Proteins have an indispensable role in the cell. They carry out a wide variety of structural, catalytic and signaling functions in all known biological systems. To perform their biological functions, proteins establish interactions with other bioorganic molecules including other proteins. Therefore, protein-protein interactions is one of the central topics in molecular biology. My thesis is devoted to three different topics in the field of protein-protein interactions. The first one focuses on solvent contribution to protein interfaces as it is an important component of protein complexes. The second topic discloses the structural and functional potential of fluorine's unique properties, which are attractive for protein design and engineering not feasible within the scope of canonical amino acids. The last part of this thesis is a study of the impact of charged amino acid residues within the hydrophobic interface of a coiled-coil system, which is one of the well-established model systems for protein-protein interactions studies. I. The majority of proteins interact in vivo in solution, thus studies of solvent impact on protein-protein interactions could be crucial for understanding many processes in the cell. However, though solvent is known to be very important for protein-protein interactions in terms of structure, dynamics and energetics, its effects are often disregarded in computational studies because a detailed solvent description requires complex and computationally demanding approaches. As a consequence, many protein residues, which establish water-mediated interactions, are neither considered in an interface definition. In the previous work carried out in our group the protein interfaces database (SCOWLP) has been developed. This database takes into account interfacial solvent and based on this classifies all interfacial protein residues of the PDB into three classes based on their interacting properties: dry (direct interaction), dual (direct and water-mediated interactions), and wet spots (residues interacting only through one water molecule). To define an interaction SCOWLP considers a donor–acceptor distance for hydrogen bonds of 3.2 Å, for salt bridges of 4 Å, and for van der Waals contacts the sum of the van der Waals radii of the interacting atoms. In previous studies of the group, statistical analysis of a non-redundant protein structure dataset showed that 40.1% of the interfacial residues participate in water-mediated interactions, and that 14.5% of the total residues in interfaces are wet spots. Moreover, wet spots have been shown to display similar characteristics to residues contacting water molecules in cores or cavities of proteins. The goals of this part of the thesis were: 1. to characterize the impact of solvent in protein-protein interactions 2. to elucidate possible effects of solvent inclusion into the correlated mutations approach for protein contacts prediction To study solvent impact on protein interfaces a molecular dynamics (MD) approach has been used. This part of the work is elaborated in section 2.1 of this thesis. We have characterized properties of water-mediated protein interactions at residue and solvent level. For this purpose, an MD analysis of 17 representative complexes from SH3 and immunoglobulin protein families has been performed. We have shown that the interfacial residues interacting through a single water molecule (wet spots) are energetically and dynamically very similar to other interfacial residues. At the same time, water molecules mediating protein interactions have been found to be significantly less mobile than surface solvent in terms of residence time. Calculated free energies indicate that these water molecules should significantly affect formation and stability of a protein-protein complex. The results obtained in this part of the work also suggest that water molecules in protein interfaces contribute to the conservation of protein interactions by allowing more sequence variability in the interacting partners, which has important implications for the use of the correlated mutations concept in protein interactions studies. This concept is based on the assumption that interacting protein residues co-evolve, so that a mutation in one of the interacting counterparts is compensated by a mutation in the other. The study presented in section 2.2 has been carried out to prove that an explicit introduction of solvent into the correlated mutations concept indeed yields qualitative improvement of existing approaches. For this, we have used the data on interfacial solvent obtained from the SCOWLP database (the whole PDB) to construct a “wet” similarity matrix. This matrix has been used for prediction of protein contacts together with a well-established “dry” matrix. We have analyzed two datasets containing 50 domains and 10 domain pairs, and have compared the results obtained by using several combinations of both “dry” and “wet” matrices. We have found that for predictions for both intra- and interdomain contacts the introduction of a combination of a “dry” and a “wet” similarity matrix improves the predictions in comparison to the “dry” one alone. Our analysis opens up the idea that the consideration of water may have an impact on the improvement of the contact predictions obtained by correlated mutations approaches. There are two principally novel aspects in this study in the context of the used correlated mutations methodology : i) the first introduction of solvent explicitly into the correlated mutations approach; ii) the use of the definition of protein-protein interfaces, which is essentially different from many other works in the field because of taking into account physico-chemical properties of amino acids and not being exclusively based on distance cut-offs. II. The second part of the thesis is focused on properties of fluorinated amino acids in protein environments. In general, non-canonical amino acids with newly designed side-chain functionalities are powerful tools that can be used to improve structural, catalytic, kinetic and thermodynamic properties of peptides and proteins, which otherwise are not feasible within the use of canonical amino acids. In this context fluorinated amino acids have increasingly gained in importance in protein chemistry because of fluorine's unique properties: high electronegativity and a small atomic size. Despite the wide use of fluorine in drug design, properties of fluorine in protein environments have not been yet extensively studied. The aims of this part of the dissertation were: 1. to analyze the basic properties of fluorinated amino acids such as electrostatic and geometric characteristics, hydrogen bonding abilities, hydration properties and conformational preferences (section 3.1) 2. to describe the behavior of fluorinated amino acids in systems emulating protein environments (section 3.2, section 3.3) First, to characterize fluorinated amino acids side chains we have used fluorinated ethane derivatives as their simplified models and applied a quantum mechanics approach. Properties such as charge distribution, dipole moments, volumes and size of the fluoromethylated groups within the model have been characterized. Hydrogen bonding properties of these groups have been compared with the groups typically presented in natural protein environments. We have shown that hydrogen and fluorine atoms within these fluoromethylated groups are weak hydrogen bond donors and acceptors. Nevertheless they should not be disregarded for applications in protein engineering. Then, we have implemented four fluorinated L-amino acids for the AMBER force field and characterized their conformational and hydration properties at the MD level. We have found that hydrophobicity of fluorinated side chains grows with the number of fluorine atoms and could be explained in terms of high electronegativity of fluorine atoms and spacial demand of fluorinated side-chains. These data on hydration agrees with the results obtained in the experimental work performed by our collaborators. We have rationally engineered systems that allow us to study fluorine properties and extract results that could be extrapolated to proteins. For this, we have emulated protein environments by introducing fluorinated amino acids into a parallel coiled-coil and enzyme-ligand chymotrypsin systems. The results on fluorination effect on coiled-coil dimerization and substrate affinities in the chymotrypsin active site obtained by MD, molecular docking and free energy calculations are in strong agreement with experimental data obtained by our collaborators. In particular, we have shown that fluorine content and position of fluorination can considerably change the polarity and steric properties of an amino acid side chain and, thus, can influence the properties that a fluorinated amino acid reveals within a native protein environment. III. Coiled-coils typically consist of two to five right-handed α-helices that wrap around each other to form a left-handed superhelix. The interface of two α-helices is usually represented by hydrophobic residues. However, the analysis of protein databases revealed that in natural occurring proteins up to 20% of these positions are populated by polar and charged residues. The impact of these residues on stability of coiled-coil system is not clear. MD simulations together with free energy calculations have been utilized to estimate favourable interaction partners for uncommon amino acids within the hydrophobic core of coiled-coils (Chapter 4). Based on these data, the best hits among binding partners for one strand of a coiled-coil bearing a charged amino acid in a central hydrophobic core position have been selected. Computational data have been in agreement with the results obtained by our collaborators, who applied phage display technology and CD spectroscopy. This combination of theoretical and experimental approaches allowed to get a deeper insight into the stability of the coiled-coil system. To conclude, this thesis widens existing concepts of protein structural biology in three areas of its current importance. We expand on the role of solvent in protein interfaces, which contributes to the knowledge of physico-chemical properties underlying protein-protein interactions. We develop a deeper insight into the understanding of the fluorine's impact upon its introduction into protein environments, which may assist in exploiting the full potential of fluorine's unique properties for applications in the field of protein engineering and drug design. Finally we investigate the mechanisms underlying coiled-coil system folding. The results presented in the thesis are of definite importance for possible applications (e.g. introduction of solvent explicitly into the scoring function) into protein folding, docking and rational design methods. The dissertation consists of four chapters: ● Chapter 1 contains an introduction to the topic of protein-protein interactions including basic concepts and an overview of the present state of research in the field. ● Chapter 2 focuses on the studies of the role of solvent in protein interfaces. ● Chapter 3 is devoted to the work on fluorinated amino acids in protein environments. ● Chapter 4 describes the study of coiled-coils folding properties. The experimental parts presented in Chapters 3 and 4 of this thesis have been performed by our collaborators at FU Berlin. Sections 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 and Chapter 4 have been submitted/published in peer-reviewed international journals. Their organization follows a standard research article structure: Abstract, Introduction, Methodology, Results and discussion, and Conclusions. Section 3.3, though not published yet, is also organized in the same way. The literature references are summed up together at the end of the thesis to avoid redundancy within different chapters.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von funktionellen Magnetit-Nanokompositen durch Sprühtrocknung für die Anwendung in der Bioseparation. Dabei liegen die Schwerpunkte auf der Anwendung von Polyelektrolyten als Ionenaustauscher sowie auf der Nachhaltigkeit des Herstellungsprozesses. Basierend auf einem existierenden Herstellungsprozess wurde die Aufgabenstellung konkretisiert. Es wurden Möglichkeiten zur nachhaltigen Prozessgestaltung der Synthese von kationischen bzw. anionischen magnetischen Funktionspartikeln zur Proteinabtrennung vorgestellt. Als magnetische Komponente wurde Magnetit verwendet. Aufgrund seines pseudo-amphiphilen Charakters und seiner besonderen Eigenschaften in Bezug auf die Stabilisierung von Magnetit-Kolloiden wurde Polyvinylbutyral (Mowital B 30T) als Matrixpolymer bei der Sprühtrocknung benutzt. Für die nachhaltige Prozessgestaltung wurden Isopropanol und Tetrahydrofuran als Dichlormethan-Ersatz bei der Sprühtrocknung verwendet. Bei der Synthese kationischer Magnetic Beads wurden verzweigtes Polyethylenimin und lineares Poly(Allyamin) als Anionenaustauscher verwendet. Beide Polykationen sind schwache Polyelektrolyte mit Aminogruppen. Für die Verarbeitung der Polykationen als funktionelle Liganden in magnetischen Funktionspartikeln wurde zwei Herstellungsmethoden vorgestellt: eine Synthese ohne Oberflächenmodifizierung, wobei die mechanische und chemische Stabilität der Funktionspartikeln einzig von der chemischen Struktur der eingesetzten Materialien bzw. vom Matrixpolymer abhängt, und eine Synthese mit Oberflächenmodifizierung. Die Synthese mit Oberflächenmodifizierung ist gekennzeichnet durch die kovalente Bindung von Polyethylenimin bzw. Poly(Allyamin) an der Oberfläche der Funktionspartikeln (Polyvinylbutyral). Dafür wurde 1,1’-Carbonyldiimidazol als „zero length“-Crosslinker benutzt. Die nach beiden Methoden hergestellten Funktionspartikeln wurden charakterisiert, um ihre technische Eignung beurteilen zu können. Für die Charakterisierung der sorptiven Eigenschaften wurde unter anderem der Bowman-Birk Inhibitor (BBI) verwendet. Das Protein ist ein Sojaprodukt und für seine krebsvorbeugende Wirkung bekannt. Um die Selektivität der Abtrennung zu untersuchen, wurden BBI-Produkte mit unterschiedlichen Reinheitsgraden benutzt. Durch die zwei vorgestellten Methoden konnten kationische magnetische Funktionspartikeln erfolgreich hergestellt werden. Alle Funktionspartikeln sind superparamagnetisch, und der Medianwert ihrer Partikelgrößenverteilung liegt im einstelligen Mikrometerbereich. Aufgrund eines höheren Polykationanteils ist die Bindungskapazität der Funktionspartikeln ohne Oberflächenmodifizierung um den Faktor 2,4 größer als die BBI-Bindungskapazität der Funktionspartikeln mit Oberflächenmodifizierung (Qmax=322 mg/g). Das Fehlen eine feste Anbindung des funktionellen Liganden an den Funktionspartikeln ohne Oberflächenmodifizierung verleiht jedoch diesen eine sehr schlechte chemische Stabilität in Lösungen. Es wurde auch gezeigt, dass oberflächenmodifizierte Funktionspartikeln mit ähnlichen Eigenschaften durch den Einsatz von Dichlormethan bzw. Tetrahydrofuran als Lösungsmittelersatz während der Sprühtrocknung hergestellt werden können. Durch den Einsatz von mit Poly(allylamin) oberflächenmodifizierten Funktionspartikeln konnte BBI von technischen Sojamolken unterschiedlicher Reinheitsgrade erfolgreich abgetrennt werden. Anionische Magnetic Beads wurden mit Kationenaustauscherharz als funktionellem Ligand hergestellt. Dabei wurde Isopropanol als organisches Lösungsmittel während der Sprühtrocknung verwendet. Die Synthese wurde analog zur Synthese der kationischen Magnetic Beads ohne Oberflächenmodifizierung durchgeführt. Es wurde auch hier gezeigt, dass anionische magnetische Funktionspartikeln mit guten sorptiven Eigenschaften durch den Einsatz von Isopropanol als organisches Lösungsmittel hergestellt werden können. Die anionischen Funktionspartikeln besitzen im Vergleich zu Literaturwerten höhere Bindungskapazitäten (bis 280 mg/g; ermittelt mit Lysozym). Im letzten Kapitel wird der kritische Prozessschritt des Lösungsmittelaustausches behandelt. Nach dem Lösungsmittelaustausch sollten die Magnetitnanopartikeln in der organischen Phase stabil sein. Dies ermöglicht sowohl eine homogene Verteilung der Nanopartikeln in der Matrix als auch deren bessere Verkapselung während der Sprühtrocknung. Es wurde festgestellt, dass sich eine vollständige Abtrennung von Dichlormethan durch die angewendete Destillationsmethode nicht erreichen lässt. Anhand von zwei Modellsystemen — Rizinolsäure- und Ölsäure-beschichteten Magnetitnanopartikeln — und Lösungsmittelgemischen wurde die Stabilität von sterisch stabilisierten Magnetitpartikeln in binären Lösungsmittelgemischen untersucht. Der Fokus bei dieser Untersuchung lag auf der Untersuchung der Stabilität der beschichteten Magnetitnanopartikeln in einer möglichst Dichlormethan- bzw. Isooktan-freien organischen Phase. Als zweites Lösungsmittel (als Lösungsmittelersatz betrachtet) wurden neben Tetrahydrofuran und Isopropanol technisch verbreitete Lösungsmittel wie Isooktan und 1-Butanol eingesetzt. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass die Anwendung der technischen Rizinolsäure bzw. Ölsäure einen zusätzlichen Einfluss auf die Stabilität der Magnetitpartikeln hat, da diese aus anderen Fettsäuren mit unterschiedlichen chemischen Strukturen bestehen. Die Diskrepanz zwischen der berechneten HANSEN-Distanzen und der Stabilität der Magnetitnanopartikeln mit reinen Fettsäuren lässt vermutet, dass die Zusammensetzung der Lösungsmittelgemische an der fest/flüssig-Grenzfläche anders ist als im freien Volumen. Ein Modell zur Beschreibung der Stabilität der Nanopartikeln, das auf einer Anreicherung des Ausgangslösungsmittels an der Grenzfläche basiert, wurde postuliert. Solange die Diffusion des zweiten Lösungsmittels in die Adsorptionsschicht nicht ausreichend genug ist, um die Löslichkeit der Fettsäureketten entscheidend zu reduzieren und somit einen Abfall der Abstoßungskräfte zwischen der Partikeln hervorzurufen, bleiben alle beschichteten Magnetitnanopartikeln stabil im Lösungsmittelgemisch. Dies ist der Fall für die mit der reinen Rizinolsäure beschichteten Magnetitnanopartikeln in allen verwendeten Lösungsmittelgemischen mit 0,5 Vol. % DCM in der kontinuierlichen Phase. Durch die vorgestellten Herstellungsmethoden wurde gezeigt, dass magnetische Funktionspartikeln sowohl mit festen partikelförmigen Ionenaustauschern als auch mit flüssigen schwachen Polyelektrolyten erfolgreich synthetisiert werden können. Eine nachhaltige Prozessgestaltung durch die Reduzierung der Dichlormethanmenge im Sprühtrocknungsprozess ist auch möglich. Für eine erfolgreiche industrielle Anwendung der Funktionspartikeln müssen aber ihre chemischen sowie mechanischen Eigenschaften deutlich verbessert werden. Dies könnte z.B. durch die Verwendung eines anderen Matrixpolymers oder durch die Entfernung von nicht gebundenen Bestandteilen durch gezielte Waschung der Funktionspartikeln erfolgen. Die Bindungskapazität sowie die Selektivität der oberflächenmodifizierten Funktionspartikeln sollte ebenfalls verbessert werden. Dafür wurde einen Ansatz durch die Quaternisierung der Aminogruppen präsentiert. Schließlich würde die Untersuchung der Stabilität der beschichteten Magnetitnanopartikeln in einphasigen reinen Lösungsmitteln nähere Erkenntnisse über das postulierte Modell der Anreicherung von Dichlormethan in der Adsorptionsschicht erbringen. Dabei könnte die Dichlormethanmenge durch mehrstufige Destillation bzw. Rektifikation beim Lösungsmittelaustausch entfernt werden. Eine vollständige Untersuchung dieses Effekts würde zusätzlich eine Antwort auf zahlreiche Fragestellungen der Kolloidchemie in Bezug auf das Stabilitätsverhalten von Pigmentdispersionen (Lacke) oder von beschichteten Nanopartikeln in Polymerlösungen erbringen.

We report the morphological characterization of triisopropylsilylethynyl-dibenzochrysene (TIPS-DBC:PCBM) blends, a bulk heterojunction (BHJ) solar cell system based on a highly crystalline small molecule donor. We found that processing the blends from a volatile solvent such as chloroform is beneficial in controlling the crystal size and phase separation of the donor–acceptor phases. When a less-volatile solvent such as chlorobenzene is used, large crystalline domains formed, exceeding the length scale suitable for BHJ solar cells. When the BHJ films are thermally annealed, enhanced domain purity is observed for the chloroform processed thin films, which led to an increased short circuit current in the devices.

Proteins have an indispensable role in the cell. They carry out a wide variety of structural, catalytic and signaling functions in all known biological systems. To perform their biological functions, proteins establish interactions with other bioorganic molecules including other proteins. Therefore, protein-protein interactions is one of the central topics in molecular biology. My thesis is devoted to three different topics in the field of protein-protein interactions. The first one focuses on solvent contribution to protein interfaces as it is an important component of protein complexes. The second topic discloses the structural and functional potential of fluorine's unique properties, which are attractive for protein design and engineering not feasible within the scope of canonical amino acids. The last part of this thesis is a study of the impact of charged amino acid residues within the hydrophobic interface of a coiled-coil system, which is one of the well-established model systems for protein-protein interactions studies. I. The majority of proteins interact in vivo in solution, thus studies of solvent impact on protein-protein interactions could be crucial for understanding many processes in the cell. However, though solvent is known to be very important for protein-protein interactions in terms of structure, dynamics and energetics, its effects are often disregarded in computational studies because a detailed solvent description requires complex and computationally demanding approaches. As a consequence, many protein residues, which establish water-mediated interactions, are neither considered in an interface definition. In the previous work carried out in our group the protein interfaces database (SCOWLP) has been developed. This database takes into account interfacial solvent and based on this classifies all interfacial protein residues of the PDB into three classes based on their interacting properties: dry (direct interaction), dual (direct and water-mediated interactions), and wet spots (residues interacting only through one water molecule). To define an interaction SCOWLP considers a donor–acceptor distance for hydrogen bonds of 3.2 Å, for salt bridges of 4 Å, and for van der Waals contacts the sum of the van der Waals radii of the interacting atoms. In previous studies of the group, statistical analysis of a non-redundant protein structure dataset showed that 40.1% of the interfacial residues participate in water-mediated interactions, and that 14.5% of the total residues in interfaces are wet spots. Moreover, wet spots have been shown to display similar characteristics to residues contacting water molecules in cores or cavities of proteins. The goals of this part of the thesis were: 1. to characterize the impact of solvent in protein-protein interactions 2. to elucidate possible effects of solvent inclusion into the correlated mutations approach for protein contacts prediction To study solvent impact on protein interfaces a molecular dynamics (MD) approach has been used. This part of the work is elaborated in section 2.1 of this thesis. We have characterized properties of water-mediated protein interactions at residue and solvent level. For this purpose, an MD analysis of 17 representative complexes from SH3 and immunoglobulin protein families has been performed. We have shown that the interfacial residues interacting through a single water molecule (wet spots) are energetically and dynamically very similar to other interfacial residues. At the same time, water molecules mediating protein interactions have been found to be significantly less mobile than surface solvent in terms of residence time. Calculated free energies indicate that these water molecules should significantly affect formation and stability of a protein-protein complex. The results obtained in this part of the work also suggest that water molecules in protein interfaces contribute to the conservation of protein interactions by allowing more sequence variability in the interacting partners, which has important implications for the use of the correlated mutations concept in protein interactions studies. This concept is based on the assumption that interacting protein residues co-evolve, so that a mutation in one of the interacting counterparts is compensated by a mutation in the other. The study presented in section 2.2 has been carried out to prove that an explicit introduction of solvent into the correlated mutations concept indeed yields qualitative improvement of existing approaches. For this, we have used the data on interfacial solvent obtained from the SCOWLP database (the whole PDB) to construct a “wet” similarity matrix. This matrix has been used for prediction of protein contacts together with a well-established “dry” matrix. We have analyzed two datasets containing 50 domains and 10 domain pairs, and have compared the results obtained by using several combinations of both “dry” and “wet” matrices. We have found that for predictions for both intra- and interdomain contacts the introduction of a combination of a “dry” and a “wet” similarity matrix improves the predictions in comparison to the “dry” one alone. Our analysis opens up the idea that the consideration of water may have an impact on the improvement of the contact predictions obtained by correlated mutations approaches. There are two principally novel aspects in this study in the context of the used correlated mutations methodology : i) the first introduction of solvent explicitly into the correlated mutations approach; ii) the use of the definition of protein-protein interfaces, which is essentially different from many other works in the field because of taking into account physico-chemical properties of amino acids and not being exclusively based on distance cut-offs. II. The second part of the thesis is focused on properties of fluorinated amino acids in protein environments. In general, non-canonical amino acids with newly designed side-chain functionalities are powerful tools that can be used to improve structural, catalytic, kinetic and thermodynamic properties of peptides and proteins, which otherwise are not feasible within the use of canonical amino acids. In this context fluorinated amino acids have increasingly gained in importance in protein chemistry because of fluorine's unique properties: high electronegativity and a small atomic size. Despite the wide use of fluorine in drug design, properties of fluorine in protein environments have not been yet extensively studied. The aims of this part of the dissertation were: 1. to analyze the basic properties of fluorinated amino acids such as electrostatic and geometric characteristics, hydrogen bonding abilities, hydration properties and conformational preferences (section 3.1) 2. to describe the behavior of fluorinated amino acids in systems emulating protein environments (section 3.2, section 3.3) First, to characterize fluorinated amino acids side chains we have used fluorinated ethane derivatives as their simplified models and applied a quantum mechanics approach. Properties such as charge distribution, dipole moments, volumes and size of the fluoromethylated groups within the model have been characterized. Hydrogen bonding properties of these groups have been compared with the groups typically presented in natural protein environments. We have shown that hydrogen and fluorine atoms within these fluoromethylated groups are weak hydrogen bond donors and acceptors. Nevertheless they should not be disregarded for applications in protein engineering. Then, we have implemented four fluorinated L-amino acids for the AMBER force field and characterized their conformational and hydration properties at the MD level. We have found that hydrophobicity of fluorinated side chains grows with the number of fluorine atoms and could be explained in terms of high electronegativity of fluorine atoms and spacial demand of fluorinated side-chains. These data on hydration agrees with the results obtained in the experimental work performed by our collaborators. We have rationally engineered systems that allow us to study fluorine properties and extract results that could be extrapolated to proteins. For this, we have emulated protein environments by introducing fluorinated amino acids into a parallel coiled-coil and enzyme-ligand chymotrypsin systems. The results on fluorination effect on coiled-coil dimerization and substrate affinities in the chymotrypsin active site obtained by MD, molecular docking and free energy calculations are in strong agreement with experimental data obtained by our collaborators. In particular, we have shown that fluorine content and position of fluorination can considerably change the polarity and steric properties of an amino acid side chain and, thus, can influence the properties that a fluorinated amino acid reveals within a native protein environment. III. Coiled-coils typically consist of two to five right-handed α-helices that wrap around each other to form a left-handed superhelix. The interface of two α-helices is usually represented by hydrophobic residues. However, the analysis of protein databases revealed that in natural occurring proteins up to 20% of these positions are populated by polar and charged residues. The impact of these residues on stability of coiled-coil system is not clear. MD simulations together with free energy calculations have been utilized to estimate favourable interaction partners for uncommon amino acids within the hydrophobic core of coiled-coils (Chapter 4). Based on these data, the best hits among binding partners for one strand of a coiled-coil bearing a charged amino acid in a central hydrophobic core position have been selected. Computational data have been in agreement with the results obtained by our collaborators, who applied phage display technology and CD spectroscopy. This combination of theoretical and experimental approaches allowed to get a deeper insight into the stability of the coiled-coil system. To conclude, this thesis widens existing concepts of protein structural biology in three areas of its current importance. We expand on the role of solvent in protein interfaces, which contributes to the knowledge of physico-chemical properties underlying protein-protein interactions. We develop a deeper insight into the understanding of the fluorine's impact upon its introduction into protein environments, which may assist in exploiting the full potential of fluorine's unique properties for applications in the field of protein engineering and drug design. Finally we investigate the mechanisms underlying coiled-coil system folding. The results presented in the thesis are of definite importance for possible applications (e.g. introduction of solvent explicitly into the scoring function) into protein folding, docking and rational design methods. The dissertation consists of four chapters: ● Chapter 1 contains an introduction to the topic of protein-protein interactions including basic concepts and an overview of the present state of research in the field. ● Chapter 2 focuses on the studies of the role of solvent in protein interfaces. ● Chapter 3 is devoted to the work on fluorinated amino acids in protein environments. ● Chapter 4 describes the study of coiled-coils folding properties. The experimental parts presented in Chapters 3 and 4 of this thesis have been performed by our collaborators at FU Berlin. Sections 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 and Chapter 4 have been submitted/published in peer-reviewed international journals. Their organization follows a standard research article structure: Abstract, Introduction, Methodology, Results and discussion, and Conclusions. Section 3.3, though not published yet, is also organized in the same way. The literature references are summed up together at the end of the thesis to avoid redundancy within different chapters.

With the advancements in the field of wireless sensor networks (WSNs), more and more applications require the sensor nodes to have long lifetime. Energy harvesting sources, e.g. thermoelectric generators (TEGs), can be used to increase the lifetime and capability of the WSNs. Integration of energy harvesters into sensor nodes of WSNs can realize self powered systems, providing the possibility for maintenance free WSNs. TEGs can convert the existing temperature differences into electricity. The efficiency of TEGs is directly related to the dimensionless figure of merit (ZT) of materials, which is given as ZT=σS^2 T/k, where σ is the electrical conductivity, S is the Seebeck coefficient, k is the thermal conductivity, T is the temperature and σS^2 is the power factor. Traditional thermoelectric (TE) materials are based on inorganic materials, of which the thermal conductivity is high. Over the past decade, the use of nanostructuring technology, e.g. superlattice, could decrease the thermal conductivity in order to enhance the efficiency of TE materials. However, the high cost and the rigidity of inorganic TE materials are limiting factors. As alternatives, polymer based materials have become the research focus due to their intrinsic low thermal conductivity, high flexibility and high electrical conductivity. Moreover, polymer based materials could be fabricated in solution form, giving the possibility for employing printing techniques hence a decrease in the production cost. Unlike the typical approach, in which secondary dopants are added into PEDOT:PSS solutions to modify the power factor of polymer films, this thesis is focused on a more efficient method to improve TE properties. This thesis demonstrates for the first time that post treatment of PEDOT:PSS films with the secondary dopant DMSO as the medium results in a much larger power factor than the traditional addition method. The post treatment method also avoids the usually required mixing step involved in the addition method. Different solvents were selected to discuss the impact factors in the modification of the power factor by this post treatment approach. The post treatment of PEDOT:PSS films was then extended to utilize a green solvent EMIMBF_4 (an ionic liquid) as the medium. EMIMBF_4 is found to exchange ions with PEDOT:PSS films. As a result, the EMIM^+ cations remain in the films and reduce the oxidation level of PEDOT chains, which affects the Seebeck coefficient and the electrical conductivity. Furthermore, TE materials based on hybrid composites with polymer as the matrix and Te nanostructures as the nanoinclusions were investigated. This thesis successfully developed a green synthesis method to obtain Te nanostructures, in which a non toxic reductant and a non toxic Te sources were used. Well controlled Te nanostructures including nanorods, nanowires and nanotubes were synthesized by wet chemical and hydrothermal synthesis. Those as synthesized Te nanowires were then integrated into PEDOT:PSS solution for composite films fabrication. A high Seebeck coefficient up to 200 μV/K was observed in the composite film. / Mit den Weiterentwicklungen der Drahtlosen Sensornetzwerke (engl. WSN, wireless sensor networks) stellen immer mehr Anwendungen die Forderung einer langen Lebensdauer der Sensorknoten. Energiegewinnungssysteme (engl. Energy Harvesters) wie z.B. thermoelektrische Generatoren (TEGs) können genutzt werden, um die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit der WSN zu steigern. Mit der Integration von Energy Harvesters können WSN ohne äußere Stromversorgung realisiert und somit die Möglichkeit zur Wartungsfreiheit geschaffen werden. TEGs liefern Energie durch die Umwandlung einer Temperaturdifferenz in Elektrizität. Die Effektivität der TEG ist direkt verbunden mit der Material-Kennzahl ZT und ist gegeben durch ZT=σS^2 T/k, wobei σ die elektrische Leitfähigkeit ist, S der Seebeck Koeffizient, k die thermische Leifähigkeit, T die Temperatur und σS^2 der Leistungsfaktor. Herkömmliche thermoelektrische (TE) Materialien basieren auf anorganischen Materialien, von denen die thermische Leitfähigkeit hoch ist. Im Laufe des letzten Jahrzehnts konnte durch den Einsatz der Nanostrukturierung die thermische Leitfähigkeit verringern werden um damit die Effizienz von TE-Materialien zu steigern. Die Steifigkeit dieser Materialien ist ein anderer Aspekt. Als Alternative für anorganische TE Materialien sind Polymer basierte TE Materialien zum Fokus der Forschung geworden aufgrund einer intrinsisch niedrigen thermischen Leitfähigkeit, hohen Flexibilität und hohen elektrischen Leitfähigkeit. Des Weiteren können diese Polymere in gelöster Form verarbeitet werden, was die Möglichkeit für den Einsatz von Drucktechnologien und damit geringeren Produktionskosten gibt. Anders als der herkömmliche Ansatz den Leistungsfaktor der Polymerfilme durch die Ergänzung von sekundären Dotanten in PEDOT:PSS Lösungen zu verändern, wurde in dieser Arbeit eine effizientere Methode zur Verbesserung der TE Eigenschaften gesucht. In dieser Arbeit wird zum ersten Mal gezeigt, dass die Nachbehandlung von PEDOT:PSS Schichten mit sekundären Dotanten Dimethylsulfoxid (DMSO) als Medium der Nachbehandlung zu einem viel höheren Leistungsfaktor führt als bei der Zugabemethode und außerdem die sonst erforderliche Mischprocedur vermeidet. Es wurden verschiedene Lösungsmittel ausgewählt um die Einflussfaktoren bei der Modifikation des Leistungsfaktors durch die Nachbehandlung von Polymerschichten zu diskutieren. Die Nachbehandlung von PEDOT:PSS Schichten wurde nachfolgend erweitert um das umweltfreundliche Lösungsmittel EMIMBF4 (eine ionische Flüssigkeit) als das Medium einzusetzen. EMIMBF4 ist bekannt für den Austausch von Ionen mit PEDOT:PSS Schichten, so dass EMIM Kationen in der Schicht verbleiben, die Oxidationsstufe der PEDOT-Ketten senken und damit den Seebeck-Koeffizient und die elektrische Leitfähigkeit beeinflussen. Des Weiteren konzentriert sich diese Arbeit auf TE Materialien basierend auf Kompositen aus Polymeren mit Nanoeinlagerungen. Erfolgreiche Syntheseansätze wurden für Tellur-Nanostrukturen entwickelt, bei denen keine giftigen Reduktionsmittel und keine giftigen Tellur-Quellen zur Verwendung kamen. Es erfolgte die Erzeugung von kontrollierten Tellur-Nanostrukturen, einschließlich Nanostäben, Nanodrähten und Nanoröhren, mit nass-chemischer und hydrothermaler Synthese. Die so hergestellten Nanodrähte wurden dann in PEDOT:PSS Lösungen integriert für die Herstellung von Komposite-Schichten. Dabei konnte ein hoher Seebeck-Koeffizienten, bis zu 200 μV/K, festgestellt werden.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von funktionellen Magnetit-Nanokompositen durch Sprühtrocknung für die Anwendung in der Bioseparation. Dabei liegen die Schwerpunkte auf der Anwendung von Polyelektrolyten als Ionenaustauscher sowie auf der Nachhaltigkeit des Herstellungsprozesses. Basierend auf einem existierenden Herstellungsprozess wurde die Aufgabenstellung konkretisiert. Es wurden Möglichkeiten zur nachhaltigen Prozessgestaltung der Synthese von kationischen bzw. anionischen magnetischen Funktionspartikeln zur Proteinabtrennung vorgestellt. Als magnetische Komponente wurde Magnetit verwendet. Aufgrund seines pseudo-amphiphilen Charakters und seiner besonderen Eigenschaften in Bezug auf die Stabilisierung von Magnetit-Kolloiden wurde Polyvinylbutyral (Mowital B 30T) als Matrixpolymer bei der Sprühtrocknung benutzt. Für die nachhaltige Prozessgestaltung wurden Isopropanol und Tetrahydrofuran als Dichlormethan-Ersatz bei der Sprühtrocknung verwendet. Bei der Synthese kationischer Magnetic Beads wurden verzweigtes Polyethylenimin und lineares Poly(Allyamin) als Anionenaustauscher verwendet. Beide Polykationen sind schwache Polyelektrolyte mit Aminogruppen. Für die Verarbeitung der Polykationen als funktionelle Liganden in magnetischen Funktionspartikeln wurde zwei Herstellungsmethoden vorgestellt: eine Synthese ohne Oberflächenmodifizierung, wobei die mechanische und chemische Stabilität der Funktionspartikeln einzig von der chemischen Struktur der eingesetzten Materialien bzw. vom Matrixpolymer abhängt, und eine Synthese mit Oberflächenmodifizierung. Die Synthese mit Oberflächenmodifizierung ist gekennzeichnet durch die kovalente Bindung von Polyethylenimin bzw. Poly(Allyamin) an der Oberfläche der Funktionspartikeln (Polyvinylbutyral). Dafür wurde 1,1’-Carbonyldiimidazol als „zero length“-Crosslinker benutzt. Die nach beiden Methoden hergestellten Funktionspartikeln wurden charakterisiert, um ihre technische Eignung beurteilen zu können. Für die Charakterisierung der sorptiven Eigenschaften wurde unter anderem der Bowman-Birk Inhibitor (BBI) verwendet. Das Protein ist ein Sojaprodukt und für seine krebsvorbeugende Wirkung bekannt. Um die Selektivität der Abtrennung zu untersuchen, wurden BBI-Produkte mit unterschiedlichen Reinheitsgraden benutzt. Durch die zwei vorgestellten Methoden konnten kationische magnetische Funktionspartikeln erfolgreich hergestellt werden. Alle Funktionspartikeln sind superparamagnetisch, und der Medianwert ihrer Partikelgrößenverteilung liegt im einstelligen Mikrometerbereich. Aufgrund eines höheren Polykationanteils ist die Bindungskapazität der Funktionspartikeln ohne Oberflächenmodifizierung um den Faktor 2,4 größer als die BBI-Bindungskapazität der Funktionspartikeln mit Oberflächenmodifizierung (Qmax=322 mg/g). Das Fehlen eine feste Anbindung des funktionellen Liganden an den Funktionspartikeln ohne Oberflächenmodifizierung verleiht jedoch diesen eine sehr schlechte chemische Stabilität in Lösungen. Es wurde auch gezeigt, dass oberflächenmodifizierte Funktionspartikeln mit ähnlichen Eigenschaften durch den Einsatz von Dichlormethan bzw. Tetrahydrofuran als Lösungsmittelersatz während der Sprühtrocknung hergestellt werden können. Durch den Einsatz von mit Poly(allylamin) oberflächenmodifizierten Funktionspartikeln konnte BBI von technischen Sojamolken unterschiedlicher Reinheitsgrade erfolgreich abgetrennt werden. Anionische Magnetic Beads wurden mit Kationenaustauscherharz als funktionellem Ligand hergestellt. Dabei wurde Isopropanol als organisches Lösungsmittel während der Sprühtrocknung verwendet. Die Synthese wurde analog zur Synthese der kationischen Magnetic Beads ohne Oberflächenmodifizierung durchgeführt. Es wurde auch hier gezeigt, dass anionische magnetische Funktionspartikeln mit guten sorptiven Eigenschaften durch den Einsatz von Isopropanol als organisches Lösungsmittel hergestellt werden können. Die anionischen Funktionspartikeln besitzen im Vergleich zu Literaturwerten höhere Bindungskapazitäten (bis 280 mg/g; ermittelt mit Lysozym). Im letzten Kapitel wird der kritische Prozessschritt des Lösungsmittelaustausches behandelt. Nach dem Lösungsmittelaustausch sollten die Magnetitnanopartikeln in der organischen Phase stabil sein. Dies ermöglicht sowohl eine homogene Verteilung der Nanopartikeln in der Matrix als auch deren bessere Verkapselung während der Sprühtrocknung. Es wurde festgestellt, dass sich eine vollständige Abtrennung von Dichlormethan durch die angewendete Destillationsmethode nicht erreichen lässt. Anhand von zwei Modellsystemen — Rizinolsäure- und Ölsäure-beschichteten Magnetitnanopartikeln — und Lösungsmittelgemischen wurde die Stabilität von sterisch stabilisierten Magnetitpartikeln in binären Lösungsmittelgemischen untersucht. Der Fokus bei dieser Untersuchung lag auf der Untersuchung der Stabilität der beschichteten Magnetitnanopartikeln in einer möglichst Dichlormethan- bzw. Isooktan-freien organischen Phase. Als zweites Lösungsmittel (als Lösungsmittelersatz betrachtet) wurden neben Tetrahydrofuran und Isopropanol technisch verbreitete Lösungsmittel wie Isooktan und 1-Butanol eingesetzt. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass die Anwendung der technischen Rizinolsäure bzw. Ölsäure einen zusätzlichen Einfluss auf die Stabilität der Magnetitpartikeln hat, da diese aus anderen Fettsäuren mit unterschiedlichen chemischen Strukturen bestehen. Die Diskrepanz zwischen der berechneten HANSEN-Distanzen und der Stabilität der Magnetitnanopartikeln mit reinen Fettsäuren lässt vermutet, dass die Zusammensetzung der Lösungsmittelgemische an der fest/flüssig-Grenzfläche anders ist als im freien Volumen. Ein Modell zur Beschreibung der Stabilität der Nanopartikeln, das auf einer Anreicherung des Ausgangslösungsmittels an der Grenzfläche basiert, wurde postuliert. Solange die Diffusion des zweiten Lösungsmittels in die Adsorptionsschicht nicht ausreichend genug ist, um die Löslichkeit der Fettsäureketten entscheidend zu reduzieren und somit einen Abfall der Abstoßungskräfte zwischen der Partikeln hervorzurufen, bleiben alle beschichteten Magnetitnanopartikeln stabil im Lösungsmittelgemisch. Dies ist der Fall für die mit der reinen Rizinolsäure beschichteten Magnetitnanopartikeln in allen verwendeten Lösungsmittelgemischen mit 0,5 Vol. % DCM in der kontinuierlichen Phase. Durch die vorgestellten Herstellungsmethoden wurde gezeigt, dass magnetische Funktionspartikeln sowohl mit festen partikelförmigen Ionenaustauschern als auch mit flüssigen schwachen Polyelektrolyten erfolgreich synthetisiert werden können. Eine nachhaltige Prozessgestaltung durch die Reduzierung der Dichlormethanmenge im Sprühtrocknungsprozess ist auch möglich. Für eine erfolgreiche industrielle Anwendung der Funktionspartikeln müssen aber ihre chemischen sowie mechanischen Eigenschaften deutlich verbessert werden. Dies könnte z.B. durch die Verwendung eines anderen Matrixpolymers oder durch die Entfernung von nicht gebundenen Bestandteilen durch gezielte Waschung der Funktionspartikeln erfolgen. Die Bindungskapazität sowie die Selektivität der oberflächenmodifizierten Funktionspartikeln sollte ebenfalls verbessert werden. Dafür wurde einen Ansatz durch die Quaternisierung der Aminogruppen präsentiert. Schließlich würde die Untersuchung der Stabilität der beschichteten Magnetitnanopartikeln in einphasigen reinen Lösungsmitteln nähere Erkenntnisse über das postulierte Modell der Anreicherung von Dichlormethan in der Adsorptionsschicht erbringen. Dabei könnte die Dichlormethanmenge durch mehrstufige Destillation bzw. Rektifikation beim Lösungsmittelaustausch entfernt werden. Eine vollständige Untersuchung dieses Effekts würde zusätzlich eine Antwort auf zahlreiche Fragestellungen der Kolloidchemie in Bezug auf das Stabilitätsverhalten von Pigmentdispersionen (Lacke) oder von beschichteten Nanopartikeln in Polymerlösungen erbringen.