Background: Hereditary transthyretin amyloidosis (ATTR) is a lethal disease in which misfolded transthyretin (TTR) proteins accumulate as insoluble aggregates in tissues throughout the body. A common mutation is the exchange of valine to methionine at place 30 (TTR V30M), a form endemically found in the northern parts of Sweden. The main treatment option for ATTR amyloidosis is liver transplantation as the procedure halts production of mutated transthyretin. The disease is associated with marked phenotypic diversity ranging from predominant cardiac complications to pure neuropathy. Two different types of fibril composition – one in which both fragmented and full-length TTR are present (type A) and one consisting of only full-length TTR (type B) have been suggested to account for some phenotypic differences. Cardiac amyloidosis is associated with increased myocardial thickness and the disease could easily be mistaken for other entities characterised by myocardial thickening, such as sarcomeric hypertrophic cardiomyopathy (HCM). The aims in this thesis were to investigate echocardiographic characteristics in Swedish ATTR amyloidosis patients, and to identify markers aiding in differentiating ATTR heart disease from HCM. Another objective was to examine the impact of fibril composition and sex on the phenotypic variation in amyloid heart disease. Methods: A total of 122 ATTR amyloidosis patients that had undergone thorough echocardiographic examinations were included in the studies. Analyses of ventricular geometry as well as assessment of systolic and diastolic function were performed, using both conventional echocardiographic methods and speckle tracking technique. ECG analysis was conducted in study I, allowing measurement of QRS voltage. In study I and study II ATTR patients were compared to patients with HCM. In addition, 30 healthy controls were added to study II. Results: When parameters from ECG and echocardiography were investigated, the results revealed that the combination of QRS voltage <30 mm (<3 mV) and an interventricular/posterior wall thickness quotient <1.6 could differentiate cardiac ATTR amyloidosis from HCM. Differences in degree of right ventricular involvement were also demonstrated between HCM and ATTR amyloidosis, where ATTR patients displayed a right ventricular apical sparing pattern whereas the inverse pattern was found in HCM. Analysis of fibril composition revealed increased LV wall thickness in type A patients compared to type B, but in addition type A women displayed both lower myocardial thickness and more preserved systolic function as compared to type A males. When cardiac geometry and function were evaluated pre and post liver transplantation in type A and B patients, significant deterioration was detected in type A but not in type B patients after liver transplantation. Conclusions: Increasing awareness of typical cardiac amyloidotic signs by echocardiography is important to reduce the risk of delayed diagnosis. Our classification model based on ECG and echocardiography could aid in differentiating ATTR amyloidosis from HCM. Furthermore, the apical sparing pattern found in the right ventricle may pose another clue for amyloid heart disease, although it requires to be studied further. Furthermore, we disclosed that type A fibrils, male sex and increasing age were important determinants of increased myocardial thickness. As type A fibril patients displayed rapid cardiac deterioration after liver transplantation other treatment options should probably be sought for this group of patients.

Hypertrophic cardiomyopathy (HCM), a heart-related abnormality, is the most prevalent cause of sudden death in young athletes at sporting events. A cluster of cardiomyopathy mutations are localized in β-cardiac myosin at the N-terminal region of subfragment-2. Using resonance energy transfer probes, a synthetic peptide model system was developed to study stability of the coiled coil (S2 fragment) structure by determining monomer-dimer equilibrium of the peptide. Fluorescence resonance energy transfer and MacroModel software suite were used to obtain distance measurements along with measurement of coiled coil formation. The model peptide was used to characterize the effects of disease-causing-mutations and examine potential candidate drugs (polyamines) to counteract effects of mutations causing HCM. Distance measurements between donor and acceptor probes obtained by computational simulation and fluorescence resonance energy transfer (FRET) were consistent. Measurements also agreed with simulations of unlabeled wildtype, indicating coiled coil structural stability of the peptide. Interaction of the site-specific antibody with the peptide strongly inhibited dimerization and destabilized coiled coil structure of the peptide. Presence of negatively charged glutamate residues in the region of subfragment-2 strongly suggested a potential interaction site for positively charged polyamines. Binding of certain polyamines, such as poly-L-Lysine 11 residues and poly-D-Lysine 17 residues, demonstrated the ability to enhance dimerization and improve stability of the coiled coil structure, while some other polyamines were shown to have insignificant impact on the structure. In an attempt to characterize the effect of HCM-causing-mutations, peptides containing E924K mutation and lethal mutation E930 deletion were synthesized. Fluorescence resonance probes were conjugated to the mutant peptides to determine coiled coil formation. Results obtained from both dynamic simulations and resonance energy transfer experiments indicated that these mutations strongly inhibit dimerization, and thus, destabilize coiled coil structure of the peptide. Further experiments were conducted using heterodimers containing a chain of wildtype and a chain of mutant peptide. Both E924K & Edel930 mutations destabilized coiled coil formation and prevented dimerization. This peptide model system would provide a promising tool for drug development targeting HCM-causing-mutations along the S2 region of myosin.

Familial hypertrophic cardiomyopathy (HCM) is a genetic disease largely caused by a mutation in myosin binding protein C (MYBPC3) and it affects about 1:500 population leading to arrhythmic sudden death, heart failure, and atrial fibrillation. MYBPC3 activates calcium-induced actin-myosin filament sliding within the cardiac sarcomere, creating the force necessary for heart contraction. The underlying molecular mechanisms causing HCM phenotype remain elusive, therefore, there is an urgent need for a reliable in vitro human HCM model to investigate the pathogenesis of HCM. This study utilized isogenic human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs) with MYBPC3 gene mutation (wildtype, heterozygous, homozygous) and further micropatterned them into fiber-like structures on polyacrylamide hydrogels of physiological and fibrotic-like stiffnesses. Cells were cultured for an extended culture time up to 60 days and their morphology/attachment, contractility, and calcium transient were extensively and carefully evaluated. It was found that MYBPC3 knockout cells maintained the highest contraction amplitude, but had increased contraction, and relaxation durations, decreased calcium transient amplitude, as well as time to peak and decay times over the culture period in comparison to the isogenic wildtype. Overall, this study demonstrates that hiPSC-CMs can be successfully patterned and cultured for an extended time on hydrogels forming end-to-end connections, which can be served as a simple yet effective in vitro human model for studying mechanical dysfunction of HCM.

A computational fluid dynamics (CFD) model is developed for pulsatile flows and particle transport to evaluate the possible thrombus trajectory in the feline aorta for Hypertrophic Cardiomyopathy (HCM) heart conditions. An iterative target mass flow rate boundary condition is developed, and turbulent simulations with Lagrangian particle transport model are performed using up to 11M grids. The model is validated for human abdominal aorta flow, for which the results agree within 11.6% of the experimental data. The model is applied for flow predictions in a generalized feline aorta for healthy and HCM heart conditions. Results show that in the HCM case, the flow through the iliac arteries decreases by 50%, due to the large recirculation regions in the abdominal aorta compared to the healthy heart case. The flow recirculation also result in stronger vortices with slower decay, causing entrapment of particles in the thoracic aorta and trifurcation regions.

With the introduction of different forms of adaptive and actuated signal control, there is a need for effective evaluation tools that can capture the intricacies of real-life applications. While the current state-of-the-art analytical procedures provide simple approaches for estimating delay, queue length and stops at signalized intersections, they are limited in scope. Alternatively, several microscopic simulation softwares are currently available for the evaluation of signalized intersections. The objective of this dissertation is fourfold. First, it evaluates the consistency, accuracy, limitations and scope of the alternative analytical models. Second, it evaluates the validity of micro simulation results that evolve as an outcome of the car-following relationships. The validity of these models is demonstrated for idealized hypothetical examples where analytical solutions can be derived. Third, the dissertation expands the scope of current analytical models for the evaluation of oversaturated signalized intersections. Finally, the dissertation demonstrates the implications of using analytical models for the evaluation of real-life network and traffic configurations. This dissertation compared the delay estimates from numerous models for an undersaturated and oversaturated signalized intersection considering uniform and random arrivals in an attempt to systematically evaluate and demonstrate the assumptions and limitations of different delay estimation approaches. Specifically, the dissertation compared a theoretical vertical queuing analysis model, the queue-based models used in the 1994 and 2000 versions of the Highway Capacity Manual, the queue-based model in the 1995 Canadian Capacity Guide for Signalized Intersections, a theoretical horizontal queuing model derived from shock wave analysis, and the delay estimates produced by the INTEGRATION microscopic traffic simulation software. The results of the comparisons for uniform arrivals indicated that all delay models produced identical results under such traffic conditions, except for the estimates produced by the INTEGRATION software, which tended to estimate slightly higher delays than the other approaches. For the random arrivals, the results of the comparisons indicated that the delay estimates obtained by a micro-simulation model like INTEGRATION were consistent with the delay estimates computed by the analytical approaches. In addition, this dissertation compared the number of stops and the maximum extent of queue estimates using analytical procedures and the INTEGRATION simulation model for both undersaturated and oversaturated signalized intersections to assess their consistency and to analyze their applicability. For the number of stops estimates, it is found that there is a general agreement between the INTEGRATION microscopic simulation model and the analytical models for undersaturated signalized intersections. Both uniform and random arrivals demonstrated consistency between the INTEGRATION model and the analytical procedures; however, at a v/c ratio of 1.0 the analytical models underestimate the number of stops. The research developed an upper limit and a proposed model for estimating the number of vehicle stops for oversaturated conditions. It was demonstrated that the current state-of-the-practice analytical models can provide stop estimates that far exceed the upper bound. On the other hand, the INTEGRATION model was found to be consistent with the upper bound and demonstrated that the number of stops converge to 2.3 as the v/c ratio tends to 2.0. For the maximum extent of queue estimates, the estimated maximum extent of queue predicted from horizontal shock wave analysis was higher than the predictions from vertical deterministic queuing analysis. The horizontal shock wave model predicted lower maximum extent of queue than the CCG 1995 model. For oversaturated conditions, the vertical deterministic queuing model underestimated the maximum queue length. It was found that the CCG 1995 predictions were lower than those from the horizontal shock wave model. These differences were attributed to the fact that the CCG 1995 model estimates the remaining residual queue at the end of evaluation time. A consistency was found between the INTEGRATION model and the horizontal shock wave model predictions with respect to the maximum extent of queue for both undersaturated and oversaturated signalized intersections. Finally, the dissertation analyzed the impact of mixed traffic condition on the vehicle delay, person delay, and number of vehicle stops at a signalized intersection. The analysis considered approximating the mixed flow for equivalent homogeneous flows using two potential conversion factors. The first of these conversion factors was based on relative vehicle lengths while the second was based on relative vehicle riderships. The main conclusion of the analysis was that the optimum vehicle equivalency was dependent on the background level of congestion, the transit vehicle demand, and the Measure of Effectiveness (MOE) being considered. Consequently, explicit simulation of mixed flow is required in order to capture the unique vehicle interactions that result from mixed flow. Furthermore, while homogeneous flow approximations might be effective for some demand levels, these approximations are not consistently effective. / Ph. D.

La presente tesis tiene como objetivo establecer una alternativa de solución para mejorar la seguridad del peatón en la intersección Av. Los Héroes con Calle Antonio Buckingham en el distrito de San Juan de Miraflores. La investigación engloba 7 capítulos más las conclusiones, recomendaciones, bibliografía, anexos y planos. El primer, segundo y tercer capítulo abarcan generalidades, marco teórico y la descripción del software Vissim 9, respectivamente. En el cuarto capítulo se realizó un diagnóstico de la situación actual que permitió identificar las deficiencias que generan inseguridad al peatón en el sistema vial. De esta manera, se propusieron soluciones desde el punto de vista peatonal mediante el análisis de tránsito con la metodología del HCM 2010. Existen tres escenarios, el primero es la configuración actual de la vía, de la cual se hace el respectivo análisis vehicular y peatonal, en el segundo escenario se plantea una propuesta de medidas de gestión (semaforización, señalización y cambios geométricos) que funcionan como un sistema eficiente, coordinado y seguro. Finalmente, en el tercer escenario se desarrolla el análisis de la proyección futura de la propuesta. El quinto y sexto capítulo incluyen la propuesta detallada de infraestructura vial y señalización; y la modelación microscópica de la intersección en el software VISSIM 9, respectivamente. El séptimo capítulo desarrolla el análisis, evaluación y validación de la propuesta, esta última mediante juicio de expertos. Al finalizar la investigación se llega la conclusión de que las medidas de gestión adoptadas como solución a la problemática mejorará la intersección de forma efectiva si se implementan. / The objective of this thesis is to establish an alternative solution to improve pedestrian safety at the intersection Los Heroes Avenue with Antonio Buckingham Street in the district of San Juan de Miraflores. The research includes 7 chapters plus conclusions, recommendations, bibliography and annexes. The first, second and third chapters cover generalities, the theoretical framework and the description of the Vissim 9 software, respectively. In the fourth chapter, a diagnosis was made of the current situation that allowed identifying the deficiencies that generate insecurity for pedestrians in the road system. In this way, solutions were proposed from the pedestrian point of view through the traffic analysis with the HCM 2010 methodology. There are three scenarios, the first is the current configuration of the road, from which the respective vehicular and pedestrian analysis is made, in the second scenario, a proposal of management measures is proposed (traffic light, signaling and geometric changes) that function as an efficient, coordinated and secure system. Finally, in the third scenario, the analysis of the future projection of the proposal is developed. The fifth and sixth chapters include the detailed proposal of road infrastructure and signaling; and the microscopic modeling of the intersection in the VISSIM 9 software, respectively. The seventh chapter develops the analysis, evaluation and validation of the proposal, the latter through expert judgment. At the end of the investigation, the conclusion is reached that the management measures adopted as a solution to the problem will improve the intersection effectively if they are implemented. / Tesis

Die Vergrößerung des linken Vorhofes (LA) hat bei Katzen mit Herzerkrankungen eine prognostische Bedeutung und wird mit einem erhöhten Risiko der Entwicklung einer Links-herzinsuffizienz, von supraventrikulären Arrhythmien, von systemischer Thrombembolie und von plötzlichem Herztod in Verbindung gebracht. Bei Katzen mit idiopathischer (HCM) oder sekundärer linksventrikulärer (LV) Hypertrophie kommt es infolge einer LV diastolischen Dysfunktion zu Veränderungen von Größe und Funktion des LA. Ziel der prospektiven Studie war es, die Größe und Funktion des LA in einer Population gesunder Katzen und Katzen mit Kardiomyopathie elektrokardiographisch, radiologisch sowie echokardiographisch zu charakterisieren und die Tiergruppen sowie die diagnostischen Methoden miteinander zu vergleichen. Zur Untersuchung des LA wurden 59 Katzen berücksichtigt. Die Kontrollgruppe bestand aus 26 gesunden Katzen und die Gruppe der kranken Tiere aus 33 Katzen mit HCM oder einer sekundären LV-Hypertrophie. Davon waren 18 Katzen asymptomatisch und 15 hatten eine Linksherzinsuffizienz oder einen aortalen Thrombembolismus. Im EKG wurde die Dauer der P-Welle als diagnostisches Kriterium der LA-Größe untersucht. Bei der radiologischen Untersuchung wurde die Größe des LA in zwei orthogonalen Projektionsebenen subjektiv beurteilt. Außerdem wurde eine neue quantitative Messung des LA im latero-lateralen Strahlengang etabliert. Diese vergleicht die Größe des LA mit der Länge der Thorakalwirbel und wurde als vertebrale Vorhofgröße (LA-VHS) bezeichnet. Mit der transthorakalen zweidimensionalen (2D)- und M-Mode Echokardiographie konnte die Größe des LA durch unterschiedliche Messungen bestimmt werden. Im rechts-parasternalen Vierkammerblick wurden der maximale antero-posteriore Durchmesser des LA (LADs) gemessen und als echokardiographische Bezugsvariable („Gold Standard“) zur Charakterisierung der LA-Größe genutzt. Aus derselben Anschallung wurden die maximale apico-basale Länge des LA und die maximale Vorhoffläche ermittelt. In der rechts-parasternalen Darstellung des LV-Ausflusstraktes wurde unter Anwendung des M-Modes der LA dargestellt und das LA/Ao-Verhältnis berechnet. In der rechts-parasternalen kurzen Achse wurde der maximale Durchmesser des LA (LAmax) bestimmt und sowohl die so genannte „schwedische Methode“ als auch der M-Mode zur Bestimmung der Vorhofgröße und Berechnung der LA/Ao-Verhältnisse angewandt. Der LA wurde als vergrößert definiert, sobald LADs größer 1,60 cm war. Die Ergebnisse der weiteren echokardiographischen Messmethoden zur Charak-terisierung der LA-Größe wurden mit LADs verglichen und folgende Grenzwerte zur Diagnose einer Vergrößerung des LA für die einzelnen unterschiedlichen Messmethoden ermittelt: aus der rechts-parasternalen langen Achse die maximale LA-Länge 1,97 cm, die maximale LA-Fläche 2,80 cm2 und LA/Ao (M-Mode) 1,55, aus der rechts-parasternalen kurzen Achse LA/Ao (M-Mode) 1,54, LA/Ao („schwedische Methode“) 1,44 und LAmax 1,60 cm. Trotz ähnlicher Grenzwerte der LA/Ao-Verhältnisse konnte gezeigt werden, dass die Messwerte der unterschiedlichen Methoden untereinander abweichen und daher diagnostisch nicht austauschbar sind. Die Ergebnisse der elektrokardiographischen und radiologischen Messungen der LA-Größe wurden hinsichtlich ihrer diagnostischen Wertigkeit mit den echokardiographischen Unter-suchungen zur Diagnose einer LA-Vergrößerung verglichen. Das EKG (P-Welle) war wenig sensitiv aber spezifisch bei der Diagnosestellung einer LA-Vergrößerung. Die subjektive radiologische Beurteilung der LA-Größe hatte eine deutlich höhere diagnostische Treffsicherheit, wobei jedoch die Bestimmung der LA-VHS sowohl die größte Sensitivität als auch Spezifität zeigte. Zur Einschätzung der globalen Vorhoffunktion wurden die echokardiographischen Indices LA-Verkürzungsfraktion und LA-Flächenverkürzung herangezogen. Beide Variablen waren in der Gruppe der symptomatischen Katzen deutlich vermindert, verglichen mit der Kontrollgruppe und der Gruppe der asymptomatischen Katzen mit LV-Hypertrophie. Die Reservoirfunktion des LA wurde anhand der S-Welle und des S/D-Verhältnisses des Pulmonalvenenflusses beurteilt. In der Gruppe der symptomatischen Katzen mit LV-Hypertrophie lag das S/D-Verhältnis unter 1,0, was für eine gestörte Reservoirfunktion des LA sprach. Die Weiterleitungsfunktion des LA, charakterisiert durch die D-Welle des Pulmonalvenenflusses war in der Gruppe der symptomatischen Katzen im Gegensatz zu den beiden anderen Gruppen signifikant vermindert. Die Vorhofkontraktion („Booster-Funktion“) wurde anhand der transmitralen A-Welle und der AR-Welle des Pulmonalvenenflusses beurteilt. Hinsichtlich der AR-Welle lag kein Unterschied der Maximalgeschwindigkeit zwischen den drei Tiergruppen vor, jedoch war die Dauer der AR-Welle in der Gruppe der symptomatischen Katzen verlängert. Dieses wurde als Hinweis auf eine erhöhte Nachlast des LA (verminderte LV Dehnbarkeit) und/oder gestörte systolische Funktion des LA gewertet. Die Untersuchung der Blutflussgeschwindigkeit im linken Herzohr zeigte eine deutliche Abnahme in der Gruppe der symptomatischen Katzen und galt als hinweisend für eine gestörte Pumpfunktion und Blutstase. Es wurde ein Zusammenhang zwischen verminderter Blutflussgeschwindigkeit im linken Herzohr (< 0,23 m/s) und dem Risiko eines aortalen Thrombembolismus gefunden. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass eine LV-Hypertrophie bei Katzen zu einer Vergrößerung des LA, verminderter Funktion des LA und Blutstase in LA und im linken Herzohr führt. Somit bestätigt sich die Vermutung, dass der LA sowohl einen diagnostischen als auch prognostischen Wert bei der Untersuchung von Katzen mit HCM oder sekundärer LV-Hypertrophie hat. Die vorliegende Studie liefert einen Beitrag zur echokardiographischen Standarisierung der LA-Größe und LA-Funktion bei der Katze. Weitere Untersuchungen, insbesondere die invasive Validierung echokardiographischer Indices der Größe und Funktion des LA sind notwendig.

Made available in DSpace on 2016-12-23T14:05:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Leandro Anselmo Neto.pdf: 964186 bytes, checksum: b3efff8fe8d4906b378dc4ae5f762c60 (MD5) Previous issue date: 2010-11-24 / Este trabalho tem como objetivo propor uma metodologia para avaliação do nível de serviço das vias urbanas, de forma complementar ao método de classificação do Manual de Capacidade de Vias - HCM, multifaixas com adição de duas variáveis: emissão de poluentes e custo do tempo de produção perdido. Inicialmente,faz-se revisão bibliográfica sobre perda de tempo no trânsito, consequente poluição gerada e gerenciamento de demanda.Em seguida, discorre-se sobre a análise de vias e medidas de desempenho importantes para manutenção do padrão aceitável de fluidez e, também,sobre o procedimento para análise de capacidade e o cálculo do nível de serviço,usando o HCM. Considerando a importância da preservação do meio ambiente e do valor do tempo para a sociedade, no mundo moderno, propõese uma parte complementar valorizando-se as variáveis adicionadas, submetidas a métodos estatísticos, o que pode implicar num enquadramento variável de nível de serviço,isto é, uma reclassificação que constitui uma inovação da metodologia proposta. A partir de dados coletados em campo em instituições públicas e privadas, ensaiou-se esta metodologia para um dos acessos mais importantes da cidade de Vitória, que é a Ponte Darcy Castelo de Mendonça (3ª Ponte), que liga Vitória e Vila Velha e com capacidade prevista comprometida e alto custo de tempo de produção perdido. Após as análises dos resultados gerados no ensaio, corroborando com o HCM, inferiu-se que há perda de tempo de produção apenas em dois níveis - D,E, assim, decidiu-se calcular o respectivo custo e não considerá-lo estatisticamente na metodologia proposta. Já a emissão de poluentes, no caso do CO, observou-se ser relevante em todos os níveis - A,B,C,D,E, sendo aplicadas técnicas estatísticas multivariadas para proceder-se à reclassificação de 19% dos níveis calculados e julgados como prejudicados. Vale salientar que a metodologia proposta pode ser aplicada a qualquer via urbana / This paper aims to propose a methodology for assessing the level of service of urban roads, in a complementary manner to the method of Classification of the Manual of the routes Capacity - HCM, multitracks with the addition of two variables: the emission of pollutants and cost of lost production time. Initially, it is made a literature review on time loss, pollution generated by traffic and demand management. Then, we talk about the importance of track analysis and performance measures important to keep a track with an acceptable standard of fluidity, and also about the procedure for capacity analysis and the calculation of the level of service, using the HCM. Considering the importance of preserving the environment and the time value to society in the modern world, we propose a complementary part valuing the added variables, subjected to statistical methods, which may involve a background variable service level, ie, a reclassification that is an innovation of the proposed methodology. From the data collected in the field of public and private institutions, it was rehearsed this methodology for one of the most important accesses to the city of Victoria which is the Darcy Castelo de Mendonça Bridge (3ª Bridge) that links up Vitoria and Vila Velha and with compromised planned capacity and high cost of lost production time. After the analysis of the results generated in the test, corroborating with HCM, we inferred that there is loss of production time in two stages - D, E. Thus, it was decided to calculate the cost and not consider it statistically to reclassify the service level. The emission of pollutants - CO - was observed to be relevant at all levels - A, B, C, D, E, and it was applied multivaried statistical techniques to proceed the reclassification of 19% of the level calculated and judged as impaired. It is worth pointing out that the proposed methodology can be applied to any urban road

The switch to unleaded fuels in the 1970s and the high air pollution in areas of high population density due to traffic particularly since the 1990s required the use of alternative fuel additives to achieve an improvement of the combustion. The utilization of oxygenated hydrocarbons as antiknock additives and so-called oxygenates provided a more complete and efficient combustion with simultaneously less harmful and polluting emissions. These include the synthetic ethers methyl tert-butyl ether (MTBE), ethyl tert-butyl ether (ETBE), tert-amyl methyl ether (TAME) and tert-amyl ethyl ether (TAEE). MTBE has a particular position as within some years it became the dominant oxygenate worldwide. Since then, over 100.000 leakages, most often in close proximity to gas stations, resulted in just as many oxygenate-contaminated sites of soil and groundwater within few years. The high water solubility of these ethers leads to an especially fast and extensive spread of the contamination plumes. Ether-contaminated groundwater has a turpentine-like taste that is noticed already in really low concentrations. Thus, such water can no longer serve as drinking water and requires a counter-measure. The chemical parameters of oxygenates decrease the efficiency of otherwise successfully applied techniques such as adsorption or aeration. In addition the ethers proved recalcitrant against microbial attack. The search for microorganisms that could degrade these synthetic oxygenates indeed resulted in the enrichment of many isolates. The majority of these isolates oxidize the ethers in a cometabolic manner either partially or completely to CO2. However, only few cultures are capable of independent growth on these oxygenates. These include the beta-proteobacteria Methylibium petroleiphilum PM1 and Aquincola tertiaricarbonis L108, of which the latter is of particular interest for the present work. Strain L108 is characterized by good growth on MTBE and is presently the only known isolate which is able to mineralize ETBE, TAME and TAEE at similar rates. This work examined the seemingly particularly well adapted oxygenate ether metabolism of strain L108, that was formerly isolated from an aquifer highly contaminated with MTBE. Via diverse deletion studies key enzymes of the degradative metabolism and their genetic background were clearly identified. Hence, the results of this work contribute to verify so far just hypothesized metabolic steps by detailed enzymatic and genetic studies. Based on detected metabolites, first studies on MTBE biodegradation already postulated an oxidative pathway via TBA, 2-methyl-1,2-propane-diol (MPD) and 2-HIBA. In case of a monoxygenatic hydroxylation of the methoxy group of MTBE a hemiacetale results as reaction product, from which the tertiary alcohol TBA can be formed easily in subsequent reactions. By comparing wild type strain L108 with the spontaneous mutant strain L10, we were now able to clearly show that the cytochrome P-450 monoxygenase system EthABCD accounts solely for this MTBE-oxidizing activity. It is also the only enzyme catalyzing the corresponding hydroxylation of ETBE, TAME and TAEE. In strain L108 this enzyme complex is expressed constitutively. TBA, which is also generated from hydroxylation of ETBE, is, as postulated and verified by this study, degraded by a different monoxygenase resulting in MPD. Via Tn5-mediated mutations this enzyme was confirmed as Rieske non-heme mononuclear iron monooxygenase MdpJ. MPD is further altered to the corresponding branched acid 2-HIBA, presumably by two dehydrogenation reactions. For the degradation of 2-HIBA, diverse hypotheses exist on the basis of known enzymatic reactions. Another Tn5 mutation now gave evidence, that in the mentioned beta-proteobacteria the novel mutase HcmAB linearizes 2-HIBA to 3-hydroxybutyric acid (3-HB) dependent on cobalamin and coenzyme A (CoA). Sequence comparison revealed, that strain L108 acquired all three key enzyme complexes, EthABCD, MdpJ and HcmAB via horizontal gene transfer (HGT). For TAME and TAEE a completely new degradation pathway was found. In strain L108, the resulting degradation product tert-amyl alcohol (TAA) of these ethers is, like TBA, also specifically oxidized by MdpJ. In Tn5-deletion studies and metabolite analyzes, however, no hydroxylation could be detected. Instead, TAA is rather desaturated. Therefore within the metabolism no diols or acids analogue to MPD or 2-HIBA were formed. Instead, via MdpJ TAA is initially degraded to the unsaturated tertiary alcohol and hemiterpene 2-methyl-3-butene-2-ol. Prenol (3-methyl-2-buten-2-ol), prenal (3-methyl-2-buten-2-al) and 3-methyl crotonic acid were detected as additional metabolites. Hence, an isomerization of the branched acid by HcmAB is apparently irrelevant in TAA biodegradation. Accordingly it could be shown, that deletion mutants for HcmAB indeed could not grow on TBA, but are still able to grow on TAA, just as fast as the wild type, in fact. The tertiary alcohol 2-methyl-3-butene-2-ol is presumably transformed via another isomerase resulting in the primary alcohol prenol. Prenol is further oxidized by postulated dehydrogenases to 3-methyl crotonic acid. This would also be in correlation to the already observed degradation pathway of the monoterpene linalool in other bacteria. However, the responsible enzymes in strain L108 are not yet identified. Besides this principal gain of knowledge in the degradation of xenobiotic ether structures and the evolution of degradative microorganism, the now confirmed key enzymes EthB, MdpJ and HcmAB, respectively their coding genes, can be used as specific markers to monitor natural degradation processes in in situ studies. On this basis, the presence of active microorganisms and additionally - derived from the confirmed single key enzymes - a potentially complete degradation can be concluded. In the long run, it might be possible to stimulate the natural microbiological activity, e.g. via bioaugmentation with degradation specialists. Furthermore, regarding the potential progress of remediation procedures, potentially limiting steps can be distinguished via respective markers and narrowed down as possible cause of deficient degradation activity. However, such function-based monitoring requires specific verification. Therefore, subsequent studies have to analyze, if there is a sequence diversity among these three key enzymes. Previous sequence comparisons hypothesize that up to 60% accordance in the protein sequence in homologues of MdpJ and HcmA they can still be assumed to possess the same enzymatic function. This diversity has to be considered in the development of specific probes. / Die Einführung bleifreien Benzins in den 1970er-Jahren und die hohe Emissionsbelastung von Ballungszentren durch den Straßenverkehr insbesondere seit den 1990er-Jahren erforderte den Einsatz alternativer Benzinadditive, um eine Verbesserung der Verbrennung zu erreichen. Die Nutzung sauerstoffhaltiger Kohlenwasserstoffe als Antiklopfmittel und als sogenannte Oxygenate bot sich an, da diese eine effizientere Verbrennung mit gleichzeitig niedrigeren gesundheits- und umweltschädigenden Emissionen fördern. Zu den Oxygenaten gehören die synthetischen Ether Methyl-tert-butylether (MTBE), Ethyl-tert-butylether (ETBE), tert-Amylmethylether (TAME) und tert-Amylethylether (TAEE). Eine herausragende Stellung nimmt MTBE ein. Innerhalb weniger Jahre wurde es zum hauptsächlich verwendeten Oxygenat weltweit. Seitdem führten jedoch über 100.000 Leckagen, zumeist in Tankstellennähe, innerhalb weniger Jahre zu ebenso zahlreichen Kontaminationen des Grundwassers mit Oxygenaten. Aufgrund der hohen Wasserlöslichkeit kommt es dabei zu einer besonders schnellen und großflächigen Ausbreitung der Ether. Derart belastetes Grundwasser weist schon bei geringsten Etherkonzentrationen einen als terpentinartig wahrgenommenen Geruch und Geschmack auf und kann daher nicht mehr als Trinkwasserzufuhr genutzt werden. Es bedarf einer Lösung dieses Problems. Die chemischen Parameter der Ether senken allerdings die Effizienz anderweitig erfolgreich genutzter technischer Sanierungsverfahren auf Basis von z. B. Adsorption oder Aerisierung. Auch gegenüber mikrobiellen Abbau erweisen sie sich als rekalzitrant. Die Suche nach oxygenatabbauenden Mikroorganismen führte zwar zur Anreicherung vieler Isolate, welche die Oxygenate cometabolisch partiell oder sogar komplett oxidieren, nur sehr wenige Kulturen sind aber zu autarkem Wachstum auf diesen Ethern fähig. Dazu gehören die Beta-Proteobacteria Methylibium petroleiphilum PM1 und der dieser Arbeit zugrunde liegende Aquincola tertiaricarbonis L108. Der Stamm L108 zeichnet sich durch ein vergleichsweise gutes Wachstum auf MTBE aus und ist als bisher einzig bekanntes Isolat in der Lage, auch ETBE, TAME und TAEE ähnlich schnell zu mineralisieren. Die vorliegende Arbeit handelt von dem scheinbar besonders gut an den Oxygenatabbau adaptierten Stoffwechsel des ursprünglich aus MTBE-kontaminiertem Grundwasser angereicherten Stammes L108. Durch verschiedene Deletionsstudien wurden Schlüsselenzyme des Abbaus und deren genetischer Hintergrund eindeutig identifiziert. Die Ergebnisse der genetischen, enzymatischen und physiologischen Studien des Wildtyps im Vergleich zu den erzeugten Deletionsstämmen tragen dazu bei, bisher nur postulierte Reaktionsschritte zu verifizieren. Schon seit den ersten Studien zum MTBE-Abbau wird anhand markanter Metabolite ein oxidativer Abbau via TBA, 2-Methyl-1,2-propandiol (MPD) und 2-Hydroxyisobuttersäure (2-HIBA) vermutet. Im Fall einer Hydroxylierung der Methoxygruppe von MTBE wird ein Hemiacetal als Reaktionsprodukt erzeugt, aus dem nachfolgend leicht der tertiäre Alkohol TBA entstehen kann. Durch den Vergleich des Wildtyps mit der Spontanmutante Stamm L10 konnte jetzt gezeigt werden, dass hierfür allein das Cytochrom-P450-Monooxygenasesystem EthABCD verantwortlich ist. Dieses katalysiert auch exklusiv die entsprechende Hydroxylierung von ETBE, TAME und TAEE. In Stamm L108 wird das Enzym konstitutiv exprimiert. TBA, das auch aus der Hydroxylierung von ETBE resultiert, wird, wie postuliert und in dieser Arbeit verifiziert, durch eine weitere Monooxygenase zu MPD abgebaut. Durch eine Tn5-Transposon-vermittelte Mutation konnte verifiziert werden, dass es sich bei diesem Enzym um die Rieske-nicht-Häm-Monooxygenase MdpJ handelt. MPD wird im weiteren Verlauf voraussichtlich durch zwei Dehydrogenierungen zur korrespondierenden, verzweigten Säure 2-HIBA gewandelt. Zum 2-HIBA-Abbau gibt es, basierend auf bekannten Enzymreaktionen, diverse Hypothesen. Anhand einer weiteren Tn5-Mutation konnte jetzt bestätigt werden, dass in den genannten beta-Proteobacteria die neuartige Mutase HcmAB wirksam ist, welche 2-HIBA abhängig von Cobalamin und Coenzym A (CoA) zu 3-Hydroxybuttersäure (3-HB) linearisiert. Sequenzvergleiche ergaben, dass Stamm L108 die Schlüsselenzyme des Etherabbaus, EthABCD, MdpJ und HcmAB, durch horizontalen Gentransfer erworben hat. Für TAME und TAEE wurde ein völlig neuer Abbauweg gefunden. In Stamm L108 wird der beim Abbau dieser Ether entstehende tert-Amylalkohol (TAA) wie TBA ebenfalls exklusiv durch MdpJ oxidiert. Durch die Tn5-Deletionsstudien und durch Analyse der Metabolite konnte allerdings keine Hydroxylierung nachgewiesen werden. TAA wird durch MdpJ vielmehr desaturiert. Somit entstehen im Abbauweg keine zu MPD und 2-HIBA analogen Diole und Säuren, sondern TAA wird zunächst durch MdpJ zu einem ungesättigten tertiären Alkohol, dem Hemiterpen 2-Methyl-3-buten-2-ol, abgebaut. Prenol (3-Methyl-2-buten-2-ol), Prenal (3-Methyl-2-buten-2-al) und 3-Methylcrotonsäure wurden als weitere Metabolite des TAA-Stoffwechsels detektiert. Somit spielt eine Isomerisierung einer tertiär verzweigten Säure durch HcmAB im TAA-Abbauweg offensichtlich keine Rolle. Entsprechend konnte gezeigt werden, dass Deletionsmutanten für hcmAB zwar nicht mehr auf TBA, aber immer noch auf TAA wachsen können, und das genauso schnell, wie der Wildtyp. Der tertiäre Alkohol 2-Methyl-3-buten-2-ol wird wahrscheinlich durch eine andere Isomerase zum primären Alkohol Prenol umgewandelt und dieser dann durch Dehydrogenasen zur Methylcrotonsäure oxidiert. Dies würde dem bereits in anderen Bakterien beobachteten Abbauweg des Monoterpens Linalool entsprechen. Die in Stamm L108 dafür verantwortlichen Enzyme wurden aber noch nicht identifiziert. Neben diesem grundsätzlichen Erkenntnisgewinn zum Abbau der xenobiotischen Etherverbindungen und der Evolution degradativer Mikroorganismen, können die hier bestätigten Schlüssel-enzyme EthABCD, MdpJ und HcmAB bzw. deren codierende Gene als spezifische Marker zum Monitoring natürlicher Abbauprozesse für in-situ-Untersuchungen genutzt werden. Auf dieser Basis kann auf die Anwesenheit aktiver Mikroorganismen und zudem noch - abgeleitet aus der Präsenz der einzelnen Schlüsselenzyme - auf einen potenziell kompletten Abbau geschlossen werden. Darauf aufbauend kann die natürliche mikrobiologische Aktivität durch nachfolgende biotechnologische Maßnahmen stimuliert werden, zum Beispiel durch eine Bioaugmentation mit Abbauspezialisten. Des weiteren können mögliche limitierende Schritte hinsichtlich des potenziellen Verlaufs der Sanierungsmaßnahme über Präsenztiter der betreffenden Marker gezielter verfolgt und als etwaige Ursachen defizitärer Abbauleistungen eingegrenzt werden. Voraussetzung für dieses funktionsbasierte Monitoring ist allerdings der spezifische Nachweis. Somit sollte in nachfolgenden Studien analysiert werden, ob es bei den drei Schlüsselenzymen eine Sequenzdiversität gibt. Die bisherigen Sequenzvergleiche lassen zumindest vermuten, dass bis etwa 60% Übereinstimmung der Proteinsequenzen bei Homologen von MdpJ und HcmA noch mit der gleichen Enzymfunktion zu rechnen ist. Diese Diversität sollte bei der Entwicklung von spezifischen Sonden berücksichtigt werden.

The switch to unleaded fuels in the 1970s and the high air pollution in areas of high population density due to traffic particularly since the 1990s required the use of alternative fuel additives to achieve an improvement of the combustion. The utilization of oxygenated hydrocarbons as antiknock additives and so-called oxygenates provided a more complete and efficient combustion with simultaneously less harmful and polluting emissions. These include the synthetic ethers methyl tert-butyl ether (MTBE), ethyl tert-butyl ether (ETBE), tert-amyl methyl ether (TAME) and tert-amyl ethyl ether (TAEE). MTBE has a particular position as within some years it became the dominant oxygenate worldwide. Since then, over 100.000 leakages, most often in close proximity to gas stations, resulted in just as many oxygenate-contaminated sites of soil and groundwater within few years. The high water solubility of these ethers leads to an especially fast and extensive spread of the contamination plumes. Ether-contaminated groundwater has a turpentine-like taste that is noticed already in really low concentrations. Thus, such water can no longer serve as drinking water and requires a counter-measure. The chemical parameters of oxygenates decrease the efficiency of otherwise successfully applied techniques such as adsorption or aeration. In addition the ethers proved recalcitrant against microbial attack. The search for microorganisms that could degrade these synthetic oxygenates indeed resulted in the enrichment of many isolates. The majority of these isolates oxidize the ethers in a cometabolic manner either partially or completely to CO2. However, only few cultures are capable of independent growth on these oxygenates. These include the beta-proteobacteria Methylibium petroleiphilum PM1 and Aquincola tertiaricarbonis L108, of which the latter is of particular interest for the present work. Strain L108 is characterized by good growth on MTBE and is presently the only known isolate which is able to mineralize ETBE, TAME and TAEE at similar rates. This work examined the seemingly particularly well adapted oxygenate ether metabolism of strain L108, that was formerly isolated from an aquifer highly contaminated with MTBE. Via diverse deletion studies key enzymes of the degradative metabolism and their genetic background were clearly identified. Hence, the results of this work contribute to verify so far just hypothesized metabolic steps by detailed enzymatic and genetic studies. Based on detected metabolites, first studies on MTBE biodegradation already postulated an oxidative pathway via TBA, 2-methyl-1,2-propane-diol (MPD) and 2-HIBA. In case of a monoxygenatic hydroxylation of the methoxy group of MTBE a hemiacetale results as reaction product, from which the tertiary alcohol TBA can be formed easily in subsequent reactions. By comparing wild type strain L108 with the spontaneous mutant strain L10, we were now able to clearly show that the cytochrome P-450 monoxygenase system EthABCD accounts solely for this MTBE-oxidizing activity. It is also the only enzyme catalyzing the corresponding hydroxylation of ETBE, TAME and TAEE. In strain L108 this enzyme complex is expressed constitutively. TBA, which is also generated from hydroxylation of ETBE, is, as postulated and verified by this study, degraded by a different monoxygenase resulting in MPD. Via Tn5-mediated mutations this enzyme was confirmed as Rieske non-heme mononuclear iron monooxygenase MdpJ. MPD is further altered to the corresponding branched acid 2-HIBA, presumably by two dehydrogenation reactions. For the degradation of 2-HIBA, diverse hypotheses exist on the basis of known enzymatic reactions. Another Tn5 mutation now gave evidence, that in the mentioned beta-proteobacteria the novel mutase HcmAB linearizes 2-HIBA to 3-hydroxybutyric acid (3-HB) dependent on cobalamin and coenzyme A (CoA). Sequence comparison revealed, that strain L108 acquired all three key enzyme complexes, EthABCD, MdpJ and HcmAB via horizontal gene transfer (HGT). For TAME and TAEE a completely new degradation pathway was found. In strain L108, the resulting degradation product tert-amyl alcohol (TAA) of these ethers is, like TBA, also specifically oxidized by MdpJ. In Tn5-deletion studies and metabolite analyzes, however, no hydroxylation could be detected. Instead, TAA is rather desaturated. Therefore within the metabolism no diols or acids analogue to MPD or 2-HIBA were formed. Instead, via MdpJ TAA is initially degraded to the unsaturated tertiary alcohol and hemiterpene 2-methyl-3-butene-2-ol. Prenol (3-methyl-2-buten-2-ol), prenal (3-methyl-2-buten-2-al) and 3-methyl crotonic acid were detected as additional metabolites. Hence, an isomerization of the branched acid by HcmAB is apparently irrelevant in TAA biodegradation. Accordingly it could be shown, that deletion mutants for HcmAB indeed could not grow on TBA, but are still able to grow on TAA, just as fast as the wild type, in fact. The tertiary alcohol 2-methyl-3-butene-2-ol is presumably transformed via another isomerase resulting in the primary alcohol prenol. Prenol is further oxidized by postulated dehydrogenases to 3-methyl crotonic acid. This would also be in correlation to the already observed degradation pathway of the monoterpene linalool in other bacteria. However, the responsible enzymes in strain L108 are not yet identified. Besides this principal gain of knowledge in the degradation of xenobiotic ether structures and the evolution of degradative microorganism, the now confirmed key enzymes EthB, MdpJ and HcmAB, respectively their coding genes, can be used as specific markers to monitor natural degradation processes in in situ studies. On this basis, the presence of active microorganisms and additionally - derived from the confirmed single key enzymes - a potentially complete degradation can be concluded. In the long run, it might be possible to stimulate the natural microbiological activity, e.g. via bioaugmentation with degradation specialists. Furthermore, regarding the potential progress of remediation procedures, potentially limiting steps can be distinguished via respective markers and narrowed down as possible cause of deficient degradation activity. However, such function-based monitoring requires specific verification. Therefore, subsequent studies have to analyze, if there is a sequence diversity among these three key enzymes. Previous sequence comparisons hypothesize that up to 60% accordance in the protein sequence in homologues of MdpJ and HcmA they can still be assumed to possess the same enzymatic function. This diversity has to be considered in the development of specific probes.:Bibliographische Darstellung Eidesstattliche Erklärung Danksagung Abstract Kurzfassung Abkürzungsverzeichnis 1. Einleitung 1.1. Tertiäre Ether als Benzin-Oxygenate - Hintergrund und Umweltproblematik 1.2. Mikrobiologischer Abbau tertiärer Ether 1.3. Postulierter Abbauweg 1.4. Monitoring-Tools für biologischen Abbau 1.5. Ziel dieser Arbeit 1.6. Referenzen der Einleitung 2. Die initiale Etherspaltung des Stammes L108 2.1. Die Ethermonooxygenase EthB 2.2. Supplemental Material 3. Die spezifische Alkoholmonooxygenase MdpJ 3.1. Die Alkoholmonooxygenase MdpJ als Hydroxylase und Reduktase 3.2. Supplemental Material 4. Die 2-HIBA-Mutase HcmAB des Stammes L108 4.1. Die 2-HIBA-Mutase HcmAB 4.2. Supplemental Material 5. Der TAA-Abbau des Stammes L108 5.1. Der TAA-Abbau des Stammes L108 5.2. Supplemental Material 6. Diskussion 6.1. Nachweis der Schlüsselenzyme in Stamm L108 durch Mutation 6.2. Nutzen für den Nachweis natürlichen Abbaus 6.3. Der TAA-Metabolismus als neuartiger Abbauweg 6.4. Mikrobiologische Anpassung an Xenobiotika am Beispiel MTBE 6.5. Ausblick 6.6. Referenzen der Diskussion Anhang Curriculum Vitae Publikationsverzeichnis Tagungsbeiträge Nachweis über Anteile der Co-Autoren / Die Einführung bleifreien Benzins in den 1970er-Jahren und die hohe Emissionsbelastung von Ballungszentren durch den Straßenverkehr insbesondere seit den 1990er-Jahren erforderte den Einsatz alternativer Benzinadditive, um eine Verbesserung der Verbrennung zu erreichen. Die Nutzung sauerstoffhaltiger Kohlenwasserstoffe als Antiklopfmittel und als sogenannte Oxygenate bot sich an, da diese eine effizientere Verbrennung mit gleichzeitig niedrigeren gesundheits- und umweltschädigenden Emissionen fördern. Zu den Oxygenaten gehören die synthetischen Ether Methyl-tert-butylether (MTBE), Ethyl-tert-butylether (ETBE), tert-Amylmethylether (TAME) und tert-Amylethylether (TAEE). Eine herausragende Stellung nimmt MTBE ein. Innerhalb weniger Jahre wurde es zum hauptsächlich verwendeten Oxygenat weltweit. Seitdem führten jedoch über 100.000 Leckagen, zumeist in Tankstellennähe, innerhalb weniger Jahre zu ebenso zahlreichen Kontaminationen des Grundwassers mit Oxygenaten. Aufgrund der hohen Wasserlöslichkeit kommt es dabei zu einer besonders schnellen und großflächigen Ausbreitung der Ether. Derart belastetes Grundwasser weist schon bei geringsten Etherkonzentrationen einen als terpentinartig wahrgenommenen Geruch und Geschmack auf und kann daher nicht mehr als Trinkwasserzufuhr genutzt werden. Es bedarf einer Lösung dieses Problems. Die chemischen Parameter der Ether senken allerdings die Effizienz anderweitig erfolgreich genutzter technischer Sanierungsverfahren auf Basis von z. B. Adsorption oder Aerisierung. Auch gegenüber mikrobiellen Abbau erweisen sie sich als rekalzitrant. Die Suche nach oxygenatabbauenden Mikroorganismen führte zwar zur Anreicherung vieler Isolate, welche die Oxygenate cometabolisch partiell oder sogar komplett oxidieren, nur sehr wenige Kulturen sind aber zu autarkem Wachstum auf diesen Ethern fähig. Dazu gehören die Beta-Proteobacteria Methylibium petroleiphilum PM1 und der dieser Arbeit zugrunde liegende Aquincola tertiaricarbonis L108. Der Stamm L108 zeichnet sich durch ein vergleichsweise gutes Wachstum auf MTBE aus und ist als bisher einzig bekanntes Isolat in der Lage, auch ETBE, TAME und TAEE ähnlich schnell zu mineralisieren. Die vorliegende Arbeit handelt von dem scheinbar besonders gut an den Oxygenatabbau adaptierten Stoffwechsel des ursprünglich aus MTBE-kontaminiertem Grundwasser angereicherten Stammes L108. Durch verschiedene Deletionsstudien wurden Schlüsselenzyme des Abbaus und deren genetischer Hintergrund eindeutig identifiziert. Die Ergebnisse der genetischen, enzymatischen und physiologischen Studien des Wildtyps im Vergleich zu den erzeugten Deletionsstämmen tragen dazu bei, bisher nur postulierte Reaktionsschritte zu verifizieren. Schon seit den ersten Studien zum MTBE-Abbau wird anhand markanter Metabolite ein oxidativer Abbau via TBA, 2-Methyl-1,2-propandiol (MPD) und 2-Hydroxyisobuttersäure (2-HIBA) vermutet. Im Fall einer Hydroxylierung der Methoxygruppe von MTBE wird ein Hemiacetal als Reaktionsprodukt erzeugt, aus dem nachfolgend leicht der tertiäre Alkohol TBA entstehen kann. Durch den Vergleich des Wildtyps mit der Spontanmutante Stamm L10 konnte jetzt gezeigt werden, dass hierfür allein das Cytochrom-P450-Monooxygenasesystem EthABCD verantwortlich ist. Dieses katalysiert auch exklusiv die entsprechende Hydroxylierung von ETBE, TAME und TAEE. In Stamm L108 wird das Enzym konstitutiv exprimiert. TBA, das auch aus der Hydroxylierung von ETBE resultiert, wird, wie postuliert und in dieser Arbeit verifiziert, durch eine weitere Monooxygenase zu MPD abgebaut. Durch eine Tn5-Transposon-vermittelte Mutation konnte verifiziert werden, dass es sich bei diesem Enzym um die Rieske-nicht-Häm-Monooxygenase MdpJ handelt. MPD wird im weiteren Verlauf voraussichtlich durch zwei Dehydrogenierungen zur korrespondierenden, verzweigten Säure 2-HIBA gewandelt. Zum 2-HIBA-Abbau gibt es, basierend auf bekannten Enzymreaktionen, diverse Hypothesen. Anhand einer weiteren Tn5-Mutation konnte jetzt bestätigt werden, dass in den genannten beta-Proteobacteria die neuartige Mutase HcmAB wirksam ist, welche 2-HIBA abhängig von Cobalamin und Coenzym A (CoA) zu 3-Hydroxybuttersäure (3-HB) linearisiert. Sequenzvergleiche ergaben, dass Stamm L108 die Schlüsselenzyme des Etherabbaus, EthABCD, MdpJ und HcmAB, durch horizontalen Gentransfer erworben hat. Für TAME und TAEE wurde ein völlig neuer Abbauweg gefunden. In Stamm L108 wird der beim Abbau dieser Ether entstehende tert-Amylalkohol (TAA) wie TBA ebenfalls exklusiv durch MdpJ oxidiert. Durch die Tn5-Deletionsstudien und durch Analyse der Metabolite konnte allerdings keine Hydroxylierung nachgewiesen werden. TAA wird durch MdpJ vielmehr desaturiert. Somit entstehen im Abbauweg keine zu MPD und 2-HIBA analogen Diole und Säuren, sondern TAA wird zunächst durch MdpJ zu einem ungesättigten tertiären Alkohol, dem Hemiterpen 2-Methyl-3-buten-2-ol, abgebaut. Prenol (3-Methyl-2-buten-2-ol), Prenal (3-Methyl-2-buten-2-al) und 3-Methylcrotonsäure wurden als weitere Metabolite des TAA-Stoffwechsels detektiert. Somit spielt eine Isomerisierung einer tertiär verzweigten Säure durch HcmAB im TAA-Abbauweg offensichtlich keine Rolle. Entsprechend konnte gezeigt werden, dass Deletionsmutanten für hcmAB zwar nicht mehr auf TBA, aber immer noch auf TAA wachsen können, und das genauso schnell, wie der Wildtyp. Der tertiäre Alkohol 2-Methyl-3-buten-2-ol wird wahrscheinlich durch eine andere Isomerase zum primären Alkohol Prenol umgewandelt und dieser dann durch Dehydrogenasen zur Methylcrotonsäure oxidiert. Dies würde dem bereits in anderen Bakterien beobachteten Abbauweg des Monoterpens Linalool entsprechen. Die in Stamm L108 dafür verantwortlichen Enzyme wurden aber noch nicht identifiziert. Neben diesem grundsätzlichen Erkenntnisgewinn zum Abbau der xenobiotischen Etherverbindungen und der Evolution degradativer Mikroorganismen, können die hier bestätigten Schlüssel-enzyme EthABCD, MdpJ und HcmAB bzw. deren codierende Gene als spezifische Marker zum Monitoring natürlicher Abbauprozesse für in-situ-Untersuchungen genutzt werden. Auf dieser Basis kann auf die Anwesenheit aktiver Mikroorganismen und zudem noch - abgeleitet aus der Präsenz der einzelnen Schlüsselenzyme - auf einen potenziell kompletten Abbau geschlossen werden. Darauf aufbauend kann die natürliche mikrobiologische Aktivität durch nachfolgende biotechnologische Maßnahmen stimuliert werden, zum Beispiel durch eine Bioaugmentation mit Abbauspezialisten. Des weiteren können mögliche limitierende Schritte hinsichtlich des potenziellen Verlaufs der Sanierungsmaßnahme über Präsenztiter der betreffenden Marker gezielter verfolgt und als etwaige Ursachen defizitärer Abbauleistungen eingegrenzt werden. Voraussetzung für dieses funktionsbasierte Monitoring ist allerdings der spezifische Nachweis. Somit sollte in nachfolgenden Studien analysiert werden, ob es bei den drei Schlüsselenzymen eine Sequenzdiversität gibt. Die bisherigen Sequenzvergleiche lassen zumindest vermuten, dass bis etwa 60% Übereinstimmung der Proteinsequenzen bei Homologen von MdpJ und HcmA noch mit der gleichen Enzymfunktion zu rechnen ist. Diese Diversität sollte bei der Entwicklung von spezifischen Sonden berücksichtigt werden.:Bibliographische Darstellung Eidesstattliche Erklärung Danksagung Abstract Kurzfassung Abkürzungsverzeichnis 1. Einleitung 1.1. Tertiäre Ether als Benzin-Oxygenate - Hintergrund und Umweltproblematik 1.2. Mikrobiologischer Abbau tertiärer Ether 1.3. Postulierter Abbauweg 1.4. Monitoring-Tools für biologischen Abbau 1.5. Ziel dieser Arbeit 1.6. Referenzen der Einleitung 2. Die initiale Etherspaltung des Stammes L108 2.1. Die Ethermonooxygenase EthB 2.2. Supplemental Material 3. Die spezifische Alkoholmonooxygenase MdpJ 3.1. Die Alkoholmonooxygenase MdpJ als Hydroxylase und Reduktase 3.2. Supplemental Material 4. Die 2-HIBA-Mutase HcmAB des Stammes L108 4.1. Die 2-HIBA-Mutase HcmAB 4.2. Supplemental Material 5. Der TAA-Abbau des Stammes L108 5.1. Der TAA-Abbau des Stammes L108 5.2. Supplemental Material 6. Diskussion 6.1. Nachweis der Schlüsselenzyme in Stamm L108 durch Mutation 6.2. Nutzen für den Nachweis natürlichen Abbaus 6.3. Der TAA-Metabolismus als neuartiger Abbauweg 6.4. Mikrobiologische Anpassung an Xenobiotika am Beispiel MTBE 6.5. Ausblick 6.6. Referenzen der Diskussion Anhang Curriculum Vitae Publikationsverzeichnis Tagungsbeiträge Nachweis über Anteile der Co-Autoren