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Embedded systems have become ubiquitous in everyday life, and especially in the automotive industry. New applications challenge their design by introducing a new class of problems that are based on a detailed analysis of the environmental situation. Situation analysis systems rely on models and algorithms of the domain of computational geometry. The basic model is usually an Euclidean plane, which contains polygons to represent the objects of the environment. Usual implementations of computational geometry algorithms cannot be directly used for safety-critical systems. First, a strict analysis of their correctness is indispensable and second, nonfunctional requirements with respect to the limited resources must be considered. This thesis proposes a layered approach to a polygon-processing system. On top of rational numbers, a geometry kernel is formalised at first. Subsequently, geometric primitives form a second layer of abstraction that is used for plane sweep and polygon algorithms. These layers do not only divide the whole system into manageable parts but make it possible to model problems and reason about them at the appropriate level of abstraction. This structure is used for the verification as well as the implementation of the developed polygon-processing library.
Nowadays, accounting, charging and billing users' network resource consumption are commonly used for the purpose of facilitating reasonable network usage, controlling congestion, allocating cost, gaining revenue, etc. In traditional IP traffic accounting systems, IP addresses are used to identify the corresponding consumers of the network resources. However, there are some situations in which IP addresses cannot be used to identify users uniquely, for example, in multi-user systems. In these cases, network resource consumption can only be ascribed to the owners of these hosts instead of corresponding real users who have consumed the network resources. Therefore, accurate accountability in these systems is practically impossible. This is a flaw of the traditional IP address based IP traffic accounting technique. This dissertation proposes a user based IP traffic accounting model which can facilitate collecting network resource usage information on the basis of users. With user based IP traffic accounting, IP traffic can be distinguished not only by IP addresses but also by users. In this dissertation, three different schemes, which can achieve the user based IP traffic accounting mechanism, are discussed in detail. The inband scheme utilizes the IP header to convey the user information of the corresponding IP packet. The Accounting Agent residing in the measured host intercepts IP packets passing through it. Then it identifies the users of these IP packets and inserts user information into the IP packets. With this mechanism, a meter located in a key position of the network can intercept the IP packets tagged with user information, extract not only statistic information, but also IP addresses and user information from the IP packets to generate accounting records with user information. The out-of-band scheme is a contrast scheme to the in-band scheme. It also uses an Accounting Agent to intercept IP packets and identify the users of IP traffic. However, the user information is transferred through a separated channel, which is different from the corresponding IP packets' transmission. The Multi-IP scheme provides a different solution for identifying users of IP traffic. It assigns each user in a measured host a unique IP address. Through that, an IP address can be used to identify a user uniquely without ambiguity. This way, traditional IP address based accounting techniques can be applied to achieve the goal of user based IP traffic accounting. In this dissertation, a user based IP traffic accounting prototype system developed according to the out-of-band scheme is also introduced. The application of user based IP traffic accounting model in the distributed computing environment is also discussed.
This dissertation is intended to transport the theory of Serre functors into the context of A-infinity-categories. We begin with an introduction to multicategories and closed multicategories, which form a framework in which the theory of A-infinity-categories is developed. We prove that (unital) A-infinity-categories constitute a closed symmetric multicategory. We define the notion of A-infinity-bimodule similarly to Tradler and show that it is equivalent to an A-infinity-functor of two arguments which takes values in the differential graded category of complexes of k-modules, where k is a commutative ground ring. Serre A-infinity-functors are defined via A-infinity-bimodules following ideas of Kontsevich and Soibelman. We prove that a unital closed under shifts A-infinity-category over a field admits a Serre A-infinity-functor if and only if its homotopy category admits an ordinary Serre functor. The proof uses categories and Serre functors enriched in the homotopy category of complexes of k-modules. Another important ingredient is an A-infinity-version of the Yoneda Lemma.
In der vorliegenden Arbeit werden Sekundärstrukturmotive von isolierten Peptiden und Peptid-Aggregaten in der Gasphase analysiert. Zur Untersuchung ihrer intrinsischen Eigenschaften werden die isolierten Peptide durch adiabatische Abkühlung in Molekularstrahlen erzeugt. Durch die Anwendung hochsensitiver Techniken der Doppelresonanzspektroskopie, Resonante zwei Photonen Ionisation (R2PI) und Infrarot/Resonante zwei Photonen Ionisation (IR/R2PI), werden die Peptide und Peptid-Aggregate hinsichtlich ihrer Elektronen – und Schwingungsübergängen analysiert. Die Schwingungsfrequenzen im Bereich der Amid A, I, II Moden und im oberen „Fingerprintbereich“ von Peptiden sind sehr signifikant für die Geometrie des Rückgrates und der Seitenketten, z.B. unterscheiden sich Schwingungen von Gruppen, die an Wasserstoffbrückenbindungen beteiligt sind, sehr stark durch ihre Lage und Intensität gegenüber Schwingungen von frei vorliegenden Gruppen. Ein Vergleich mit berechneten Schwingungsfrequenzen aus ab initio und Dichtefunktionaltheorie Rechnungen ermöglicht eine Zuordnung zu einer bestimmten Struktur. Es werden in dieser Arbeit verschiedene Sekundärstrukturen über die Analyse von geschützten Aminosäuren, Di- und Tripeptiden untersucht. Insbesondere gelang es erstmals, ein ß-Faltblattmodellsystem für ein isoliertes Dimer eines Peptids nachzuweisen. Weiterhin werden zum molekularen Verständnis der Mikrosolvatation Aggregate mit Wassermolekülen betrachtet und somit der Einfluss auf die Sekundärstruktur durch sukzessive Aggregation von Wassermolekülen analysiert. In Kooperation mit Prof. Schrader (Universität Duisburg-Essen) werden Templatmoleküle charakterisiert, um ihre Fähigkeiten zur Anlagerung an schädliche ß-Faltblattstrukturen zu untersuchen, die in sogenannten neurodegenerativen Krankheiten häufig auftreten. Die Effizienz ist sowohl über die Analyse der Zahl und Stärke der inter- und intramolekularen Wasserstoffbrückenbindungen als auch über die gebildete Clusterstruktur untersucht worden.
Anionenrezeptoren aus Cyclopeptiden mit 6-Aminopicolinsäure- und substituierten Prolinuntereinheiten
(2007)
Ziel dieser Arbeit war es, neue Cyclopeptide auf Basis der in der Arbeitsgruppe um S. Kubik untersuchten Anionenrezeptoren aus L-Prolin- und 6-Aminopicolinsäure zu entwickeln und hinsichtlich ihrer Rezeptor- und Sensoreigenschaften zu untersuchen. Das Hauptaugenmerk lag dabei auf dem Einfluss von Substituenten an den Prolinuntereinheiten auf die Bindungsaffinität und -selektivität. Durch eine systematische Syntheseoptimierung konnte eine effiziente Strategie für ein 4R-Amino-L-prolin-haltiges Dipeptid erarbeitet werden, welches es ermöglicht, verschiedene Substituenten mit der gewünschten Konfiguration an den C(γ)-Atomen der Prolineinheiten einzuführen. Aus den funktionalisierten Dipeptiden konnten anschließend die entsprechenden Cyclopeptide nach Standardmethoden aufgebaut werden. Die Charakterisierung der Bindungseigenschaften dieser Verbindungen hinsichtlich der Komplexierung verschiedener Sulfonate und Acetat erfolgte mittels NMR-Spektroskopie und isothermer Titrationskalorimetrie in unterschiedlichen Lösungsmitteln. Die Untersuchungen zeigten, dass die Struktur und die Flexibilität der peripheren Substituenten um den Cyclopeptidhohlraum einen signifikanten Einfluss auf die Substratbindung besitzt.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Anionenrezeptoren aus einfach und zweifach verbrückten Bis(cyclopeptiden). Die Cyclohexapeptiduntereinheiten bestehen dabei aus einer alternierenden Sequenz aus L-Prolin und 6-Aminopicolinsäure. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden eine Reihe neuer einfach verbrückter Bis(cyclopeptide) synthetisiert und mit dem bis jetzt einzigen bekannten verbrückten Bis(cyclopeptid) dieser Art verglichen. Bei diesen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die neu dargestellten Bis(cyclopeptide) anorganische Anionen auf die gleiche Art wie das bereits bekannte binden. Dabei wird das Anion kooperativ durch die Cyclopeptiduntereinheiten über sechs Wasserstoffbrücken koordiniert. Mittels isothermer Titrationskalorimetrie (ITC) wurden die thermodynamischen Parameter der Komplexbildung der Anionen mit den Bis(cyclopeptiden) bestimmt. Es stellte sich heraus, dass die Linkerstruktur einen großen Einfluss auf die thermodynamischen Parameter der Komplexbildung besitzt, wenn auch die resultierenden Bindungskonstanten der Rezeptoren für ein Anion in einer ähnlichen Größenordung liegen. Mit einem log Ka von etwa 6,0 konnte in dieser Untersuchung einer der besten neutralen Sulfatrezeptoren in wässrigen Lösungsmitteln identifiziert werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde eine Strategie erarbeitet, die den Zugang zu zweifach verbrückten Bis(cyclopeptiden) ermöglicht. Dabei wurde die dynamische kovalente Chemie (DCC) bei der Synthese verwendet. Als reversible Reaktion wurde der Disulfidaustausch eingesetzt. Bei der Synthese wurde ein entsprechend dithiofunktionalisiertes Bis(cyclopeptid) in Anwesenheit verschiedener Dithiole als Linker und eines Templats umgesetzt. Dabei bildete sich die thermodynamisch stabilste Bis(cyclopeptid)-Linker Struktur aus. Es konnten im Laufe dieser Untersuchungen bereits erste Strukturen identifiziert werden, die selektiv für Anionen der Größe und Geometrie von Sulfat und Iodid waren. Dabei wurden nur Bis(cyclopeptide) gebildet, die einen Linker pro Brücke besaßen und es kam nicht zum Einbau verschiedener Linker in ein Bis(cyclopeptid). Im letzten Teil dieser Arbeit wurde überprüft, ob die Entwicklung eines Sensors auf Basis von einfach verbrückten Bis(cycloeptiden) möglich ist. Es konnte gezeigt werden, dass der Einsatz von Bis(cyclopeptiden) als Ionophore in ionenselektiven Elektroden (ISEs) kein viel versprechender Weg zur Erzeugung eines Sensors ist. Durch die Einführung eines fluoreszenzaktiven Linker konnte aber Bis(cyclopeptid) synthetisiert werden, dass in wässrigen Lösungen einen hochselektiven Fluoreszenzsensor für Sulfat darstellt. Dabei kommt es in Anwesenheit von Sulfat, selbst in Anwesenheit von 100 Äquivalenten Natriumchlorid, zu einer Löschung der Fluoreszenz. Keins der anderen acht untersuchten Anionen hatte einen ähnlichen Effekt auf das Fluoreszenzspektrum. Durch theoretische DFT Rechnungen konnte die Löschung der Fluoreszenz rationalisiert werden. Damit eröffnen sich erste praktische Anwendungen für die Bis(cyclopetide).
The lattice Boltzmann method (LBM) is a numerical solver for the Navier-Stokes equations, based on an underlying molecular dynamic model. Recently, it has been extended towardsthe simulation of complex fluids. We use the asymptotic expansion technique to investigate the standard scheme, the initialization problem and possible developments towards moving boundary and fluid-structure interaction problems. At the same time, it will be shown how the mathematical analysis can be used to understand and improve the algorithm. First of all, we elaborate the tool "asymptotic analysis", proposing a general formulation of the technique and explaining the methods and the strategy we use for the investigation. A first standard application to the LBM is described, which leads to the approximation of the Navier-Stokes solution starting from the lattice Boltzmann equation. As next, we extend the analysis to investigate origin and dynamics of initial layers. A class of initialization algorithms to generate accurate initial values within the LB framework is described in detail. Starting from existing routines, we will be able to improve the schemes in term of efficiency and accuracy. Then we study the features of a simple moving boundary LBM. In particular, we concentrate on the initialization of new fluid nodes created by the variations of the computational fluid domain. An overview of existing possible choices is presented. Performing a careful analysis of the problem we propose a modified algorithm, which produces satisfactory results. Finally, to set up an LBM for fluid structure interaction, efficient routines to evaluate forces are required. We describe the Momentum Exchange algorithm (MEA). Precise accuracy estimates are derived, and the analysis leads to the construction of an improved method to evaluate the interface stresses. In conclusion, we test the defined code and validate the results of the analysis on several simple benchmarks. From the theoretical point of view, in the thesis we have developed a general formulation of the asymptotic expansion, which is expected to offer a more flexible tool in the investigation of numerical methods. The main practical contribution offered by this work is the detailed analysis of the numerical method. It allows to understand and improve the algorithms, and construct new routines, which can be considered as starting points for future researches.
In der vorliegenden Arbeit wird das Tragverhalten von Verbundträgern im Bereich von großen Stegöffnungen analysiert und ein Modell zur Ermittlung der Querkrafttragfähigkeit des Betongurts entwickelt. Die Basis dazu bilden umfangreiche experimentelle und rechnerische Untersuchungen. Des Weiteren wird die Reibung zwischen dem Schaft von einbetonierten Kopfbolzendübeln und dem umgebendem Beton experimentell untersucht. Anhand von 21 großmaßstäblichen Traglastversuchen, die erstmals so konzipiert waren, dass im Öffnungsbereich nahezu die gesamte Querkraft durch den Betongurt übertragen wurde, konnte die Querkrafttragfähigkeit des Betongurts experimentell in engen Grenzen bestimmt werden. Neue Erkenntnisse über den Lastabtragungs- und Versagensmechanismus im Öffnungsbereich wurden durch die Auswertung der Dehnungen der Kopfbolzendübel im Öffnungsbereich und das nachträgliche Aufsägen des Betongurts der Versuchsträger gewonnen. Die Versuche wurden mit einem dreidimensionalen FE-Modell, das die Versuche in ihren wesentlichen Teilen abbildete, simuliert. Durch den Vergleich der rechnerischen mit den experimentell ermittelten Werten wurde dieses Modell überprüft und anschließend wurden damit Parameteruntersuchungen durchgeführt. Mit den Erkenntnissen aus den experimentellen und rechnerischen Untersuchungen konnte der Lastabtragungsmechanismus im Öffnungsbereich umfassend analysiert werden und ein Ingenieurmodell zur Bestimmung und zum Nachweis der Querkrafttragfähigkeit des Betongurts im Öffnungsbereich entwickelt werden.
Analog sensor electronics requires special care during design in order to increase the quality and precision of the signal, and the life time of the product. Nevertheless, it can experience static deviations due to the manufacturing tolerances, and dynamic deviations due to operating in non-ideal environment. Therefore, the advanced applications such as MEMS technology employs calibration loop to deal with the deviations, but unfortunately, it is considered only in the digital domain, which cannot cope with all the analog deviations such as saturation of the analog signal, etc. On the other hand, rapid-prototyping is essential to decrease the development time, and the cost of the products for small quantities. Recently, evolvable hardware has been developed with the motivation to cope with the mentioned sensor electronic problems. However the industrial specifications and requirements are not considered in the hardware learning loop. Indeed, it minimizes the error between the required output and the real output generated due to given test signal. The aim of this thesis is to synthesize the generic organic-computing sensor electronics and return hardware with predictable behavior for embedded system applications that gains the industrial acceptance; therefore, the hardware topology is constrained to the standard hardware topologies, the hardware standard specifications are included in the optimization, and hierarchical optimization are abstracted from the synthesis tools to evolve first the building blocks, then evolve the abstract level that employs these optimized blocks. On the other hand, measuring some of the industrial specifications needs expensive equipments and some others are time consuming which is not fortunate for embedded system applications. Therefore, the novel approach "mixtrinsic multi-objective optimization" is proposed that simulates/estimates the set of the specifications that is hard to be measured due to the cost or time requirements, while it measures intrinsically the set of the specifications that has high sensitivity to deviations. These approaches succeed to optimize the hardware to meet the industrial specifications with low cost measurement setup which is essential for embedded system applications.
Esterases and lipases are widely used as industrial enzymes and for the synthesis of chiral drugs. Because of their rich secondary metabolism, Streptomyces species offer a relatively untapped source of interesting esterases and lipases. S. coelicolor and S. avermitilis contain 51 genes annotated as esterases and/or lipases. In this study I have cloned 14 different genes encoding for lipolytic enzymes from S. coelicolor (11 genes) and S. avermitilis (four genes). Some of these genes were over-expressed in E. coli. Three of the produced enzymes, which were produced by the genes SCO 7131, SCO6966 and SCO3644, were characterized biochemically and one of them was subjected for directed evolution. The gene estA (locus SCO 7131) was annotated as a putative lipase/esterase in the genome sequence of S. coelicolor A3(2), but does not have a homologue in the genome sequence of S. avermitilis or in other known Streptomyces sequences. estA was cloned and expressed in E. coli as a His-tagged protein. The protein was purified and could be recovered in its non-tagged form after digestion with factor Xa. The relative molecular weight was estimated to be 35.5kDa. The enzyme was only active towards acetate esters and not on larger substrates. It had a stereospecificity towards α-naphathylacetate. It was thermostable, with a half-life at 50C of 4.5 hours. Est A showed stability over pH range 5.5-10, and had optimum pH of 7.5. Its activity was drastically decreased when it was pre-incubated in 10mM PMSF, Cu+2 and Hg+2. It was not very stable in most organic solvents and had only slight enantioselectivity. Est A belongs to the HSL family whose founder member is the human hormone-sensitive lipase. I have developed a protein profile for the HSL family modifying the conserved motifs found by Arpigny and Jaeger (1999). Due to the presence of several HSL members with known 3D structure and good homology to Est A, I was able to make a homology model of Est A. Five different mutants of Est A were produced through site directed mutagenesis: W87F, V158A, W87F/V158A, M162L and S163A. The mutants M162L and S163A did not produce a significant change either in substrate specificity or enzyme kinetics. The mutants V158A and W87F/V158A could act on the larger substrates p-nitrophenylbutyrate and caproate and tributyrin. The mutant V158A had improved thermostability and its t1/2 at 50ºC increased to 24h. The affinity of V158A towards p-nitrophenyacetate increased 6-fold when compared with the wild type, whereas the affinity of W87F decreased 4-fold. Directed evolution of Est A was done through random mutagenesis and ER-PCR. A library of 6336 mutants was constructed and screened for mutants with a broader spectrum of substrate specificity. The mutant XXVF7 did show alteration in the substrate specificity of Est A. The mutant XXVF7 had 5 amino acids changes L76R, L146P, S196G, W213R and L267R. The gene locus SCO 6966 (estB gene) was cloned and expressed in E. coli as a His-tagged protein. It was not possible to remove the His-tag using factor Xa. The tagged protein had a molecular weight 31.9kDa. Est B was active against short chain fatty acid esters (C2-C6). Its optimum temperature was 30ºC and was stable for 1h at temperatures up to 37ºC. The enzyme had maximum activity at pH 8-8.5 and was stable over pH range 7.5-11 for 24h. It was highly sensitive for PMSF, Cu+2 and Hg+2. The enzymatic activity deceased in presence of organic solvents, however it was fairly stable for 1h in 20% organic solvents solutions. A third esterase was produced from the gene locus SCO 3644. This esterase was a thermosensitive one with optimum temperature of 35ºC. The three characterized enzymes included a thermophilic, mesophilic and psychrophilic ones. This indicates the high variation in the characters of Streptomyces lipolytic enzymes and highlighting Streptomyces as a source for esterases and lipases of interesting catalytic activity. This study was an initial trial to provide a strategy for a comprehensive use of genome data.
The broad engineering applications of polymers and composites have become the
state of the art due to their numerous advantages over metals and alloys, such as
lightweight, easy processing and manufacturing, as well as acceptable mechanical
properties. However, a general deficiency of thermoplastics is their relatively poor
creep resistance, impairing service durability and safety, which is a significant barrier
to further their potential applications. In recent years, polymer nanocomposites have
been increasingly focused as a novel field in materials science. There are still many
scientific questions concerning these materials leading to the optimal property
combinations. The major task of the current work is to study the improved creep
resistance of thermoplastics filled with various nanoparticles and multi-walled carbon
nanotubes.
A systematic study of three different nanocomposite systems by means of
experimental observation and modeling and prediction was carried out. In the first
part, a nanoparticle/PA system was prepared to undergo creep tests under different
stress levels (20, 30, 40 MPa) at various temperatures (23, 50, 80 °C). The aim was
to understand the effect of different nanoparticles on creep performance. 1 vol. % of
300 nm and 21 nm TiO2 nanoparticles and nanoclay was considered. Surface
modified 21 nm TiO2 particles were also investigated. Static tensile tests were
conducted at those temperatures accordingly. It was found that creep resistance was
significantly enhanced to different degrees by the nanoparticles, without sacrificing
static tensile properties. Creep was characterized by isochronous stress-strain curves,
creep rate, and creep compliance under different temperatures and stress levels.
Orientational hardening, as well as thermally and stress activated processes were
briefly introduced to further understanding of the creep mechanisms of these
nanocomposites. The second material system was PP filled with 1 vol. % 300 nm and 21 nm TiO2
nanoparticles, which was used to obtain more information about the effect of particle
size on creep behavior based on another matrix material with much lower Tg. It was
found especially that small nanoparticles could significantly improve creep resistance.
Additionally, creep lifetime under high stress levels was noticeably extended by
smaller nanoparticles. The improvement in creep resistance was attributed to a very
dense network formed by the small particles that effectively restricted the mobility of
polymer chains. Changes in the spherulite morphology and crystallinity in specimens
before and after creep tests confirmed this explanation.
In the third material system, the objective was to explore the creep behavior of PP
reinforced with multi-walled carbon nanotubes. Short and long aspect ratio nanotubes
with 1 vol. % were used. It was found that nanotubes markedly improved the creep
resistance of the matrix, with reduced creep deformation and rate. In addition, the
creep lifetime of the composites was dramatically extended by 1,000 % at elevated
temperatures. This enhancement contributed to efficient load transfer between
carbon nanotubes and surrounding polymer chains.
Finally, a modeling analysis and prediction of long-term creep behaviors presented a
comprehensive understanding of creep in the materials studied here. Both the
Burgers model and Findley power law were applied to satisfactorily simulate the
experimental data. The parameter analysis based on Burgers model provided an
explanation of structure-to-property relationships. Due to their intrinsic difference, the
power law was more capable of predicting long-term behaviors than Burgers model.
The time-temperature-stress superposition principle was adopted to predict long-term
creep performance based on the short-term experimental data, to make it possible to
forecast the future performance of materials.
Acrylamid (AA) ist ein Kanzerogen, das beim Braten, Backen und Frittieren stärkehaltiger Le-bensmittel im Wesentlichen aus dem Vorläufer Asparagin in Gegenwart reduzierender Zucker in substantiellen Mengen gebildet wird. AA wird im Organismus metabolisch zu Glycidamid (GA) umgewandelt. Für GA wurden DNA-Addukte insbesondere mit dem N7 des Guanins nachgewiesen. Von besonderem Interesse für die Risikobewertung von AA ist Aufklärung des kanzerogenen Wirkmechanismus sowie des genotoxischen Potentials im Vergleich zu anderen bekannten Kanzerogenen. Ziel der Arbeit war es daher, das genotoxische Potential von AA und seinen Metaboliten GA sowie deren genotoxischen Wirkmechanismus zu charakterisieren. AA wurde im Vergleich zu den alpha, beta-ungesättigten Carbonylverbindungen Acrolein (Ac) und Hexenal (Hex) getestet, GA vergleichend zu aktiven Formen der Kanzerogene Benzo[a]pyren (B[a]P) und N-Nitrosodiethanolamin (NDELA) sowie den N-Nitrosoharnstoffen MNU und HENU und ausgewählten N-Nitroso-oxazolidinonen, einer Gruppe von N-Nitrosaminen, welche möglicherweise endogen im Organismus gebildet und nach Hydrolyse in ihre biologisch aktive Form überführt werden. Humanes Vollblut, isolierte Lymphozyten sowie V79-Säugerzellen wurden als Testsysteme verwendet. Als Endpunkte der Genotoxizität wurde die Induktion und Kinetik der Abnahme von DNA-Strangbrüchen sowie der Einfluss von Glutathion auf die DNA-Strangbruchinduktion im Comet Assay bestimmt. Die Sensitivität und Selektivität des Comet Assays wurde durch zusätzliche Behandlung der DNA mit dem DNA-Reparaturenzym Formamido-pyrimidin-DNA-glykosylase (FPG) gesteigert. FPG erkennt AP Stellen, ring-geöffnete Pyrimidine sowie oxidierte Purine und überführt diese in zusätzliche DNA-Strangbrüche. Das mutagene Potential der Verbindungen nach 5-tägiger Expressionszeit wurde in V79 Zellen mittels hPRT-Genmutations-Assay untersucht. AA erwies sich in allen Testsystemen als nicht genotoxisch. Die im Vergleich getesteten alpha, beta-ungesättigten Carbonylverbindungen Ac und Hex waren ebenfalls in humanem Vollblut nicht genotoxisch, verursachten jedoch in isolierten Lymphozyten in hohen Konzentrationen(> 3000 µM) DNA-Strangbrüche. GA war in allen Testsystemen genotoxisch. Im Comet Assay ohne FPG zeigten sich DNA-Strangbrüche ab 300 µM (1h). Nach zusätzlicher Behandlung der DNA mit FPG wurden bereits ab 10 µM (4h) DNA-Strangbrüche detektiert. DNA-Schäden waren erst ab einer Inkubationszeit von einer Stunde signifikant und erreichten nach 24h ein Maximum. GA induzierte in V79 Zellen zudem erst in 80-fach höheren Konzentrationen hPRT-Mutationen (800 µM) als DNA-Strangbrüche. Zusätzlich zeigte sich, dass die Mutationsrate erst in Konzentrationen signifikant erhöht war, in denen eine Reduktion der DNA-Schäden nicht mehr effektiv erfolgte. Die Genotoxizität von GA beruht vermutlich auf der präferentiellen Bindung an N7-Guanin. Die entstehenden N7-G-Addukte werden entweder spontan zur AP Stelle depuriniert oder zum Formamido-pyrimidin ring-geöffnet. Beide Arten von Folgeprodukten sind FPG-Substrate und werden vermutlich effizient repariert, sodass es erst bei hohen lokalen Konzentrationen (> 800 µM) zu einer signifikanten Ausprägung von Mutationen kommt. Die im Vergleich zu GA getesteten Kanzerogene (±)-BPDE und alpha-Acetoxy-NDELA waren im Comet Assay bei ähnlichen Konzentrationen genotoxisch (10-30 µM; 1h). Im Gegensatz zu GA induzierten beide allerdings hPRT-Mutationen (3-10 µM) im gleichen Konzentrationsbereich wie DNA-Strangbrüche. Ähnliche genotoxische Eigenschaften zeigten auch die im Vergleich zu GA getesteten N-Nitrosoverbindungen. Die Gruppe der N-Nitroso-oxazolidinone wurde erstmals im Hinblick auf Genotoxizität und Mutagenität geprüft. NOZ-2 induzierte in V79 Zellen bereits nach 15’ ab 3 µM maximal DNA-Strangbrüche. HENU induzierte DNA-Strangbrüche ab 100 µM (15’). In beiden Fällen hatte FPG keinen Einfluss auf die DNA-Strangbruchinduktion. Sowohl NOZ-2 als auch HENU sind hydroxyethylierend. Im Gegensatz dazu, waren das carboxymethylierende oder methylierende NOZ-5 und das methylierende MNU im Comet Assay ohne FPG nur gering aktiv (> 300 resp. 1000 µM; 15’), während nach FPG-Behandlung die Aktivität im Comet Assay (NOZ-5: >10µM; MNU: >100µM; 15’) deutlich gesteigert war. Die Kinetik der Abnahme von DNA-Strangbrüchen ist für die Verbindungen unterschiedlich. Während die NOZ-2-induzierten DNA-Läsionen (30µM) persistieren, wurden die durch NOZ-5 und HENU induzierten DNA-Schäden -vergleichbar mit GA- effektiv innerhalb einer 8-stündigen Nachbehandlungszeit reduziert. Für alle untersuchten N-Nitrosoverbindungen waren hPRT-Mutationen im gleichen Konzentrationsbereich wie DNA-Strangbrüche im Comet Assay mit FPG nachweisbar. Die N-Nitrosoverbindungen sind damit insgesamt deutlich potenter mutagen als GA. NOZ-2 und HENU führen vermutlich vergleichbar mit alpha-Acetoxy-NDELA zu einer Hydroxyethylierung der DNA-Phosphodiester. Die resultierenden Phosphotriester sind instabil und werden voraussichtlich schnell in DNA-Strangbrüche gespalten. Des Weiteren ist die Bildung instabiler N7-G- und promutagener O6-G-2-Hydroxyethyl-Addukte zu erwarten. Das potentiell DNA-carboxymethylierende/methylierende NOZ-5 und das DNA-methylierende MNU alkylieren ver-mutlich die gleichen Positionen in der DNA. Allerdings scheinen die gebildeten Methyl- oder Carboxymethyl-Phosphotriester stabil zu sein und werden nicht spontan in Strangbrüche überführt. Die gebildeten N7-G-Addukte sind FPG-Substrate, was sich am FPG-vermittelten Anstieg der DNA-Strangbruchrate zeigt. Dies steht im Gegensatz zu NOZ-2, bei welchem FPG keinen Einfluss auf die DNA-Strangbruchinduktion hatte. Vermutlich ist dies auf die Hydroxyethylierung der Phosphat-Gruppen durch NOZ-2 zurückzuführen, deren spontane DNA-Strangbruch-Induktion den Nachweis von N7-G-Addukten mittels FPG überlagert. Weiterhin zeigte sich, dass trotz vergleichbar hoher hPRT-Mutagenität, NOZ-5-induzierte DNA-Schäden deutlich geringer persistent als entsprechende NOZ-2-Läsionen sind. Das mutagene Potential von NOZ-5 ist daher vermutlich, neben anderen nicht reparierten DNA-Schäden, auf promutagene O6-G-Addukte zurückzuführen, welche in MGMT-defizienten V79 Zellen nicht repariert werden. Orientierend wurde der Einfluss detoxifizierender Makromoleküle auf die Genotoxizität von GA und alpha, beta-ungesättigten Carbonylverbindungen durch Vergleich der Aktivitäten in humanem Vollblut und isolierten Lymphozyten sowie durch Co-Inkubation mit Glutathion (GSH) in V79 Zellen untersucht. Während Ac und Hex in isolierten Lymphozyten deutlich potenter DNA-schädigend als in humanem Vollblut sind, ist GA in beiden Systemen vergleichbar genotoxisch. Offensichtlich wird in humanem Vollblut die Aktivität von GA durch detoxifizierende Blutbestandteile nur unwesentlich beeinflusst. Ein entsprechender Effekt zeigt sich auch bei der Co-Inkubation von V79 Zellen. Während GSH die DNA-schädigende Wirkung von Ac und Hex in V79 Zellen deutlich reduzierte, war für GA kein signifikanter Unterschied zur DNA-Strangbruchrate in ausschließlich GA-behandelten Zellen nachzuweisen. Zusammenfassend konnte mit dieser Arbeit gezeigt werden, dass AA selbst nicht genotoxisch bzw. mutagen ist; Ac und Hex in humanem Vollblut ebenfalls nicht genotoxisch sind, allerdings in isolierten Lymphozyten bei hohen Konzentrationen (> 3000 µM) Genotoxizität induzieren; die genotoxische/ mutagene Wirkung von AA durch GA vermittelt wird; GA im Vergleich zu anderen potenten Kanzerogenen Genotoxizität nur sehr langsam induziert (signifikant nach 1h) und eher schwach mutagen ist; GA-induzierte DNA-Läsionen schnell (innerhalb von 8h) repariert werden;die physiologische Umgebung in Humanblut nur geringen Einfluss auf die biologische Aktivität von GA hat; NOZ-2 vergleichbar mit HENU mit und ohne FPG-Behandlung signifikant DNA-Strangbrüche erzeugt. Vermutlich führt die Hydroxylierung am Phosphat-Rückgrad zu spontanen Strangbrüchen, die den FPG-Effekt überlagern; NOZ-5 (vermutlich methylierend oder carboxymethylierend im Comet Assay) im Gegensatz dazu ohne FPG-Behandlung im Comet Assay nur schwach aktiv ist, während nach FPG-Behandlung offenbar die vermutete Bildung von N7-G-Addukten zum Tragen kommt; NOZ’s in V79-Zellen potente Mutagene sind; dies vermutlich in Folge von O6-Guanin-Addukt-Bildung, welche in MGMT-defizienten V79 Zellen nicht repariert werden; durch Kombination unterschiedlicher Protokolle des Comet-Genotoxizitäts- und hPRT-Mutagenitätstests orientierende Aussagen über den Zusammenhang zwischen DNA-Alkylierung, Detoxifizierung, DNA-Reparatur und der Entstehung von Mutationen gemacht werden können.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden pflanzliche Membranproteine mit strukturellen Ähnlichkeiten zu Anion:Cation-Symportern, insbesondere zu den Transportern der NaPi1- Familie aus Tieren untersucht. Neben den bereits bekannten Anion-Transporter (ANTR) aus Arabidopsis thaliana (ROTH et al., 2004) wurde in dieser Arbeit eine homologe Proteinfamilie aus Oryza sativa identifiziert. Dabei konnte die funktionelle Verwandtschaft der Proteine AtANTR5 aus A. thaliana und OsANTR5.1 aus O. sativa mittels Komplementation der antr5-Mutante nachgewiesen werden. Der Schwerpunkt der Arbeit lag in der Charakterisierung der physiologischen Bedeutung des AtANTR5-Proteins in der Phosphathomöostase, im Stickstoffstoffwechsel oder bei Pathogenbefall. Mittels GFP-Fusionsexperimenten konnte für AtANTR5 eine subzelluläre Lokalisierung im Golgi-Apparat festgestellt werden. Durch AtANTR5-Promotor-GUS-Pflanzen wurde die gewebe- und entwicklungsspezifische Expression des Membranproteins untersucht. AtANTR5 weist in den meisten Geweben eine sehr geringe Transkriptmenge auf und ist mittels GUS-Färbung nur in Pollen detektierbar. Dennoch ist das AtANTR5-Protein für die ganze Pflanze von essentieller Bedeutung, da eine Inaktivierung des Gen zu gravierenden phänotypischen Veränderungen, gekennzeichnet durch zwergenhaften Wuchs, eingerollten Blättern und Blattläsionen. Aufgrund der Ähnlichkeit zu tierischen Phosphattransportern, wurde zunächst der Einfluss von AtANTR5 auf die Phosphathomöostase in entsprechenden „knock out“-Mutanten untersucht. Es konnte jedoch keine Veränderungen im Phosphathaushalt festgestellt werden. Vielmehr weist die antr5-Mutante eine erhöhte Sensitivität gegenüber Aminosäuren, Ammonium und Salz auf. Offensichtlich ist die durch AtANTR5 Transportaktivität innerhalb des Golgi-Apparates von außerordentlichen Wichtigkeit für den pflanzlichen Stoffwechsel. Des weiteren konnte ein Zusammenhang zwischen AtANTR5 und Pathogenabwehr festgestellt werden. „Northern-Blot“-Analysen zeigten eine Induktion der AtANTR5-Expression als Antwort auf Pathogenbefall durch P. syringae. Zytologische sowie histochemische Analysen haben bei antr5-Pflanzen die Ausprägung zahlreicher Abwehrmechanismen, wie Ablagerungen von Callose in den Zellwänden, Akkumulation von phenolischen Metaboliten, Salizylsäure, PR Proteinen und Wasserstoffperoxid oder Absterben der Zellen, gezeigt. Weiterhin konnte eine erhöhte Resistenz der antr5-Pflanzen gegenüber dem Befall von P. syringae ermittelt werden. Durch die Expression des NahG-Gens in antr5-Mutanten konnte gezeigt werden, dass die Expression der PR-Gene Salizylsäure abhängig, das spontane Absterben der Zellen jedoch Salizylsäure unabhängig war. Dieses Befund lässt den Schluss zu, dass erhöhte SA-Akkumulation und die dadurch aktivierte Abwehr, sekundäre Effekte der AtANTR5-Inaktivierung darstellen.
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Synthese neuartiger, substituierter N,N,N-tridentater Liganden auf der Basis der Stammverbindungen 2,6-Di(pyrazol-3-yl)pyridin und 2,6-Di(pyrimidin-4-yl)pyridin. Die katalytische Aktivität von Dichloroeisen- und Dichlorocobaltkomplexen dieser Liganden in der Olefinpolymerisation wurde getestet. Einen weiteren Schwerpunkt stellte die Synthese von Rutheniumkomplexen auf der Basis dieser neuartigen Liganden und deren Anwendbarkeit in homogen katalysierten Oxidations- und Epoxidationsreaktionen sowie der Hydrovinylierungsreaktion dar. Die Möglichkeit den Liganden 2,6-Di(pyrazol-3-yl)pyridin leicht chemisch modifizieren zu können, wurde genutzt, um Eigenschaften (z. B. die Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln) des Liganden und der sich ableitenden Komplexe zu beeinflussen. Zur regioselektiven N-Funktionalisierung der Pyrazolringe wurden nucleophile Substitutionsreaktionen genutzt. Dieser einfache Zugangsweg zu substituierten 2,6-Di(pyrazol-3-yl)pyridinen wurde ebenso dazu verwendet, um funktionelle Gruppen, die eine Substraterkennung über Wasserstoffbrückenbindungen und eine Komplexierung von Lewis-Säuren ermöglichen sollte, in die Peripherie dieser Liganden anzubinden.
The main concern of this contribution is the computational modeling of biomechanically relevant phenomena. To minimize resource requirements, living biomaterials commonly adapt to changing demands. One way to do so is the optimization of mass. For the modeling of biomaterials with changing mass, we distinguish between two different approaches: the coupling of mass changes and deformations at the constitutive level and at the kinematic level. Mass change at the constitutive level is typically realized by weighting the free energy function with respect to the density field, as experimentally motivated by Carter and Hayes [1977] and computationally realized by Harrigan and Hamilton [1992]. Such an ansatz enables the simulation of changes in density while the overall volume remains unaffected. In this contribution we call this effect remodeling. Although in principle applicable for small and large strains, this approach is typically adopted for hard tissues, e.g. bone, which usually undergo small strain deformations. Remodeling in anisotropic materials is realized by choosing an appropriate anisotropic free energy function. <br> Within the kinematic coupling, a changing mass is characterized through a multiplicative decomposition of the deformation gradient into a growth part and an elastic part, as first introduced in the context of plasticity by Lee [1969]. In this formulation, which we will refer to as growth in the following, mass changes are attributed to changes in volume while the material density remains constant. This approach has classically been applied to model soft tissues undergoing large strains, e.g. the arterial wall. The first contribution including this ansatz is the work by Rodriguez, Hoger and McCulloch [1994]. To model anisotropic growth, an appropriate anisotropic growth deformation tensor has to be formulated. In this contribution we restrict ourselves to transversely isotropic growth, i.e., growth characterized by one preferred direction. On that account, we define a transversely isotropic growth deformation tensor determined by two variables, namely the stretch ratios parallel and perpendicular to the characteristic direction. <br> Another method of material optimization is the adaption of the inner structure f a material to its loading conditions. In anisotropic materials this can be realized by a suitable orientation of the material directions. For example, the trabeculae in the human femur head are oriented such that they can carry the daily loads with an optimum mass. Such a behavior can also be observed in soft tissues. For instance, the fibers of muscles and the collagen fibers in the arterial wall are oriented along the loading directions to carry a maximum of mechanical load. If the overall loading conditions change, for instance during a balloon angioplasty or a stent implantation, the material orientation readapts, which we call reorientation. The anisotropy type in biomaterials is often characterized by fiber reinforcement. A particular subclass of tissues, which includes muscles, tendons and ligaments, is featured by one family of fibers. More complex microstructures, such as arterial walls, show two fiber families, which do not necessarily have to be perpendicular. Within this contribution we confine ourselves to the first case, i.e., transversely isotropic materials indicated by one characteristic direction. The reorientation of the fiber direction in biomaterials is commonly smooth and continuous. For transverse isotropy it can be described by a rotation of the characteristic direction. Analogous to the theory of shells, we additionally exclude drilling rotations, see also Menzel [2006]. However, the driving force for these reorientation processes is still under discussion. Mathematical considerations promote strain driven reorientations. As discussed, for instance, in Vianello [1996], the free energy reaches a critical state for coaxial stresses and strains. For transverse isotropy, it can be shown that this can be achieved if the characteristic direction is aligned with a principal strain direction. From a biological point of view, depending on the kind of material (i.e. bone, muscle tissue, cartilage tissue, etc.), both strains and stresses can be suggested as stimuli for reorientation. Thus, whithin this contribution both approaches are investigated. <br> In contrast to previous works, in which remodeling, growth and reorientation are discussed separately, the present work provides a framework comprising all of the three mentioned effects at once. This admits a direct comparison how and on which level the individual phenomenon is introduced into the material model, and which influence it has on the material behavior. For a uniform description of the phenomenological quantities an internal variable approach is chosen. Moreover, we particularly focus on the algorithmic implementation of the three effects, each on its own, into a finite element framework. The nonlinear equations on the local and the global level are solved by means of the Newton-Raphson scheme. Accordingly, the local update of the internal variables and the global update of the deformation field are consistently linearized yielding the corresponding tangent moduli. For an efficient implementation into a finite element code, unitized update algorithms are given. The fundamental characteristics of the effects are illustrated by means of some representative numerical simulations. Due to the unified framework, combinations of the individual effects are straightforward.
Sepsis ist eine lebensbedrohliche Krankheit und eine der häufigsten Todesursachen auf Intensiv-Stationen. Eine der Hauptursachen für die Schwere dieser Krankheit ist die Lymphopenie, d. h. die apoptotische Depletion von Lymphozyten, die vor allem in der späten hypo-inflammatorischen Phase der Sepsis auftritt. Die dafür verantwortlichen Signalwege sind jedoch nicht im Detail geklärt. Die Liganden-vermittelte Aktivierung von PPARgamma (‚peroxisome proliferator activated receptor gamma’), einem wichtigen Regulator der Immunantwort, führt zur Apoptose in aktivierten T-Zellen. Daher postulierte ich, dass die PPARgamma-vermittelte Apoptose in T-Zellen zur Lymphopenie während der Sepsis beiträgt. Hierbei konnte ich zeigen, dass T-Zellen aus dem peripheren Blut von Sepsis-Patienten eine stark erhöhte PPARgamma-mRNA-Expression zeigten und in vitro stark erhöhte Apoptoseraten infolge einer Liganden-vermittelten PPARgamma-Aktivierung aufwiesen. Die hierfür erforderlichen PPARgamma-Liganden lagen im Plasma von Sepsis-Patienten vor. D. h. die PPARgamma-vermittelte Apoptose in T-Zellen könnte zur nachgewiesenen Lymphopenie während der Sepsis beitragen. Aufgrund der anti-inflammatorischen Wirkung von PPARgamma könnte dessen gezielte Aktivierung in der frühen hyper-inflammatorischen Phase durch Thiazolidindione (TZDs) als synthetische PPARgamma-Aktivatoren therapeutisch interessant sein. Da diese jedoch auch auf PPARgamma-unabhängigen Wegen den Zelltod in T-Zellen induzieren können, war es essentiell, die dafür verantwortlichen Signalwege zu klären. Dabei konnte ich feststellen, dass Ciglitazon Nekrose und Troglitazon Apoptose auf PPARgamma-unabhängigen Wegen bereits nach 4 h in Jurkat T-Zellen induzierten, wohingegen Rosiglitazon keinen Einfluss auf den Zelltod hatte. Die Inkubation der TZDs führte zur Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies, welche eine wichtige Rolle bei der Ciglitazon-induzierten Nekrose, jedoch nur marginal bei der Troglitazon-induzierten Apoptose spielten. Durch Studien in submitochondrialen Partikeln konnte ich zeigen, dass die getesteten TZDs den Komplex I der mitochondrialen Atmungskette inhibierten, während nur Ciglitazon und Troglitazon zusätzlich den Komplex II hemmen konnten. Mit Hilfe synthetischer Atmungskette-Inhibitoren konnte ich weiterhin zeigen, dass die Zelltod-Induktion nach Ciglitazon und Troglitazon in Jurkat T-Zellen hauptsächlich auf der Hemmung des Komplexes II beruhte. Da die Ciglitazon-Inkubation zur Depletion des ATP-Gehaltes führte, erfolgte eine Nekrose-Induktion nach Ciglitazon, wohingegen Troglitazon den ATP-Gehalt nicht beeinflusste und daher Apoptose induzierte. Die von mir identifizierten PPARgamma-unabhängigen Mechanismen der Zelltod-Induktion durch TZDs könnten eventuell Nebenwirkungen bei TZD-basierten Therapien erklären.
In this thesis, the quasi-static Biot poroelasticity system in bounded multilayered domains in one and three dimensions is studied. In more detail, in the one-dimensional case, a finite volume discretization for the Biot system with discontinuous coefficients is derived. The discretization results in a difference scheme with harmonic averaging of the coefficients. Detailed theoretical analysis of the obtained discrete model is performed. Error estimates, which establish convergence rates for both primary as well as flux unknowns are derived. Besides, modified and more accurate discretizations, which can be applied when the interface position coincides with a grid node, are obtained. These discretizations yield second order convergence of the fluxes of the problem. Finally, the solver for the solution of the produced system of linear equations is developed and extensively tested. A number of numerical experiments, which confirm the theoretical considerations are performed. In the three-dimensional case, the finite volume discretization of the system involves construction of special interpolating polynomials in the dual volumes. These polynomials are derived so that they satisfy the same continuity conditions across the interface, as the original system of PDEs. This technique allows to obtain such a difference scheme, which provides accurate computation of the primary as well as of the flux unknowns, including the points adjacent to the interface. Numerical experiments, based on the obtained discretization, show second order convergence for auxiliary problems with known analytical solutions. A multigrid solver, which incorporates the features of the discrete model, is developed in order to solve efficiently the linear system, produced by the finite volume discretization of the three-dimensional problem. The crucial point is to derive problem-dependent restriction and prolongation operators. Such operators are a well-known remedy for the scalar PDEs with discontinuous coefficients. Here, these operators are derived for the system of PDEs, taking into account interdependence of different unknowns within the system. In the derivation, the interpolating polynomials from the finite volume discretization are employed again, linking thus the discretization and the solution processes. The developed multigrid solver is tested on several model problems. Numerical experiments show that, due to the proper problem-dependent intergrid transfer, the multigrid solver is robust with respect to the discontinuities of the coefficients of the system. In the end, the poroelasticity system with discontinuous coefficients is used to model a real problem. The Biot model, describing this problem, is treated numerically, i.e., discretized by the developed finite volume techniques and then solved by the constructed multigrid solver. Physical characteristics of the process, such as displacement of the skeleton, pressure of the fluid, components of the stress tensor, are calculated and then presented at certain cross-sections.
Software stellt ein komplexes Werkzeug dar, das durch seine umfassenden Möglichkeiten die moderne Gesellschaft entscheidend geprägt hat. Daraus ergibt sich eine Abhängigkeit von Funktion und Fehlfunktion der Software, die eine an den funktionalen Anforderungen orientierte Entwicklung und Qualitätssicherung der Software notwendig macht. Die vorliegende Arbeit schafft durch Formalisierung und Systematisierung der Verfahren im funktionsorientierten Test eine fundierte Basis für eine Hinwendung zu den funktionsorientierten Techniken in Softwareentwicklung und –qualitätssicherung. Hierzu wird in der Arbeit zunächst ein formales Modell für das Vorgehen im dynamischen Test beschrieben, das sich an der Begriffsbildung der Literatur und dem Verständnis der Praxis orientiert. Das Modell beruht auf wenigen zentralen Annahmen, eignet sich für formale Untersuchungen und Nachweise und ist wegen seiner sehr allgemein gehaltenen Definitionen breit anwendbar und einfach erweiterbar. Auf dieser Basis werden Vorgehen und Verfahren zum funktionsorientierten Test analysiert. Zunächst wird dazu das Vorgehen im funktionsorientierten Test im Rahmen des Modells dargestellt. Darauf aufbauend werden zentrale Verfahren des funktionsorientierten Tests analysiert, die zum Gegenstand die systematische Prüfung der Umsetzung von weitgehend informal beschriebenen Anforderungen in einem Softwareprodukt haben. Betrachtet werden Verfahren der funktionalen Partitionierung, der funktionalen Äquivalenzklassenanalyse und Grenzwertbildung, Verfahren zur Prüfung von kausalen Zusammenhängen zwischen Ursachen und Wirkungen, Verfahren zur Prüfung von graphisch spezifizierter Funktionalität in Syntaxdiagrammen, Aktivitätsdiagrammen, Sequenz- und Kollaborationsdiagrammen und Petrinetzen, Verfahren zum Test zustandsbasierter Systeme sowie Ansätze einer funktionalen Dekomposition. Die Analyse und Diskussion der bekannten Verfahren im formalisierten Rahmenwerk führt zu zahlreichen Ergebnissen und Verfahrensergänzungen. So zeigt sich, dass in den klassischen, informalen Beschreibungen häufig Unklarheiten bestehen. Diese werden hier adressiert und durch Angabe von Kriterien präzisiert, Optimierungsmöglichkeiten werden aufgezeigt. Darüber hinaus wird an der einheitlichen formalen Darstellung der in der Literatur meist separat betrachteten Verfahren deutlich, welche Vergleichbarkeit zwischen den Verfahren besteht, welche Verfahrenskombinationen sinnvoll sind und wie durch ein kombiniert funktions- und strukturorientiertes Vorgehen eine hohe Aussagekraft in der analytischen Qualitätssicherung erreicht werden kann. Bei der Formulierung der Verfahren im Rahmen des Modells wird herausgearbeitet, wo zur Verfahrensdurchführung die kreative Leistung des Testers notwendig ist und welche Anteile formalisiert und damit automatisiert unterstützt werden können. Diese Betrachtungen bilden die Grundlage für die Skizzierung einer integrierten Entwicklungsumgebung, in der ein funktionsorientiertes Vorgehen in Entwicklung und Qualitätssicherung umgesetzt wird: Hier helfen funktionsorientierte Beschreibungsformen bei der Angabe der Spezifikation, ihrer Verfeinerung und ihrer Vervollständigung, sie unterstützen die Entwicklung durch Modellbildung, sie liefern die Basis für eine funktionsorientierte Testdatenselektion mit Adäquatheitsprüfung, sie können bei geeigneter Interpretierbarkeit über den Datenbereichen zur automatisierten Testfallgenerierung genutzt werden und unterstützen als suboptimale Testorakel eine automatisierte Auswertung des dynamischen Tests. Diese Skizze zeigt die praktische Umsetzbarkeit der vorwiegend theoretischen Ergebnisse dieser Arbeit und setzt einen Impuls für ein verstärktes Aufgreifen funktionsorientierter Techniken in Wissenschaft und Praxis.
Die enorme Nachfrage nach neuartigen Naturstoffen sowie Leitstrukturen für die (Teil-) Synthese pharmazeutischer Produkte verlangt ständig nach neuen Innovationen. Ein bedeutender Impuls ist dabei von der Marinen Biotechnologie zu erwarten, die seit einigen Jahren versucht, die sich bietenden medizinischen Potentiale auszuschöpfen. So können neuartige Wirkstoffe bzw. die für deren Produktion verantwortlichen Organismen und Enzyme isoliert und bereitgestellt werden. Häufig ist das Wachstum der Organismen jedoch stark limitiert sowie eine Produktion der Ziel-Metabolite nur unter bestimmten Bedingungen möglich, weshalb ein enormes Interesse an neuen Optimiermethoden zur Lösung des Problems besteht. Neuartige Lösungsansätze sollten daher im Rahmen dieser Arbeit verfolgt werden. Untersucht wurde eine „biochemische“ Wachstums- und Produktionsoptimierung mariner Bakterien durch einen Zusatz von Homoserinlactonen zum Kultivierungsmedium. Dabei konnte neben einem verbesserten Wachstum diverser Prokaryonten eine leichte Variation im Metabolitspektrum ermittelt sowie eine geringfügig erhöhte Produktion biologisch aktiver Substanzen detektiert werden. Soll das Wachstum von (marinen) Mikroorganismen optimiert werden, wird vom Anwender häufig eine unstrukturierte one-factor-at-a-time-Methode angewendet. Da diese in der Regel keine Beeinflussung der zu optimierenden variablen Parameter beachtet, wurden in dieser Arbeit alternativ rechnergestützte Optimierungen zur Umgehung dieses Problems durchgeführt. Zum Einsatz kam dabei eine Kombination aus einem Genetischen Algorithmus, welcher die Identifikation des globalen Optimums erlaubt und einem Simplex-Algorithmus, der zur Verfeinerung des bereits aufgefundenen Optimums dient. Hiermit konnte die Produktion einer marinen L-Serindehydratase im Rahmen einer Nährmediumsoptimierung um mehr als 50 % im Vergleich zum Referenzmedium gesteigert werden. Des Weiteren wurde ein im Polyketidscreening positiv aufgefallenes Bakterium (Halomonas marina) als Modellorganismus für ein neuartiges rechnergestütztes Verfahren eingesetzt, welches eine schnelle Identifizierung der Güte von Wachstumsparametern erlaubt und dabei eine repetitiv geführte Batch-Betriebsweise von Bioreaktoren nutzt. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Charakterisierung einer rekombinant exprimierten Tryptophan-5-Halogenase. Hierbei konnte nach der Identifizierung des Aktivitätsoptimums hinsichtlich des einzustellenden pH-Werts sowie der Temperatur die Halbwertszeit des Enzyms bei verschiedenen Temperaturen bestimmt und mittels 2 D-Gelelektrophorese der pI-Wert des Enzyms erstmalig determiniert werden. Ein Fokus dieser Untersuchungen lag auf der Optimierung der Enzymkinetik. Dabei konnte insgesamt eine Verbesserung der Ausbeute um den Faktor 1,6 erzielt werden.
Retentionsbodenfilter (RBF) werden in den letzten Jahren zunehmend zur weitergehenden Mischwasserbehandlung eingesetzt. Insbesondere bei empfindlichen Gewässern haben sich Retentionsbodenfilter als eine wertvolle Maßnahme zur Erfüllung der immissionsorientierten Anforderungen erwiesen, die sich vermehrt aus neuen europäischen Regelungen (EU WRRL, 2000) ergeben. Der überwiegend hohe Wirkungsgrad von RBF hinsichtlich der Elimi-nation von C-Verbindungen (CSB) und Ammonium (NH4) wurde mittlerweile an verschiede-nen Anlagen nachgewiesen. Es bestehen weiterhin Unsicherheiten hinsichtlich des Einflus-ses unterschiedlicher Beschickungs- und Betriebssituationen auf die Reinigungsleistung von Bodenfiltern. Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zur Verbesserung des Kenntnisstan-des zur Belastbarkeit von RBF liefern. Im Vordergrund steht die Ermittlung des maximalen Frachtrückhaltes hinsichtlich organischen Kohlenstoffverbindungen und Stickstoffverbindun-gen unter hohen hydraulischen und stofflichen Belastungen. Die Untersuchungen wurden im Labormaßstab an Säulenmodellen mit zwei unterschiedli-chen Filtersubstraten durchgeführt. Durch die gezielte Variierung der Beschickungsmengen und Filtergeschwindigkeit wurde ein breites Spektrum unterschiedlicher Belastungszustände untersucht. Ferner wurden Sauerstoff- und Redoxpotential im Säulenablauf sowie im Filter-körper gemessen. In Anschluss an die Versuchsreihen wurden die Säulen abgebaut und ergänzende bodenkundliche und mikrobiologische Untersuchungen durchgeführt. Die Ergebnisse einer ergänzenden Volumenbilanz zeigen, dass selbst in einem überstauten Filterkörper nicht alle Poren im mit Wasser gefüllt sind. Der in der eingeschlossenen Boden-luft enthaltene Sauerstoff trägt zur Wiederbelüftung des infiltrierenden Beschickungswassers bei. Die mikrobiell bedingten Unterschiede des O2-Verbrauchs im vertikalen Filterprofil haben zur Folge, dass in einem Filterkörper gleichzeitig aerobe, anoxische und anaerobe Zonen existieren können. Der Rückhalt von Ammonium hat sich als signifikant abhängig von der Filtrationsgeschwin-digkeit und der substratspezifischen Sorptionskapazität erwiesen. Die Gesamtbetrachtung der Stickstoffkomponenten und insbesondere NO3-Konzentrationsganglinien in Säulenablauf führt im Zusammenhang mit der Sauerstoffverfügbarkeit im Filterkörper zur Folgerung, dass NH4-Rückhalt nicht wie bisher als streng zweistufiger Prozess mit Teilschritten Sorption (in der Betriebsphase) und Nitrifikation (in der Trockenphase) angesehen werden kann. Die Er-gebnisse der Arbeit zeigen erstmals, dass unter bestimmten Bedingungen die Nitrifikation schon während der Betriebsphase stattfindet. Die Analyse des Sauerstoffverbrauchs in den Filterkörpern der untersuchten Säulen in Ver-bindung mit der CSB-Reinigungsleistung belegt, dass während der Betriebsphase auch für die CSB-Verbindungen ein unmittelbarer Abbau stattfindet. Unter aeroben Verhältnissen ist die Reinigungsleistung in allen untersuchten Säulen – unabhängig von Substrat und Filter-geschwindigkeit - weitgehend stabil.