöhte Wirkung auf Bauchspeicheldrüsenkrebs und eine verringerte Toxizität bei nicht-malignen Hautfibroblastenzellen. Nachfolgende Arbeiten führten zur einem Phthalester, der die oben genannten Diester in der Wirkung übertraf. Der dritte Themenkomplex dieser Arbeit befasste sich mit Derivaten des Phase-III-Wirkstoffs Combretastatin A-4 und dem Ziel, die Effizienz sowie die pharmakologischen Eigenschaften zu verbessern. Zur Konjugatsynthese eigneten sich in erster Linie bekannte Chalkon-Analoga. Bemerkenswert ist vor allem ein neues Pt-Konjugat, welches bei resistenten Tumorarten die Wirkung des freien Chalkons übertraf. Eine wertvolle Alternative zu den Chalkonen stellte ein hochwirksames Oxazol-verbrücktes Analogon dar, welches über die van-Leusen-Reaktion erhalten werden konnte. Ein Ru(II)-Konjugat, welches aus dem Isonicotinsäureester des Oxazols und einem Ru-Dimer hergestellt wurde, erzielte bei einem Darmkrebs mit WT-p53 eine verbesserte Wirkung und scheint durch die Ru(II)-Komponente einen zusätzlichen Wirkmechanismus zu besitzen, der möglicherweise über eine Schädigung der DNA verläuft. Außerdem wurden weitere Oxazol-Derivate synthetisiert. Ein Methylsulfanyl-Derivat konnte die Combretastatin-Resistenz des HT-29-Darmkrebses überwinden. Ein Oxazol-verbrücktes Analogon von Combretastatin A-1, welches eine p53-abhängige Wirkung zu besitzen scheint, konnte zu einem p-Chinon oxidiert werden. Abschließend wurde eine der meta-Methoxygruppen des 3,4,5-Trimethoxyphenyl-Rings gegen Halogene (Cl, Br) oder eine Amino-Gruppe ersetzt, und unterschiedlichste Oxazol- und N-Methylimidazol-verbrückte Derivate mit dieser Modifizierung hergestellt. Durch Überführung in HCl-Salze konnten wasserlösliche Vertreter mit ansprechender Antitumor-Aktivität erhalten werden, die für eine in-vivo-Anwendung in Testmäusen besonders geeignet sind.
