The major sorting station of biosynthetic material destined for the cell surface or secretion is the trans Golgi Network, TGN. This organelle sorts proteins and lipids into vesicular transport carriers that are targeted via different pathways to distinct membrane compartments of the cell. The molecular principles that operate in cargo sorting at the TGN are still not very well understood. Especially, we know very little about the sorting of lipids. It was postulated that a sorting mechanism based on clustering of lipid rafts, dynamic membrane domains enriched in sphingolipids and sterols, could be an important part of the picture. My thesis study dealt with the elucidation of the molecular sorting principles at the TGN and their exploitation for cell surface polarity in the yeast Saccharomyces cerevisiae. To this end, we conducted a genome wide screen that identified yeast mutants defective in cell surface delivery of the model cargo protein FusMid-GFP. The most striking result of this screen was that mutant strains with defects in ergosterol (the major yeast sterol) and sphingolipid biosynthesis lost sorting competence. To elucidate a direct role for sphingolipids and ergosterol in cargo sorting and secretion we sought to characterize the lipid composition of secretory vesicles. Hence, we established a vesicle purification protocol based on an immunoisolation strategy. Additionally, in collaboration with the group of A. Shevchenko, we developed a mass spectrometry methodology that allows the comprehensive and quantitative lipid analysis of subcellular organelles. Preliminary results corroborate our genetic evidence. The data show that the vesicles are enriched in sphingolipids and decreased in phosphatidylcholine indicating a role for raft clustering in cargo sorting at the TGN. The studies of cell polarity during yeast mating also unraveled a role for raft clustering. We could identify that the lipid bilayer at the tip of the mating projection was more ordered than at the plasma membrane enclosing the cell body and that this was dependent on sphingolipid synthesis. The results of my thesis suggest that in the yeast Saccharomyces cerevisiae fundamental cell biological processes such as cargo sorting and vesicle formation at the TGN as well as cell surface polarity during mating employ raft clustering mechanisms.

Covalent modification of histones is an important factor in the regulation of the chromatin structure implicated in DNA replication, repair, recombination, and transcription, as well as in RNA processing. In recent years, histone methylation has emerged as one of the key modifications regulating chromatin function. However, the mechanisms involved are complex and not well understood. Histone 3 lysine 4 (H3K4) methylation is deposited by a family of histone H3K4 methyltransferases (HMTs) that share a conserved SET domain. In mammalian cells, six family members have been characterized: Setd1a and Setd1b (the mammalian orthologs of yeast Set1) and four Mixed lineage leukemia (Mll) family HMTs, which share limited similarity with yeast Set1 beyond the SET domain. Several studies demonstrated that the H3K4 methyltransferases exist as multiprotein complexes. To functionally dissect H3K4 methyltransferase complexes, GFP tagging of the core subunit Ash2l and the complex-specific subunits Cxxc1 and Wdr82 (Setd1a/b complexes) Men1 (Mll1/2 complexes), and Ptip (Mll3/Mll4 complexes), was used. The fusion proteins were successfully expressed in mouse embryonic stem cells (ES cells), analyzed by confocal microscopy, Mass Spectrometry (MS) and ChIP-seq. Ptip was the only subunit able to bind mitotic chromatin. Additionally, both Ptip and Wdr82 were found to associate with cell cycle regulators, suggesting a possible role of the two proteins or respective complexes in cell cycle regulation. Mass Spectrometry revealed that Wdr82 and Ptip interact with members of he PAF complex, and ChIP-seq showed that Wdr82, Cxxc1 and Ptip positively modulate pluripotency genes. Thus, Setd1a/b and Mll3/4 complexes might act together in the regulation of embryonic stem cells identity. Protein pull downs identified at least one new Setd1a/b interactor, Bod1l that is orthologous to the yeast protein Sgh1, a component of the Set1C complex. Furthermore, our MS and ChIP-seq data suggested that only Mll2 complex binds to bivalent promoters, wheras Mll2 and Setd1a complexes might function together in a set of promoters.

The characterization of lipids is performed by mass spectrometry based on structure specific fragments or by accurate mass measurements of intact precursor ions. The latter method, termed ’top-down lipidomics’, is due to its robustness, simplicity and speed a valuable tool for medical research to elucidate the molecular background of lipid metabolic disorders. The current thesis aims to improve the established lipidomics methods. Therefore, a new top-down lipidomics method was introduced that increased the analysis throughput, lipidome coverage and accuracy of quantification, compared to previous approaches, by rapid successive acquisition of high resolution Fourier transform mass spectra in positive and negative ion modes. Furthermore, the characterization of molecular lipid species by utilizing high energy collisional dissociation was achieved on Orbitrap instruments. The mass accuracy of acquired MS/MS spectra increased the confidence in identification for unusual very-long chain polyunsaturated phosphatidylcholine species and a new lipid class, the maradolipids. Beyond that, effort was made to enhance the accuracy and comparability of MS/MS based bottom-up lipidomics data. In this respect, lipids with varying degree of unsaturation were analyzed and revealed discrete fragmentation properties. The technical refined lipidomics methods allowed insight into the lipid composition of lipoproteins and changes of the blood plasma induced by apheresis. Lipidomics screening of blood plasma uncovered an altered lipid pattern in consequence of impaired glucose metabolism and type 2 diabetes. The lipidomics characterization of islet allowed their quality assessment.

With only two ingredients, atomic nuclei exhibit a rich structure depending on the ordering of the different proton- and neutron-occupied states. This ordering can give rise to excited states with exceptionally long half-lives, also known as isomers, especially near shell closures. On-line mass spectrometry can often be compromised by the existence of such states that may even be produced in higher proportion than the ground state. This thesis presents the first results obtained from a nuclear spectroscopy setup coupled with the high-resolution Penning-trap mass spectrometer ISOLTRAP, at CERN’s radioactive ion beam facility ISOLDE. The isomerism in the neutron-deficient thallium isotopes was investigated. The data on 184,190,193−195 Tl allow an improvement of existing mass values as well as a mass-spin-state assignment in 190,193,194 Tl. Due to the presence of the ground and isomeric state for 194 Tl the excitation energy of the latter was determined for the first time experimentally. Systematic trends in the vicinity of the Z = 82 shell closure have been discussed.

Despite tremendous advances in mass spectrometry instrumentation and mass spectrometry-based methodologies, global protein profiling of organellar, cellular, tissue and body fluid proteomes in different organisms remains a challenging task due to the complexity of the samples and the wide dynamic range of protein concentrations. In addition, large amounts of produced data make result exploitation difficult. To overcome these issues, further advances in sample preparation, mass spectrometry instrumentation as well as data processing and data analysis are required. The presented study focuses as first on the improvement of the proteolytic digestion of proteins in in-gel based proteomic approach (Gel-LCMS). To this end commonly used bovine trypsin (BT) was modified with oligosaccharides in order to overcome its main disadvantages, such as weak thermostability and fast autolysis at basic pH. Glycosylated trypsin derivates maintained their cleavage specifity and showed better thermostability, autolysis resistance and less autolytic background than unmodified BT. In line with the “accelerated digestion protocol” (ADP) previously established in our laboratory modified enzymes were tested in in-gel digestion of proteins. Kinetics of in-gel digestion was studied by MALDI TOF mass spectrometry using 18O-labeled peptides as internal standards as well as by label-free quantification approach, which utilizes intensities of peptide ions detected by nanoLC-MS/MS. In the performed kinetic study the effect of temperature, enzyme concentration and digestion time on the yield of digestion products was characterized. The obtained results showed that in-gel digestion of proteins by glycosylated trypsin conjugates was less efficient compared to the conventional digestion (CD) and achieved maximal 50 to 70% of CD yield, suggesting that the attached sugar molecules limit free diffusion of the modified trypsins into the polyacrylamide gel pores. Nevertheless, these thermostable and autolysis resistant enzymes can be regarded as promising candidates for gel-free shotgun approach. To address the reliability issue of proteomic data I further focused on protein identifications with borderline statistical confidence produced by database searching. These hits are typically produced by matching a few marginal quality MS/MS spectra to database peptide sequences and represent a significant bottleneck in proteomics. A method was developed for rapid validation of borderline hits, which takes advantage of the independent interpretation of the acquired tandem mass spectra by de novo sequencing software PepNovo followed by mass-spectrometry driven BLAST (MS BLAST) sequence similarity searching that utilize all partially accurate, degenerate and redundant proposed peptide sequences. It was demonstrated that a combination of MASCOT software, de novo sequencing software PepNovo and MS BLAST, bundled by a simple scripted interface, enabled rapid and efficient validation of a large number of borderline hits, produced by matching of one or two MS/MS spectra with marginal statistical significance.

Die Massenspektrometrie stellt eine der bedeutendsten Techniken in der analytischen Chemie dar. Bislang können jedoch noch immer nicht alle Prozesse im Massenspektrometer vollständig erklärt werden. Um dazu einen Beitrag zu leisten, wurden DNA Oligonukleotide untersucht. Mit Hilfe der Ionenmobilitätsmassenspektrometrie wurde die räumliche Ausdehnung von Einzelstrang-DNA in Bezug auf ihr Ladungslevel und ihre Sequenz zur Feststellung der nötigen Fragmentationsenergie hin geprüft. So konnte ein sequenzunabhängiger Fragmentierungspunkt ermittelt werden, welcher ausschließlich vom Ladungslevel bestimmt wurde. Es zeigte sich ein linearer Anstieg der benötigten Energie bei zunehmender Ladung, wobei bei mittleren Ladungszuständen ein Sattelpunkt erreicht wurde. Durch IM-MS konnte dieser Bereich als geometrische Umfaltungszone bestätigt werden. Anschließend wurden die Produktfragmente aus unterschiedlichen kollisionsbasierten Fragmentierungstechniken verglichen, wobei sich herausstellte, dass einzelsträngige DNA aufgrund der komplexen und vielseitigen Dissoziationskanäle im Gegensatz zu anderen Stoffklassen große Unterschiede zwischen den Methoden auswies und daher als empfindlicher Sensor für geringfügige Unterschiede in der Fragmentationtechnik dienen kann. Des Weiteren wurden Doppelstränge verschiedenster Sequenzen mittels kollisionsinduzierter Dissoziation bezüglicher ihrer Zerfallswege untersucht. Dabei konnten spezifische Fragmentationsmuster ermittelt werden. Nachdem verschiedene etablierte Tandem-MS-Techniken angewendet wurden konnte abschließend eine neue Vakuumultraviolette Strahlung-basierte MS/MS-Methode entwickelt werden. Bei höher geladenen Ionen konnte eine Ladungsreduktion durch das Herausschlagen von Elektronen erreicht werden. Des Weiteren konnten die bereits bekannten Dissoziationspfade, wie beispielsweise in DNA, beobachtet werden. Außerdem konnten bei anderen Proben, wie z.B. ATP, ebenfalls neue Produktionen generiert werden. / Mass spectrometry represents one of the most important techniques in analytical chemistry today. So far, however, despite extensive use, not all processes in the mass spectrometer can be fully explained. In order to contribute to this, DNA oligonucleotides were investigated. Ion mobility was used to examine the spatial extent of single-stranded DNA in terms of its charge level and sequence in combination with a MS to determine the required fragmentation energies. Thus, structural changes of the ions can be detected. A sequence-independent fragmentation point could be determined, which was determined exclusively by the charge level. It showed a linear increase in the required energy with increasing charge, with a saddle point was present at intermediate charge states. By ion mobility spectrometry this area could be confirmed as a geometric refolding zone. Subsequently, the product ions from different collision-based fragmentation techniques were compared, and it was found that single-stranded DNA showed large differences between the methods due to the complex and versatile dissociation channels. Therefore, it could serve as a sensitive sensor for minor differences in fragmentation technique. Furthermore, double strands of different sequences were investigated by means of collision-induced dissociation with respect to their fragmentation pathways. Specific fragmentation patterns could be identified, which could be assigned to clear trends. After various established tandem MS techniques were used a new vacuum ultraviolet radiation -based MS/MS method was developed and tested. For this purpose, a commercially available deuterium lamp that has a short wavelength, installed in an ion trap MS. With higher charged ions, a charge reduction could be achieved by the ejection of electrons. Subsequently, the already known dissociation pathways could be observed. In addition, new product ions could also be generated for other samples, such as adenosine triphosphate.

In dieser Studie wurde eine Charakterisierung von Eisenpräparaten entwickelt, die als parenterale und orale Präparate zur Behandlung schwerer Anämie auf Basis von Fe-Kohlenhydrat-Nanopartikeln und Bioverfügbarkeitsstudien in biologischen Proben verwendet werden. Eine vollständige Charakterisierung eines kommerziellen Präparats für die parenterale Behandlung von Anämie (Venofer®) wurde durchgeführt. Solubilisationsstudien des Arzneimittels wurden in Serum und Blut durchgeführt, um die Bioverfügbarkeit von Eisen zu untersuchen. Es wurden Speziationsexperimente von Serumproteinen durchgeführt (UV-vis, ICP-MS), die detailliertere Informationen über das Arzneimittel und sein Verhalten im Körper liefern. Tartrat-modifizierte Eisenoxid-Nanopartikel (FeNPs) und isotopisch angereicherte 57Fe wurden synthetisiert. Nanopartikel wurden weiter in Bezug auf Partikelgröße und -form charakterisiert. Da diese Nanopartikel möglicherweise für die orale Supplementierung bei der Die Labilität dieser FeNPs wurde in saurem Medium bewertet, und das gesamte Fe wurde in nanopartikulärer und löslicher Fraktion quantifiziert. Zur Bestimmung des Nanostrukturverhaltens in zellulären Medien wurde eine Speziationsstrategie für Nanopartikel und ionische Eisenspezies basierend auf einer reversed phase high performance liquid chromatography, gekoppelt an ICP-MS, durchgeführt und erstmals auf Caco-2-Zellen angewendet Proben. Darüber hinaus wurde ein Quantifizierungsansatz durch Anwendung einer Isotopenverdünnungsanalyse mit 57Fe. Die Zytotoxizität wurde untersucht: kolorimetrische Assays wurden in verschiedenen Zelllinien durchgeführt, und die oxidative Schädigung wurde durch Messung der ROS-Produktion bestimmt. Schließlich wurden In-vivo-Modelle zur Bestimmung der Eisenresorption im Dünndarm nach Perfusionsexperimenten an Ratten verwendet. Das Schicksal der FeNPs wurde auch untersucht, indem andere Gewebe wie Leber, Niere, Milz oder Blut nach der intestinalen Aufnahme analysiert wurden. / In this study, a characterization of iron supplements used as parenteral and oral preparations for the treatment of severe anaemia based on Fe-carbohydrate nanoparticles and bioavailability studies in biological samples have been developed. A complete characterization of a commercial preparation for the parenteral treatment of anaemia (Venofer®), has been carried out. Solubilisation studies of the drug have been conducted in serum and blood to evaluate iron bioavailability. Moreover, speciation experiments of serum proteins were conducted using UV-vis and ICP-MS detection, providing more in-depth information about the drug and its behaviour in the body. Tartrate-modified coated-iron oxide nanoparticles (FeNPs) and isotopically enriched 57FeNPs have been synthesized. Nanoparticles were further characterized in terms of particle size and shape. As these nanoparticles are potentially suitable for the oral supplementation in anaemia’s treatment, the lability of these FeNPs in acidic medium was evaluated, and total Fe was quantified in nanoparticulate and soluble fraction. For the determination of nanostructure behaviour in cellular media, a speciation strategy for nanoparticles and ionic species of iron based on a reversed-phase high-performance liquid chromatography coupled to ICP-MS was carried out and applied for the first time to Caco-2 cell samples. Moreover, a quantification approach was also tackled by applying an online post-column isotope dilution analysis with 57Fe as isotopically enriched standard. Cytotoxicity from these tartrate-modified iron oxide nanoparticles was evaluated: colorimetric assays have been conducted in different cell lines and oxidative damage was assessed by measuring ROS production. Finally, in vivo models were used to determine iron absorption in the small intestine after perfusion experiments in rats. The fate of the FeNPs was also studied by analysing other tissues as liver, kidney, spleen, or blood after the intestinal uptake.

Quantitative Untersuchungen krankheitsspezifischer oder krankheitsassoziierter metabolischer Signaturen in humanen Körperflüssigkeiten („Clinical Metabolomics“) haben zum Ziel neue Ansätze für diagnostische oder therapeutische Konzepte zu entwickeln. Die simultane quantitative Analytik von Aminosäuren (AS) und Acylcarnitinen (AC) mittels Tandem-Massenspektrometrie (MS/MS) ermöglicht die Erfassung wichtiger Stoffwechselwege des humanen Metabolismus. Hierzu zählen der Stoffwechsel der ketogenen AS, des Harnstoffzyklus oder der β-Oxidation langkettiger Fettsäuren. Allerdings wird die Konzentration der verschiedenen metabolischen Parameter in humanen Körperflüssigkeiten durch eine Vielzahl präanalytischer in vitro Störfaktoren und in vivo Einflussgrößen beeinflusst. Diese können zu signifikanten Veränderungen der Laborergebnisse führen. Im Rahmen meiner Promotionsarbeit wurden in vitro Störfaktoren (Probenmaterial, Lagerung u. a.) und in vivo Einflussgrößen (Ernährung, physische Aktivität) untersucht und ein standardisiertes Präanalytik-Protokoll entwickelt. Dazu wurden pro Probe 3 µL Trockenblut (TB), 10 µL Serum oder Plasma nach Butylierung mittels Elektrospray-Ionisations-MS/MS analysiert und jeweils 26 AS und 35 AC in 1,5 Minuten simultan bestimmt. Als Ergebnis der zahlreichen systematischen Präanalytik-Untersuchungen konnten signifikante Konzentrationsunterschiede der Metabolite zwischen kapillärer und venöser Blutentnahme sowie in Abhängigkeit des Hämatokrits gefunden werden. Im Vergleich zu Serum und antikoaguliertem Plasma (EDTA, Citrat, Heparin) waren die Konzentrationen der langkettigen AC im TB 5-fach höher. Nahrungsaufnahme und körperliche Aktivität führten ebenfalls zu signifikanten Veränderungen der AS- und AC-Konzentrationen. Durch Optimierung des Probenaufarbeitungsprotokolls konnte die Variabilität zwischen den Messtagen für 17 AS und 6 AC auf < 20 % gesenkt werden. Die Ergebnisse meiner Promotionsarbeit unterstreichen den Einfluss präanalytischer Faktoren auf die Metabolomanalytik. Durch Etablierung und Einhaltung standardisierter präanalytischer Protokolle kann die präanalytische Varianz der Ergebnisse deutlich verringert werden. Sie stellen somit eine wichtige Voraussetzung für eine qualitativ hochwertige Metabolomanalytik im Rahmen klinischer Studien zur Identifizierung neuer Biomarker dar.

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Identifizierung genetischer Faktoren, die das Plasmaproteom regulieren. Die Untersuchungen wurden im Modellsystem einer F2-Kreuzung zweier Inzucht-Mausstämme (FVB.LDLR-/-, C57BL/6.LDLR-/-) durchgeführt, die sich in ihrer Atheroskleroseausprägung unterscheiden. Von jedem der 453 Tiere der F2-Generation wurden Plasmaproteomprofile mittels Massenspektrometrie (MALDI-TOF) generiert. Diese Spektren wurden in zwei unabhängigen Datenanalysen ausgewertet und eine Kopplungsanalyse (QTL-Analyse, quantitative trait loci) der Phänotypen mit jeweils 192 genetischen Markern in jedem der F2-Tiere durchgeführt. So wurden die Datensätze von Proteom und Genom miteinander kombiniert, um Genorte, die mit unterschiedlich regulierten Proteinen in Verbindung stehen, zu identifizieren. Dieser Ansatz ist bisher in der Literatur nicht beschrieben worden. In der vorliegenden Arbeit wird sowohl die Methodik der statistischen Auswertung als auch die weitere Analyse der generierten Daten beschrieben. Es wurden zahlreiche hochsignifikante Kopplungssignale gefunden, von denen zwei durch die Identifizierung von Proteinen verifiziert werden konnten. Es handelt sich hierbei um das Apo-A2 des HDL auf Chromosom 1 und Hämoglobin subunit alpha auf Chromosom 11. Eine Kolokalisation der gefundenen Proteine mit Loci der Atherosklerosedisposition konnte nicht identifiziert werden. Dieser Ansatz zeigt erstmals, dass eine hypothesenfreie Verbindung proteomischer und genomischer Daten möglich ist und zur Identifizierung genetisch regulierter Plasmaproteine beitragen kann.

Cyanobakterien zŠhlen zu den Šltesten Lebewesen auf der Erde. Diese Bakterien, auch Blaualgen genannt, trugen wesentlich zur Sauerstoffanreicherung der Erde bei, da sie eine ausgeprŠgte FŠhigkeit zur Photosynthese besitzen. Der produzerte Sauerstoff der Photosynthese hemmt jedoch eine weitere AktivitŠt von Cyanobakterien, die Stickstofffixierung. Um die Hemmung zu vermeiden, werden diese AktivitŠten zeitlich getrennt und optimal dem tŠglichen Hell-Dunkel-Rhythmus angepasst. Ein evolutionŠrer Vorteil wird erzielt, wenn der Organismus diesen Rhythmus antizipiert und sich darauf vorbereitet. Aus diesem Grund haben Cyanobakterien eine innere Uhr entwickelt, deren Rhythmus zirkadian ist, ãzirka diemÒ bedeutet ãungefŠhr ein TagÒ. Cyanobakterien der Spezies Synechococcus elongatus PCC 7942 haben sich als Modellorganismus etabliert, weil in ihnen die ersten bakteriellen zirkadianen Oszillationen auf molekularer Ebene entdeckt worden sind. Ihre zirkadiane Uhr entspringt dreier, auf der DNS beieinanderliegenden, Gene (kaiA, kaiB, kaiC) und ihrer dazugehšrigen Proteine. Phosphorylierte KaiC-Proteine Ÿben eine RŸckkopplung auf die Transkription von kaiB und kaiC aus, wodurch die AktivitŠt des kaiBC-Promotors zirkadian oszilliert. Eines der wichtigsten Experimente der letzten Jahre hat gezeigt, dass dieser Transkriptions-Translations-Oszillator mit einem weiteren Oszillator gekoppelt ist, der nicht von Transkription und Translation abhŠngt. Das Experiment des Kondo Labors rekonstruiert zirkadiane Oszillationen mit nur drei Proteinen KaiA, KaiB, KaiC und ATP. Die Proteine bilden Komplexe verschiedener Stoichiometrie, die durchschnittliche Phosphorylierung des Proteins KaiC zeigt stabile Oszillationen mit einer zirkadianen Periode. Da ein Entfernen von einem der Proteine zum Verlust der Oszillationen fŸhrt, wird dieser Post-Translations-Oszillator auch als Kernoszillator bezeichnet. Der Phosphorylierungszyklus von KaiC wird bestimmt durch fortlaufende Phosphorylierung und Dephosphorylierung an zwei Positionen des Proteins, den AminosŠuren Serin 431 und Threonin 432. Die Phase des Kernoszillators kann an der Verteilung der vier PhosphorylierungszustŠnde (nicht-, serin-, threonin- und doppeltphosphoryliert) abgelesen werden. KaiC wechselwirkt mit KaiA und KaiB, damit verschieden phosphorylierte KaiC synchronisieren und die Uhr Ÿber mehrere Tage konstante Oszillationen zeigt. Die Details dieser Wechselwirkung sind jedoch unbekannt. In dieser Dissertation erstelle ich ein mathematisches Modell des Kernoszillators und simuliere die vorliegenden Experimente des O''Shea Labors. Die Simulation reproduziert den KaiC Phosphorylierungszyklus der Uhr quantitativ. Um die wichtigsten experimentellen Nebenbedingungen zu erfŸllen, muss das theoretische Modell zwei molekulare Eigenschaften von KaiC berŸcksichtigen, wodurch ich wichtige Vorhersagen treffe. Die erste Nebenbedingung ist durch die Robustheit des Systems gegeben. Die KaiC-Phosphorylierung Šndert sich nicht, wenn die Gesamtkonzentrationen der drei Proteine in gleicher Weise variiert werden. Um diese Bedingung zu erfŸllen, muss das Modell zwei verschiedenartige Komplexe von KaiA und KaiC berŸcksichtigen. ZusŠtzlich zu einem KaiAC Komplex, der die Autophosphorylierung von KaiC unterstŸtzt, muss KaiC den grš§ten Teil von KaiA unabhŠngig vom Phosphorylierungszustand sequestrieren. Diese zweite Bindestelle ist meine erste theoretische Vorhersage. Die zweite Nebenbedingung ist durch das Ÿbergangsverhalten nach Hinzugabe von KaiB gegeben. KaiB induziert eine Dephosphorylierung von KaiC, die abhŠngig vom Phosphorylierungsniveau ist. Ein Umschalten zwischen phosphoylierendem und dephosphorylierendem KaiC ist deshalb nur in bestimmten Zeitfenstern mšglich. Um die gemessenen Zeitfenster in der Simulation zu reproduzieren, postuliere ich im Modell, dass sechsfach Serin phosphorylierte KaiBC Komplexe KaiA inaktivieren. Diese hochgradig nichtlineare RŸckkopplung ist meine zweite theoretische Vorhersage. Die beiden Vorhersagen werden anschlie§end experimentell ŸberprŸft. HierfŸr werden aufgereinigte Kai-Proteine mit ATP gemischt. Proben an ausgewŠhlten Zeitpunkten werden mit der nativen Massenspektrometrie untersucht. Diese ist eine neuartige Methode, die es erlaubt, intakte Proteinkomplexe zu untersuchen. Die Spektren bestŠtigen sowohl die zweite KaiAC-Bindestelle als auch die nichtlineare RŸckkopplung. Das mathematische Modell erlaubt es au§erdem, die drei definierenden Prinzipien von zirkadianen Uhren fŸr den Kernoszillator zu erklŠren. Erstens sichern konstante Phosphorylierungs- und Dephosphorylierungsraten von KaiC und ein pŸnktliches Umschalten zwischen beiden Phasen den Freilauf des Oszillators. Dieser Freilauf bewirkt, dass die zirkadiane Uhr auch unter konstanten Bedingungen, vor allem gleichbleibenden LichtverhŠltnissen, weiterlaufen kann. Zweitens muss die Periodendauer des Oszillators zu unterschiedlichen Šu§eren Bedingungen erhalten bleiben (Temperaturkompensation). Diese Bedingung wird realisiert, indem temperaturabhŠngige Dissoziationskonstanten von KaiAC und KaiBC Komplexen Phasenverschiebungen erzeugen, die sich gegenseitig kompensieren. Drittens muss die Phase des Oszillators sich dem Tagesrhythmus anpassen kšnnen. Diese Anpassung folgt aus einem Šu§eren Warm-Kalt-Rhythmus, der die drei temperaturabhŠngigen Phasenverschiebungen nur zum Teil einschaltet und damit die Kompensation verhindert. Eine in silico Evolutionsanalyse zeigt, dass eine zweite phosphorylierbare AminosŠure einen evolutionŠren Vorteil bringt und die Verteilung der PhosphorylierungszustŠnde optimiert ist, um eindeutig die Zeit zu bestimmen. Das Ergebnis weist darauf hin, dass diese Verteilung die physiologisch wichtige Ausgangsgrš§e der Uhr ist und die vier PhosphroylierungszustŠnde die Funktionen der zirkadianen Uhr von Cyanobakterien sichern. / Biological activities in cyanobacteria are coordinated by an internal clock. The rhythm of the cyanobacterium Synechococcus elongatus PCC 7942 originates from the kai gene cluster and its corresponding proteins. In a test tube, the proteins KaiA, KaiB and KaiC form complexes of various stoichiometry and the average phosphorylation level of KaiC exhibits robust circadian oscillations in the presence of ATP. The characteristic cycle of individual KaiC proteins is determined by phosphorylation of serine 431 and threonine 432. Differently phosphorylated KaiC synchronize due to an interaction with KaiA and KaiB. However, the details of this interaction are unknown. Here, I quantitatively investigate the experimentally observed characteristic phosphorylation cycle of the KaiABC clockwork using mathematical modeling. I thereby predict the binding properties of KaiA to both KaiC and KaiBC complexes by analyzing the two most important experimental constraints for the model. In order to reproduce the KaiB-induced dephosphorylation of KaiC a highly non-linear feedback loop has been identified. This feedback originates from KaiBC complexes, which are exclusively phosphorylated at the serine residue. The observed robustness of the KaiC phosphorylation level to concerted changes of the total protein concentrations demands an inclusion of two KaiC binding sites to KaiA in the mathematical model. Besides the formation of KaiAC complexes enhancing the autophosphorylation activity of KaiC, the model accounts for a KaiC binding site, which constantly sequestrates a large fraction of free KaiA. These theoretical predictions have been confirmed by the novel method of native mass spectrometry, which was applied in collaboration with the Heck laboratory. The mathematical model elucidates the mechanism by which the circadian clock satisfies three defining principles. First, the highly non-linear feedback loop assures a rapid and punctual switch to dephosphorylation which is essential for a precise period of approximately 24 h (free-running rhythm). Second, the dissociation of the protein complexes increases with increasing temperatures. These perturbations induce opposing phase shifts, which exactly compensate during one period (temperature compensation). Third, a shifted external rhythm of low and high temperature affects only a part of the three compensating phase perturbations, which leads to phase shifts (phase entrainment). An in silico evolution analysis shows that the existing second phosphorylatable residue of KaiC is not necessary for the existence of sustained oscillations but provides an evolutionary benefit. The analysis demonstrates that the distribution of four phosphorylated states of KaiC is optimized in order for the organism to uniquely distinguish between dusk and dawn. Consequently, this thesis emphasizes the importance of the four phosphorylated states of KaiC, which assure the outstanding performance of the core oscillator.