Ziel der Dissertation „Neue künstliche Guanidiniocarbonylpyrrol-Rezeptoren zur Komplexierung von Oxo-Anionen in Wasser“ war die Weiterentwicklung dieser Rezeptoren nach Schmuck für die Komplexierung insbesondere von Carboxylaten, um sie hinsichtlich Bindungsaffinität und Substratspezifität zu optimieren. Dazu wurde zunächst die Synthese zweier wichtiger Grundbausteine in einzelnen Schritten vollständig überarbeitet, wobei veränderte Reaktionsbedingungen und Aufarbeitungsschritte zu gesteigerten Ausbeuten führten. Dadurch ist es nun möglich, diese Bausteine effizienter zu synthetisieren und im Multigramm-Maßstab für die Darstellung von Rezeptoren zur Oxo-Anionen-Erkennung einzusetzen. Weiterhin wurde die Verbesserung der Komplexierungseigenschaften gegenüber Carboxylaten auf zwei Arten untersucht: zum einen durch das Anbringen eines zusätzlichen Seitenarms an der Guanidinio-Einheit zur Bildung von Guanidiniocarbonylpyrrol-Tweezer-Rezeptoren, zum anderen durch das Einführen einer zweiten positiven Ladung neben der Carboxylat-Bindungsstelle (CBS) zur Darstellung biskationischer Guanidiniocarbonylpyrrol-Rezeptoren. Zur Darstellung von Tweezer-Rezeptoren wurde ein zusätzlicher Seitenarm an der N’-Position der Guanidinio-Einheit angebracht. Die beiden Arme sollten ein Substrat pinzettenartig von zwei Seiten, mit der CBS als Kopfgruppe, komplexieren können. Durch zusätzliche Wechselwirkungen des neuen Seitenarms sollte neben einer stärkeren Komplexierung vor allem eine höhere Substratspezifität erzielt werden. Die experimentell ermittelten Bindungskonstanten lagen allerdings im Bereich der N’-unsubstituierten Rezeptoren. Somit stellen die Tweezer-Modifikationen daher keine Verbesserung der Guanidiniocarbonylpyrrol-Rezeptoren dar. In einem weiteren Projekt zur Rezeptor-Optimierung wurden, durch Einführung einer zweiten positiven Ladung in Form einer terminalen Ammonium-Gruppe, biskationische Guanidiniocarbonylpyrrol-Rezeptoren erfolgreich synthetisiert. Die Komplexierungseigenschaften dieser biskationischen Rezeptoren wurden in Bindungsstudien vornehmlich mit Aminosäurecarboxylaten mittels UV- und Fluoreszenz-Spektroskopie, Massenspektrometrie, NMR-Spektroskopie, ITC und Molecular Modeling Berechnungen untersucht. Anhand der Substratspezifität der biskationischen Rezeptoren wurde deutlich, dass die Spacerlänge, an der die zusätzliche positive Ladung angebracht ist, eine entscheidende Rolle bei der Komplexierung spielte. Galten eigentlich starre, präorganisierte, kurze Linker als vorteilhaft hinsichtlich der Entropie, so ist hier zu erkennen, dass längere, flexiblere Linker zu einer besseren Komplexierung führen können, wenn geeignete zusätzliche nichtkovalente Wechselwirkungen möglich sind. Die biskationischen Rezeptoren stellen damit eine Optimierung des Carboxylat-Bindungsmotivs der Guanidiniocarbonylpyrrol-Rezeptoren nach Schmuck in der Anionen-Erkennung dar. / The main focus of the thesis “New artificial guanidiniocarbonyl pyrrole receptors for the complexation of oxo-anions in water” is the optimization of these receptors introduced by Schmuck for the oxo-anion recognition, especially carboxylates, in aqueous solution. Therefore, the details of the synthesis of two important building blocks were completely revised and yields increased by changing reaction conditions, workup and isolation steps. The new optimized, facile and efficient synthetic route to these N-protected guanidinocarbonyl pyrrole derivatives allows now a multi-gram synthesis of these versatile compounds as needed for the synthesis for a variety of supramolecular anion binding motifs. Furthermore two strategies to optimize the anion recognition have been pursued: On the one hand tweezer receptors were developed by connecting an additional side chain to the head group at the N’-position of the guanidino group. On the other hand another second positive charge was introduced into the receptor besides the carboxylate binding site (CBS) by an ammonium group to get bis-cationic receptors The tweezer receptors were developed in order to complex the guest from more than one side. A second side chain, connected to the N’-position of the guanidinio motif, leads to this kind of receptor, with the CBS as a head group. By using additional non covalent interactions in both side chains, the association constant as well as the specificity should be increased. In case of the optimization of the binding properties, the tweezer receptors have showen binding properties similar to the N’-unsubstituted guanidiniocarbonyl pyrrole receptors with respect to association constants and specificity. For this reason the tweezer receptors were no improvement of the guanidiniocarbonyl pyrrole receptors. In another project for optimization of the binding properties several bis-cations were synthesized, with a simple primary ammonium cation attached via flexible linkers of varying length to a guanidiniocarbonyl pyrrole. In UV-binding studies in aqueous buffer these bis-cations have shown efficient binding of various N-acetyl amino acid carboxylates. Further investigations by fluorescence spectroscopy, mass spectrometry, NMR spectroscopy, ITC as well as molecular mechanics calculations confirm the complexation by participation of the second charge in the complexation of the carboxylic function and therefore an increasing in complex stability. It is generally assumed, that short and rigid linkers are better for complexation due to the entropy and that a steady decrease of a linker length increase the complex stability. However, this case shows, that complex stability can increase while increasing the flexibility of a linker until other non covalent interactions are possible. Hence, the bis-cationic receptors indeed represent an optimisation of the guanidiniocarbonyl pyrrole receptors for oxo-anion-binding.

The main focus of this thesis was the synthesis and analysis of multifunctional oligopeptides. The study of their non-covalent interactions with various counterparts revealed interesting new results, leading to both methodological and application related progress. The first project of this thesis concentrated on the in-depth analysis of the peptide receptor CBS-Lys-Lys-Phe-NH2 to acquire a better understanding of its binding mode upon complexation with a substrate. In this context it was possible to develop—in cooperation with the group of Prof. Sebastian Schlücker—a direct and label free spectroscopic detection of immobilized compounds which are often found in combinatorial libraries. This new screening method utilizes the advantages of the surface enhanced Raman spectroscopy and allowed for the first time a surface mapping of a single polystyrene bead for the identification of peptides in femtomolar concentrations. Hence, this method allows a very fast and sensitive detection of resin bound compounds. The development of this promising new approach set the starting point for future experiments to enable on-bead library screenings and to investigate the complex formation of immobilized compounds. After the comprehensive analysis of the basic structural features of small peptide receptors in the first part of this thesis, the second big block focused on its in vitro evaluation using biological relevant targets. Therefore, several different modifications of the initial peptide structures were synthesized. These modifications provided a molecular toolkit for the tailor made synthesis of structures individually designed for the respective target. The first tests addressed the interaction with Alzheimer’s related amyloid fibrils. During these experiments, the successful SPPS syntheses of tri- and tetravalent systems were achieved. The comparison of the multivalent form with the corresponding monovalent version was then under special investigations. These concentrated mainly on the interaction with various bacteria strains, as well as with different parasites. To localize the compounds within the organisms, the synthesis of fluorescence labelled versions was achieved. In addition, several compounds were tested by the Institute for Molecular Infection Biology of the University of Würzburg for their antibacterial activity. This thorough evaluation of the biological activity generated precious information about the influence of small structural changes in the peptide receptors. Especially the distinct influence of the multivalency effect and the acquired synthetic skills led to the development of an advanced non-covalent recognition event, as described in the final project of this thesis. The last part of this thesis discussed the development of a novel inhibitor for the serine protease beta-tryptase based on a tailor-made surface recognition event. It was possible to study and analyze the complex interaction with the unique structure of tryptase, that features a tetrameric frame and four catalytic cleavage sites buried deep inside of the hollow structure. However, the point of attack were not the four binding pockets, as mostly described in the literature, but rather the acidic areas around the cleavage sites and at the two circular openings. These should attract peptides with basic residues, which then can block the accessibility to the active sites. A combinatorial library of 216 tetravalent peptide compounds was synthesized to find the best structural composition for the non-covalent inhibition of beta-tryptase. For the screening of the library a new on-bead assay was applied. With this method a simultaneous readout of the total inhibition of all library members was possible, thus allowing a fast and direct investigation of the still resin bound inhibitors. Several additional experiments in solution unveiled the kinetics of the inhibition process. In conclusion, both mono- and multivalent inhibitors interact in a non-destructive and reversible way with the tryptase. / Der Hauptfokus dieser Arbeit lag in der Synthese und Analyse multifunktionaler Oligopeptide. Die Untersuchung ihrer nicht-kovalenten Wechselwirkungen mit verschiedenen Strukturen resultierte sowohl in interessanten methodischen als auch anwendungsbezogenen Fortschritten. Das erste Projekt dieser Dissertation konzentrierte sich auf die detaillierte Analyse des Peptid-Rezeptors CBS-Lys-Lys-Phe-NH2, um ein besseres Verständnis seines Bindungsverhaltens während einer Substratkomplexierung zu erhalten. In diesem Zusammenhang gelang in Kooperation mit der Gruppe von Prof. Sebastian Schlücker, die Entwicklung einer direkten und markierungsfreien spektroskopischen Methode zur Detektion festphasengebundener Substanzen, wie man sie z.B. oft in kombinatorischen Molekülbibliotheken findet. Diese neuartige Screeningmethode bedient sich der Vorteile der Oberflächen-verstärkten Raman-Streuung (SERS) und ermöglichte erstmals das Scannen der Oberfläche eines einzelnen Harz-Kügelchens und damit die Identifizierung von Peptiden in femtomolaren Konzentrationen. Zusammenfassend erlaubt diese neue Methode eine schnelle und hoch sensitive Detektion harzgebundener Substanzen. Die Entwicklung dieses viel versprechenden Ansatzes bildet die Basis möglicher zukünftiger Entwicklungen für das direkte und schnelle Screening von kombinatorischen Bibliotheken sowie für die detaillierte Untersuchung der Komplexbildung von immobilisierten Verbindungen. Nach der ausführlichen Analyse der grundlegenden strukturellen Eigenschaften kleiner Peptidrezeptoren im ersten Teil dieser Dissertation schloss sich im zweiten großen Block dessen in vitro Evaluierung mit Hilfe verschiedener biologisch relevanter Zielstrukturen an. Dazu wurden einige strukturell verwandte Versionen der ursprünglichen Rezeptoren synthetisiert. Dies ermöglichte die Zusammenstellung eines variablen molekularen Baukasten zur zielgerichteten Synthese von Strukturen, die individuell für ausgesuchte Ziele entworfen werden konnten. Die ersten Tests betrachteten die Wechselwirkung mit Amyloid-Fibrillen, die im Zusammenhang mit der Alzheimer-Krankheit stehen. Während dieser Arbeiten wurden erste tri- und tetravalente Rezeptorsysteme mit Hilfe der Festphasenchemie synthetisiert. In diesem Zusammenhang war insbesondere der Vergleich der multivalenten Systemen mit den entsprechenden monovalenten Peptiden von Interesse. Die Untersuchungen konzentrierten sich hauptsächlich auf die Interaktion mit verschiedenen Bakterienarten, sowie unterschiedlichen Parasiten. Um die Verbindungen in den Organismen zu lokalisieren wurden spezielle Fluoreszenz-markierte Versionen der Peptide synthetisiert. Zusätzlich wurden einige Verbindung vom Institut für Molekulare Infektionsbiologie der Universität Würzburg auf ihre antibakterielle Aktivität untersucht. Mit dieser detaillierten Evaluierung der biologischen Aktivität konnten somit wertvolle Informationen über den Einfluss kleiner struktureller Änderungen in den Peptidrezeptoren gewonnen werden. Insbesondere der ausgeprägte Einfluss des multivalenten Effektes und die angeeigneten synthetischen Fertigkeiten führten zur Entwicklung und Untersuchung eines komplexeren Bindungsereignisses. Der letzte Abschnitt dieser Dissertation beschreibt die Entwicklung eines neues Inhibitors der Serinprotease beta-Tryptase, welche eine tetramere Struktur aufweist, in der die vier aktiven Zentren sich im Inneren eines zentralen Hohlraumes befinden. In diesem Zusammenhang gelang es die zur Inhibierung notwendige Komplexbildung, die auf einem speziell zugeschnittenen Oberflächenerkennungsprozess basiert, zu studieren und analysieren. Die Angriffspunkte waren jedoch nicht die üblicherweise in der Literatur beschriebenen aktiven Zentren, sondern Anhäufungen negativ geladener Aminosäure-Reste, die in der Umgebung der aktiven Zentren sowie in den beiden Eingangsbereichen zum zentralen Hohlraum zu finden sind. Diese sollten in der Lage sein positiv geladene Aminosäurereste anzuziehen und dazu führen, dass ein entsprechend voluminöses Peptid die Zugänglichkeit zu den aktiven Zentren einschränkt. Daraufhin wurde eine kombinatorische Bibliothek bestehend aus 216 Verbindungen synthetisiert. Es war das Ziel, die beste strukturelle Zusammensetzung zu finden, die eine effiziente nicht-kovalente Inhibierung der Tryptase ermöglicht. Verschiedene zusätzliche Experimente in Lösung halfen bei der Aufklärung der kinetischen Beschreibung des Hemmprozesses. Zusammenfassend lässt sich die Wechselwirkung zwischen der Tryptase und den sowohl mono- als auch multivalenten Inhibitoren als nicht-destruktiv und gleichzeitig reversibel beschreiben.

Regensburg, Univ., Diss., 2008

Regensburg, Univ., Diss., 2009.

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Dresden.

Bone Morphogenetic Proteins (BMPs) are secreted multifunctional signaling proteins that play an important role during development, maintenance and regeneration of tissues and organs in almost all vertebrates and invertebrates. BMPs transmit their signals by binding to two types of serine-/threonine-kinase receptors. BMPs bind first to their high affinity receptor, thereby recruiting their low affinity receptor into the complex. This receptor assembly starts a Smad (Small mothers against decapentaplegic) protein signaling cascade which regulates the transcription of responsive genes. Up to date, only seven type I and five type II receptors are known for more than 30 ligands. Therefore, many BMP ligands can recruit more than one receptor subtype. Vice versa, receptors can bind to several ligands, indicating a highly promiscuous ligand-receptor interaction. This raises the following questions: (i) How are BMPs able to induce ligand-specific signals, despite forming complexes with identical receptor composition and (ii) how are they able to recognize and bind various binding partners in a highly specific manner. From the ligand’s point of view, heterodimeric BMPs are valuable tools for studying the interplay between different sets of receptors, thereby providing new insights into how the various BMP signals can be generated. This study describes the expression and purification of the heterodimers BMP-2/6 and -2/7 from E.coli cells. BIAcore interaction studies and various in vitro cell activity assays revealed that the generated heterodimers are biologically active. Furthermore, BMP-2/6 and -2/7 exhibit a higher biological activity in most of the cell assays compared to their homodimeric counterparts. In addition, the BMP type I receptor BMPR-IA is involved in heterodimeric BMP signaling. However, the usage of other type I receptor subtypes (e.g. ActR-I) building a heteromeric ligand-receptor type I complex as indicated in previous works could not be determined conclusively. Furthermore, BMP heterodimers seem to require only one type I receptor for signaling. From the receptors’ point of view, the BMP type I receptor BMPR-IA is a prime example for its promiscuous binding to different BMP ligands. The extracellular binding interface of BMPR-IA is mainly unfolded in its unbound form, requiring a large induced fit to adopt the conformation when bound to its ligand BMP-2. In order to unravel whether the binding promiscuity of BMPR-IA is linked to structural plasticity of its binding interface, the interaction of BMPR-IA bound to an antibody Fab fragment was investigated. The Fab fragment was selected because of its ability to recognize the BMP-2 binding epitope on BMPR-IA, thus neutralizing the BMP-2 mediated receptor activation. This study describes the crystal structure of the complex of the extracellular domain of BMPR-IA bound to the antibody Fab fragment AbyD1556. The crystal structure revealed that the contact surface of BMPR-IA overlaps extensively with the contact surface of BMPR-IA for BMP-2 interaction. Although the contact epitopes of BMPR-IA to both binding partners coincide, the three-dimensional structures of BMPR-IA in both complexes differ significantly. In contrast to the structural differences, alanine-scanning mutagenesis of BMPR-IA showed that the functional determinants for binding to both the antibody and BMP-2 are almost identical. Comparing the structures of BMPR-IA bound to BMP-2 or to the Fab AbyD1556 with the structure of unbound BMPR-IA revealed that binding of BMPR-IA to its interaction partners follows a selection fit mechanism, possibly indicating that the ligand promiscuity of BMPR-IA is inherently encoded by structural adaptability. / „Bone Morphogenetic Proteins” (BMPs) sind sezernierte multifunktionelle Signalproteine, die eine wichtige Rolle während der Entwicklung, Aufrechterhaltung und Regeneration von Geweben und Organen in fast allen Vertebraten und wirbellosen Tieren spielen. Die BMP-Signalgebung wird durch die Bindung an zwei Typen von Serin/Threonin Rezeptorkinasen eingeleitet. Hierbei binden BMPs zuerst an ihren hochaffinen Rezeptor, bevor der niederaffine Rezeptor in den Komplex eingefügt wird. Durch das Zusammenfügen beider Rezeptortypen wird eine von Smad (Small mothers against decapentaplegic)-Proteinen gesteuerte Signalkaskade gestartet, die letztendlich die Transkription responsiver Gene reguliert. Aktuell sind nur sieben Typ I und fünf Typ II Rezeptoren für mehr als 30 Liganden bekannt. Viele BMP-Liganden können demzufolge mehr als einen Rezeptorsubtyp rekrutieren. Umgekehrt jedoch können auch Rezeptoren an unterschiedliche Liganden binden, was auf eine im hohen Maße promiske Ligand-Rezeptor-Interaktion hinweist. Dabei stellen sich folgende Fragen: (i) Wie können BMPs ligandspezifische Signale erzeugen, obwohl sie dafür die gleichen Rezeptoren benutzen? (ii) Und wie können BMPs unterschiedliche Bindungspartner erkennen und trotzdem hochspezifisch an diese binden? Von Blickwinkel der Liganden aus betrachtet stellen heterodimere BMPs wertvolle Hilfsmittel dar, um das Zusammenspiel zwischen den verschiedenen Rezeptortypen zu studieren. Darüber hinaus können sie neue Einblicke in die Entstehung von unterschiedlichen BMP-Signalen gewähren. In dieser Doktorarbeit wird die Expression und Aufreinigung von heterodimeren BMP-2/6 und -2/7 aus E.coli Zellen beschrieben. Mittels BIAcore Interaktionsstudien und in vitro Aktivitätsassays in Säugerzellen konnte gezeigt werden, dass die hergestellten Heterodimere biologisch aktiv sind. Darüber hinaus zeigen BMP-2/6 and -2/7 in den meisten Zellassays eine höhere biologische Aktivität als ihre homodimeren Gegenstücke. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass der BMP Typ I Rezeptor BMPR-IA an der Signalgebung von heterodimeren BMPs involviert ist. Eine Beteiligung weiterer Typ I Rezeptoren (wie z.B. die von ActR-I), die einen heteromeren Ligand-Rezeptor Typ I Signalkomplex bilden, wie es bereits in früheren Studien gezeigt wurde, konnte jedoch experimentell nicht eindeutig belegt werden. Des Weiteren lassen die Ergebnisse darauf schließen, dass heterodimere BMPs für eine erfolgreiche Signalweiterleitung nur die Präsenz eines einzelnen Typ I Rezeptors benötigen. Von Blickwinkel der Rezeptoren aus betrachtet, ist der BMP Typ I Rezeptor BMPR-IA ein Paradebeispiel für promiskes Bindeverhalten an verschiedene BMP-Liganden. Das extra-zelluläre Kontaktepitop von BMPR-IA ist im Wesentlichen ungefaltet, wenn BMPR-IA in freier ungebundener Form vorliegt. Infolge dessen durchläuft die Binderegion in BMPR-IA weit reichende strukturelle Veränderungen, um die erforderliche Konformation auszubilden, die für die Bindung an BMP-2 essentiell ist. Um herauszufinden, ob das promiske Binde-verhalten von BMPR-IA mit einer strukturellen Plastizität seiner Binderegion einhergeht, wurde die Interaktion zwischen BMPR-IA und einem Antikörper Fab Fragment experimentell untersucht. Das Fab Fragment wurde aufgrund folgender Eigenschaft ausgewählt, nämlich an das BMP-2 Bindeepitop des Rezeptors anzudocken, um so eine BMP-2 vermittelte Rezeptoraktivierung zu verhindern. In dieser Doktorarbeit wird die Kristallstruktur des Komplexes, bestehend aus der extrazellulären Domäne von BMPR-IA und dem Antikörper Fab Fragment AbyD1556 beschrieben. Die Kristallstruktur zeigt, dass die Kontaktoberfläche von BMPR-IA zu einem sehr großen Teil mit der Kontaktoberfläche bei der Interaktion mit BMP-2 übereinstimmt. Obwohl das Kontaktepitop von BMPR-IA zu beiden Bindungspartnern weitestgehend deckungsgleich ist, unterscheiden sich die dreidimensionalen Strukturen von BMPR-IA in beiden Komplexen sehr stark voneinander. Im Gegensatz zu den strukturellen Differenzen zeigt jedoch eine Mutationsanalyse, bei der wichtige Aminosäuren mit Alanin ausgetauscht wurden, dass die funktionellen Determinanten, die die Bindung an den Antikörper und an BMP-2 bestimmen, beinahe die gleichen sind. Wenn man die Strukturen von BMPR-IA, das an BMP-2 bzw. an das Fab Fragment AbyD1556 gebunden ist, mit der Struktur von ungebundenem BMPR-IA vergleicht, so fällt auf, dass die Bindung von BMPR-IA an seine Bindungspartner einem sog. „Selektions-Anpassungsmechanismus“ folgt, was möglicherweise zeigt, dass das promiske Ligand-Bindeverhalten von BMPR-IA von Natur aus durch seine strukturelle Anpassungsfähigkeit festgelegt wird.

In der vorliegenden Arbeit wird eine konvergente Synthesestrategie zum Aufbau von formstabilen dendritischen Carbosilanmolekülen mit 1,4-Phenyleneinheiten, welche als “Silicium-Silicium-Spacer” fungieren, vorgestellt. Zur Darstellung dieser Verbindungen kommen repetitive Lithiierungs-Silylierung-Zyklen zur Anwendung. Die Lithiierung von 1-Br-4-C6H4-Si(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3 (n = 0, 1, 2, 3) mit nBuLi und die Umsetzung von in-situ generiertem 1-Li-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-nC6H4 mit SiCl4 liefert Dendrimere der 0. Generation Si(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)4 (n = 1, 2, 3). Wird 1-Li-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-nC6H4 mit 1-Br-4-SiCl3-C6H4 zur Reaktion gebracht, sind Dendronen der 0. Generation 1-Br-4-C6H4-Si(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3 (n = 0; 1; 2; 3) zugänglich. Durch repetitive Lithiierungs-Silylierungs-Zyklen können ausgehend von 1-Br-4-C6H4-Si(C6H4-4- Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3 Dendrimere höherer Generationen aufgebaut werden. Bringt man die lithiierte Spezies 1-Li-4- C6H4-Si(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3, welche ausgehend von 1-Br-4-C6H4-Si(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3 durch Metallierung mit tBuLi zugänglich ist, in Anwesenheit von TMEDA mit SiCl4 zur Reaktion, so erhält man die Dendrimere der 1. Generation Si(C6H4-4-(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3)4 (G1b, n = 1; G1c n = 2). Erfolgt die Silylierung jedoch in Abwesenheit von TMEDA, werden die Chlorsilane ClSi(C6H4-4-(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3- n)3)3 (D1bCl, n = 1; D1cCl, n = 2) gebildet. Die Silylierung von 1-Li-4-C6H4-Si(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3 mit 1-Br-4-SiCl3-C6H4 liefert die Dendronen der 1. Generation 1-Br-C6H4-4-Si(C6H4-4-(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3)3 (D1b, n = 1; D1c, n = 2; D1d, n = 3). Diese liegen in einem Gleichgewicht monomerer und komplementärer dimerer Spezies vor. Die Dimerisierung kann durch NMR-Untersuchungen sowie durch die Einkristallröntgenstruktur von D1bCl belegt werden. Die Darstellung von Carbosilanen des Typs PhMeSi((CH2)3B(OH)2)2 (2), Si(C6H4-4-SiMe2((CH2)3B(OH)2)4 (5), PhMeSi((CH2)3OH)2 (3) und Si(C6H4-4-SiMe3-n((CH2)3OH)n)4 (6a, n = 1; 6b, n = 2; 6c, n = 3) wird beschrieben. Die Boronsäuren 2 und 5 sind durch Umsetzung von PhMeSi(CH2CH=CH2)2 (1) und Si(C6H4-4-SiMe2(CH2CH=CH2))4 (4a) mit HBBr2·SMe2 und anschließender Hydrolyse zugänglich, während 3 und 6a - 6c durch Hydroborierung von 1 und 4a - c mit BH3·SMe2 und anschließender Oxidation mit H2O2 erhalten werden. Die Einkristallröntgenstruktur von 6a zeigt, dass das Molekül aufgrund von π-π-Wechselwirkungen und der Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen Teil eines zweidimensionalen Netzwerks ist. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit widmet sich der Synthese und Charakterisierung von Dendrimeren der 0. und 1. Generation mit symmetrisch substituiertem Porphyrin-Grundgerüst als multifunktionalem Kern. Hierbei werden zunächst die allyl-terminierten Bromide 1-Br-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-nC6H4 (n =1, 2) bzw. die Dendronen -Br-4-C6H4- Si(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3 (n = 0, 1, 2) in die aromatischen Aldehyde 1-HOC-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-nC6H4 (2b, n = 1; 2c, n = 2) bzw. 1-HOC-4-C6H4-Si(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3 (4a, n = 0; 4b, n = 1; 4c, n =2) überführt. Aus diesen werden nach der Methode von Lindsey durch Umsetzung mit Pyrrol, BF3·OEt2 und DDQ die entsprechenden Porphyrine H2T(-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-nC6H4)P (5b, n = 1; 5c, n = 2) bzw. H2T(-4-C6H4-Si(C6H4-4- Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)P (7a, n = 0; 7b, n = 1; 7c, n =2) aufgebaut. Deren Komplexierung mit Zn(OAc)2 liefert die Zn- Porpyrine Zn(II) T(-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-nC6H4)P (6a, n = 1; 6b, n = 2) bzw. Zn(II) T(-4-C6H4-Si(C6H4-4- Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)P (8a, n = 0; 8b, n = 1; 8c, n =2). Ausgehend von 5b und 5c sind Porphyrine mit terminalen Hydroxyl-Carbosilan-Einheiten via Hydroborierung- Oxidation zugänglich. Diese Verbindungen einschließlich der entsprechenden Zn-Komplexe sind aufgrund ihrer Fähigkeit zur Ausbildung von Wasserstoffbrücken-Netzwerken in hohem Maße zum Aufbau von supramolekularen Strukturen geeignet. Anhand der Einkristallröntgenstruktur-Analyse von Zn[T(4-Si((CH2)3-OH)Me2-C6H4)P] 10a ist ersichtlich, dass dieses Metalloporphyrin aufgrund von dirigierenden Wasserstoffbrücken Teil eines selbst organisierenden Porphyrin-Netzwerks darstellt und darum einzigartige strukturelle Eigenschaften aufweist. Die Einkristallröntgenstrukturen von 5b, 5c, 6b und 7b werden ebenfalls vorgestellt.

Knochenwachstumsfaktoren (Bone Morphogenetic Proteins, BMPs) sind ubiquitäre, sekretierte Proteine mit vielfältigen biologischen Funktionen. Die Vielfalt an zellulären Prozessen, die durch BMPs reguliert werden, von der Knochenentwicklung und Organhomöostase bis hin zur Neurogenese, erstaunt – und wirft angesichts von teils redundanten, teils spezifischen Funktionen der BMPs Fragen zu den Mechanismen ihrer Signalübermittlung auf. Die Signaltransduktion von BMPs erfolgt wie bei den strukturell verwandten TGF-βs und Activinen durch die ligandeninduzierte Oligomerisierung von transmembranen Serin/Threonin-Kinaserezeptoren, von denen zwei Typen – Typ I und Typ II – existieren. Einer Vielzahl von mehr als 18 BMP-Liganden stehen nach derzeitigem Erkenntnisstand nur vier Typ I und drei Typ II Rezeptorsubtypen für die Bildung von heteromeren Rezeptorkomplexen zur Verfügung. Ein BMP-Ligand kann hochspezifisch nur einen bestimmten Rezeptorsubtyp oder in einer promisken Art und Weise mehrere Rezeptorsubtypen binden. Trotz dieser Bindungspromiskuität üben BMPs ihre biologische Funktion überwiegend hochspezifisch aus, d.h. abhängig vom Liganden werden spezifische zelluläre Prozesse reguliert. Somit stellt sich die Frage, wie die Bildung von heteromeren Ligand-Rezeptor-Komplexen und die Aktivierung definierter intrazellulärer Signalkaskaden zusammenhängen und wie letztlich ein bestimmtes BMP-Signal durch einen „Flaschenhals“, repräsentiert durch die begrenzte Anzahl an Rezeptorsubtypen, in das Zellinnere übermittelt wird. Die Interaktionen zwischen BMP-2 / GDF-5 und den Typ I Rezeptoren BMPR-IA / BMPR-IB sind ein Paradebeispiel für Bindungspromiskuität und -spezifität. Während BMP-2 beide Rezeptoren BMPR-IA und BMPR-IB mit gleicher Bindungsaffinität bindet („promiske Interaktion“), zeigt GDF-5 eine 15-20fach höhere Bindungsaffinität zu BMPR-IB („spezifische“ Interaktion). Dieser Unterschied ist scheinbar gering, aber physiologisch überaus relevant. Um Einblick in die Mechanismen der molekularen Erkennung zwischen den Bindungspartnern zu gewinnen, wurden binäre und ternäre Komplexe aus den Liganden BMP-2 oder GDF-5, den extrazellulären Domänen der Typ I Rezeptoren BMPR-IA oder BMPR-IB sowie der extrazellulären Domäne des Typ II Rezeptors ActR-IIB untersucht. Die hier vorliegende Arbeit beschreibt die strukturelle und funktionelle Analyse dieser Ligand-Rezeptor-Komplexe. Um den Einfluss struktureller Flexibilität auf die BMP Typ I Rezeptor Erkennung näher zu analysieren, wurde zudem die Struktur von BMPRIA in freiem Zustand mittels NMR-Spektroskopie aufgeklärt. Aus Mutagenesedaten und der Kristallstruktur des GDF-5•BMPR-IB-Komplexes lassen sich im Vergleich zu bekannten Kristallstrukturen Merkmale ableiten, mit denen die Ligand-Rezeptor-Bindung und -Erkennung charakterisiert werden kann: (1) Die Hauptbindungsdeterminanten in Komplexen von BMPR-IA und BMPR-IB mit ihren Liganden sind unterschiedlich. Während in Komplexen mit BMPR-IB ein hydrophobes Motiv die Bindungsaffinität bestimmt, trägt in Komplexen mit BMPR-IA eine polare Interaktion signifikant zur Bindungsenergie bei. Ein Vergleich der Strukturen von freien und gebundenen Liganden und Typ I Rezeptoren zeigt, dass interessanterweise diese Hauptbindemotive erst bei der Ligand-Rezeptor-Interaktion entstehen, sodass ein „induced fit“ vorliegt und die Moleküle entsprechend „aufeinander falten“. (2) Die Bindungsspezifität wird durch periphere Schleifen in den Typ I Rezeptoren bestimmt. Wie Untersuchungen von Punktmutationen in BMPR-IA zeigen, die einer krebsartigen Darmerkrankung (Juvenile Polyposis) zugrunde liegen, führt erst die „richtige“ Kombination aus Flexibilität in den Schleifen und Rigidität des Rezeptorgrundgerüsts zu signalaktiven Typ I Rezeptoren mit einer potentiell den Liganden komplementären Oberfläche. Die mangelnde sterische Komplementarität von Ligand- und Rezeptoroberflächen führt zu der niedrigeren Bindungsaffinität von GDF-5 zu BMPR-IA im Vergleich zu BMPR-IB. Interessanterweise zeigen die hier vorgestellten, hochaufgelösten Strukturdaten, dass die Orientierungen/Positionen der Typ I Rezeptoren BMPR-IA und BMPR-IB in den Bindeepitopen der Liganden BMP-2 und GDF-5 variieren. Unter der Voraussetzung, dass die extrazelluläre Domäne, das Transmembransegment und die intrazelluläre Domäne der Typ I Rezeptoren ein starres Element bilden, sollte sich die unterschiedliche Orientierung der extrazellulären Domänen der Typ I Rezeptoren in der Anordnung der Kinasedomänen widerspiegeln und sich auf die Signaltransduktion auswirken. Möglicherweise ist eine bestimmte Anordnung der Kinasedomänen der Typ I und Typ II Rezeptoren für eine effiziente Phosphorylierung bzw. Signaltransduktion erforderlich. Der Vergleich mehrerer Ligand-Typ I Rezeptor-Komplexe zeigt, dass die unterschiedliche Orientierung dieser Rezeptoren möglicherweise vom Liganden abhängt. Angesichts der Bindungspromiskuität unter BMP-Liganden und -Rezeptoren könnten so spezifische Signale übermittelt und spezifische biologische Funktionen reguliert werden. Die in dieser Arbeit vorgestellten Erkenntnisse tragen wesentlich zur strukturellen Charakterisierung der Ligand-Rezeptor-Erkennung in der BMP-Familie bei. Die Frage, warum trotz strukturell hoch homologer Liganden und Rezeptoren und weitgehend konservierten Bindeepitopen eine teils promiske und teils spezifische Interaktion möglich ist, kann nun für die Liganden BMP-2 und GDF-5 sowie den beiden Typ I Rezeptoren BMPR-IA und BMPR-IB beantwortet werden. / Bone morphogenetic proteins (BMPs) are ubiquitous, secreted cytokines involved in a manifold of biological functions. The diversity of cellular processes regulated by BMPs, from bone development to tissue homeostasis and neuronal processes, is amazing – and raises questions about the mechanisms of signal transduction in the light of redundant functions on the one hand, and specific functions on the other hand. Similar to structurally related activins and TGF-βs, the signal transduction of BMPs is accomplished by ligand-induced oligomerization of transmembrane BMP type I and type II serine/threonine receptor kinases. According to current knowledge, only four type I and three type II receptor subtypes are available for BMP signal transduction, facing a multitude of more than 18 BMP ligands. Binding of BMP ligands to their receptors can be highly specific meaning that only one specific receptor of either subtype is used for signaling. In contrast, many BMP ligands can recruit more than one receptor subtype, which results in binding promiscuity. However, even though receptor subtypes are bound in a promiscuous manner, only certain biological functions are triggered. Dependent on the BMP ligand, specific cellular processes are activated and regulated. This discrepancy between unspecific binding and specific signaling events and the biological response raises the question how the formation of heteromeric ligand-receptor complexes is linked to the activation of defined intracellular signaling cascades, and finally, how a certain BMP signal is transduced into the interior of the cell through a „bottleneck“ represented by the limited number of receptor subtypes. The interaction between BMP-2 / GDF-5 and the BMP type I receptors BMPR-IA / BMPR-IB is a prime example for binding promiscuity and binding specificity. BMP-2 binds BMPR-IA and BMPRIB with almost equal binding affinity („promiscuous interaction“) while GDF-5 exhibits a 15-20fold higher binding affinity to BMPR-IB („specific interaction“). Although this difference is seemingly small, it is however of considerable relevance for the physiological role of these ligands. To gain insight into the mechanisms of molecular recognition between the binding partners, binary and ternary ligand-receptor complexes consisting of BMP-2 or GDF-5, the extracellular domains of the type I receptors BMPR-IA or BMPR-IB, and the extracellular domain of the type II receptor ActRIIB were investigated. The thesis presented here describes the structural and functional analysis of these ligand-receptor complexes. To analyse the effect of structural flexibility on BMP type I receptor recognition in more detail, the structure of free BMPR-IA was determined using NMR spectroscopy. Based on data from a limited mutagenesis and the crystal structure of the GDF-5•BMPR-IB complex several characteristics concerning ligand-receptor binding and recognition can be deduced: (1) The main binding determinants in complexes of BMPR-IA and BMPR-IB with their ligands BMP-2 and GDF-5 differ. A hydrophobic binding motif determines binding affinity in complexes of BMPR-IB, whereas a polar interaction significantly contributes to binding energy in complexes of BMPR-IA. These main binding motifs are only formed during complex formation as demonstrated by a comparison between structures of free and bound ligands as well as type I receptors. Both ligand and receptor fold „onto each other“ which suggests an induced fit mechanism. (2) Binding specificity is encoded on loops at the periphery of the binding epitope of the type I receptors. Only the „appropriate“ combination between structural flexibility in the receptor loops and structural rigidity of the receptor backbone results in signal active type I receptors, as shown by analysis of single polymorphisms in BMPR-IA causing juvenile polyposis syndrome, a cancerous disease of the intestine. A lack of steric surface complementarity between GDF-5 and BMPR-IA, that cannot be overcome by structural flexibility, leads to the lower binding affinity in comparison to BMPR-IB. Interestingly, the high resolution structure of the GDF-5•BMPR-IB complex shows that the orientations/positions of BMPR-IA in the binding epitope of BMP-2 and of BMPR-IB in the binding epitope of GDF-5 vary. Assuming that the extracellular domain, the transmembrane segment, and the intracellular domain of the type I receptors form a rigid element, the different orientations of the extracellular domains should also reflect the assembly of the kinase domains and therefore, affect signal transduction. One can assume that a defined arrangement of the kinase domains of type I and type II receptors is required to allow for efficient phosphorylation and signal transduction, respectively. The comparison of several BMP ligand-type I receptor complexes suggests that the different orientations of these receptors are likely dependent on the ligand. Considering the binding promiscuity among BMP ligands and receptors such a mechanism would represent a possible way for the transmission of specific signals and regulation of specific biological functions. The insights into molecular structure and function of BMP ligands and receptors presented in this thesis contribute significantly to a more detailed understanding of their binding properties. The question why the interaction of BMP ligands and receptors is promiscuous on the one hand and specific on the other hand in spite of structurally highly homologous molecules can now be answered for BMP-2 and GDF-5 as well as BMPR-IA and BMPR-IB.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein synthetischer Membrantransporter für acetylierte Aminosäurecarboxylate entworfen und hergestellt. Als Bindungsstelle für die Carboxylate wurde das Guanidiniocarbonylpyrrol-Motiv von Schmuck verwendet. In den Seitenarm des Pyrrols wurde ein L-Valinamid-Rest eingebracht, um die Möglichkeit zu zusätzlichen Wasserstoffbrückenbindungen zu bieten und gegebenenfalls Substrat- und Enantioselektivität zu erreichen. Zur Herstellung der Löslichkeit in unpolaren Medien wie dem Inneren der Zellmembran musste eine lipophile Gruppe eingebracht werden. Als löslichkeitsvermittelnder Rest wurde Tris-(Dodecyloxy)phenylmethylen ausgewählt, das drei lange unpolare Alkylreste trägt. Zusammengenommen ergab sich so ein Rezeptor für Oxo-Anionen und speziell für Aminosäurecarboxylate mit erhöhter Löslichkeit in organischen Medien. Somit war die Fähigkeit zu Membrantransport gegeben. In Kraftfeldrechnungen erhielt man die vermutliche Struktur des Rezeptor-Substrat-Komplexes, der eine Kombination aus einer Salzbrücke, Wasserstoffbrückenbindungen und einer Stapelwechselwirkung von Guanidinum-Kation, Benzylgruppe und ggf. aromatischem Rest des Aminosäuresubstrates aufweist. Nach erfolgreicher Synthese wurde in Extraktionsexperimenten die Fähigkeit des Rezeptors erprobt, Aminosäurecarboxylate aus einer wässrigen in eine organische Phase aus zu überführen. Man erhielt das beste Extraktionsvermögen für Ac-Trp-OH, gefolgt von Ac Phe OH und Ac Tyr OH. Es wurde eine neue Formel aufgestellt, mit der aus den pKS-Werten der Substrate und den Extraktionsdaten mit und ohne Rezeptor die Bindungskonstanten der Rezeptor-Substrat-Komplexe berechnet werden konnten. Die Größe der Bindungkonstanten entsprach der Reihenfolge Trp > Tyr > Phe ~ Val mit den höchsten Bindungskonstanten für das Tryptophanderivat mit 1.5*10E4 1/M. Zur Bestätigung der Bindungskonstanten wurden ITC-Messungen durchgeführt. Es wurden Messungen des Rezeptors in Chloroform mit den tert-Butylammoniumsalzen der acetylierten Aminosäuren Phenylalanin, Tyrosin und Valin durchgeführt. Für die Werte von Enthalpie und Entropie konnten bei dieser Auswertung konsistente Werte ermittelt werden. Die höchsten Werte der Enthalpie erhielt man für das Tyrosinderivat mit 3.7*10E3 cal/mol, gefolgt vom Phenylalaninderivat mit 2.8*10E3 cal/mol und Valinderivat mit 1.3*10E3 cal/mol. Diese Abstufung entspricht dem Einfluss des aromatischen Restes, der durch die Stapelwechselwirkung mit dem Guanidinium-Kation die Bindungswärme erhöht und durch den damit verbundenen engeren Komplex den Wert für die Entropie senkt. Für die Evaluierung des Transportvermögens wurden U-Rohr-Versuche verschiedener Art durchgeführt. Es wurde ein Gradient von pH 6 in der Ausgangsphase auf pH 8 in der Zielphase eingesetzt, wodurch der Rezeptor an der Grenzfläche zur Zielphase deprotoniert wurde, was zu gerichtetetem Transport führte. Es ergaben sich recht starke Unterschiede für die Fluxwerte der einzelnen Substraten, die der Reihenfolge Val > Phe > Ala > Trp > Tyr folgten. Dabei wurde das Valinderivat um den Faktor 17 schneller als das Tyrosinderivat befördert, mit dem recht hohen Flux von 1.11*10E-6 mol/m2*s, was nahe an den höchsten literaturbekannten Wert für acetylierte Aminosäuren heranreicht. Durch Verwendung gleicher Substratkonzentrationen in Start- und Zielphase konnte aktiver Transport nachgewiesen werden, d.h. Transport gegen das Konzentrationsgefälle. Die Triebkraft des Transportes war der Gradient von pH 6 auf pH 8 zwischen Ausgangs- und Zielphase, der durch den Symport von Substrat und einem Proton ausgeglichen wurde. Bei einem kompetitiven Versuch mit einer Mischung der verschiedenen Substrate in der Ausgangsphase wurden veränderte Fluxwerte und Selektivitäten festgestellt. Die neue Reihenfolge der Transportgeschwindigkeit war nun Trp > Phe > Val > Tyr > Ala, wobei die Fluxwerte fast durchgehend niedriger waren als im Einzelversuch. Die Veränderung der Werte erschließt sich bei Vergleich mit den thermodynamischen Daten aus den Extraktionsexperimenten. Bei direkter Konkurrenz um den Rezeptor wurden diejenigen Substrate mit den höchsten Bindungskonstanten bevorzugt, unabhängig von ihrer Transportgeschwindigkeit. Die schwächer bindenden Substrate wurden aus dem Komplex verdrängt und wiesen deswegen niedrigere Transportwerte auf. Der kompetitive Versuch ist somit eine stärkere Abbildung der Bindungsstärke und entspricht eher der Situation in einer realen Zelle. / Within the scope of this work a new membrane carrier for acetylated amino acids was designed and synthesized. For the binding site of the carboxylate the guanidinio-carbonylpyrrole motif by Schmuck was selected. In the pyrrole’s side chain an L-valinamide residue was introduced, to allow for additional hydrogen bonding and potentially achieve substrate- and enantioselectivity. For solubility in nonpolar media such as the inner part of the cell membrane a lipophilic group had to be introduced. Tris-(dodecyloxy)-phenylmethylene, which bears three long, nonpolar alkyl chains, was selected to procure the desired solubility. All in all this yielded a receptor for oxo-anions and especially for amino acid carboxylates with increased solubility in organic media. This design resulted in the ability for membrane transport. In force field calculations the probable structure of the receptor-substrate-complex was obtained. It showed a combination of a salt bridge, hydrogen bonds and pi-stacking between the guanidinium cation, the benzyl group and, if applicable, the amino acid’s aromatic residue. After the successful synthesis, extraction experiments were carried out to test the receptor’s ability to transfer amino acid carboxylates from an aqueous into an organic phase. The best extractability was attained for Ac-Trp-OH, followed by Ac-Phe-OH and Ac-Tyr-OH. A new equation was established to calculate the binding constants of the receptor-substrate-complexes with the known pKS-values of the substrates and the extraction data with and without receptor. The values of the binding constants followed the order Trp > Tyr > Phe ~ Val with the highest values for the tryptophane derivative with 1.5*10E4 1/M. To confirm the binding constants, ITC experiments were conducted. Measurements of the receptor in chloroform with the tert-butylammonium salts of the acetylated amino acids phenylalanine, tyrosine and valine were conducted.For the enthalpy and entropy consistent values could be determined. These were 3.7*10E3 cal/mol for the tyrosine derivative, 2.8*10E3 cal/mol for the phenylalanine derivative and 1.3*10E3 cal/mol for the valine derivative. This incrementation complies with the influence of the aromatic residue, which increases the binding heat by the pi-stacking and decreases the value of the entropy because of the resulting tighter complex. For the evaluation of the transport capabilities various U-tube experiments were conducted. A gradient from pH 6 in the source phase to pH 8 in the target phase was employed, which led to deprotonation of the receptor near the interface to the target phase, resulting in directed transport. There were quite strong differences for the substrates’ flux values, which followed the order of Val > Phe > Ala > Trp > Tyr. The valine derivative was transported 17 times faster than the tyrosine derivative, with a quite high flux of 1.11*10E-6 mol/m2*s. This is close to the highest literature-known value for acetylated amino acids. By employing analogous substrate concentrations in the source and target phase, active transport, that is transport against the concentration gradient, could be achieved. The driving force of the transport was the gradient from pH 6 to pH 8 between the source and target phase, which was diminished by the symport of substrate and a proton. In a competitive experiment with a mixture of the various substrates in the source phase different values for flux and selectivity were found. The new order of the transport velocities was now Trp > Phe > Val > Tyr > Ala. Nearly all of the flux values were lower than before. The change of the values can be explained by the comparison with the thermodynamic data from the extraction experiments. With direct competition for the receptor, the substrates with higher binding constants were preferred, independent of their transport velocity. The substrates with weaker binding were expulsed from the complex and now showed lower transport values. The competitive transport experiment is therefor a better depiction of the binding strength and comes closer to the situation in a real cell.

Kohlenstoffnanoröhren (engl. carbon nanotubes, CNT) verfügen über eine Vielzahl von herausragenden und möglicherweise nutzbringenden Eigenschaften. Die kontrollierte Integration von CNT in technische Systeme stellt noch immer eine große Herausforderung dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden neue Methoden für den Aufbau von Strukturen und Bauelementen aus CNT entwickelt, die auf Selbstorganisation bzw. bottom-up assembly basieren. Dabei kamen sowohl biochemische als auch physikalische Verfahren zum Einsatz. Einzelsträngige DNA wurde verwendet um CNT in wässrigen Medien zu suspendieren und zu vereinzeln. Beides sind wichtige Voraussetzungen, um die günstigen elektronischen Eigenschaften der CNT zugänglich zu machen. DNA-CNT-Suspensionen wurden sowohl spektroskopisch in ihrer Gesamtheit als auch kraftmikroskopisch auf molekularer Ebene untersucht. So konnten wesentliche Parameter des Herstellungsprozesses optimiert werden, um Suspensionen mit einem hohen Gehalt an langen, sauberen, vereinzelten CNT zu erhalten. Durch die Verwendung von funktionalisierten DNA-Molekülen ist es gelungen, Halbleiterquantenpunkte und Goldkolloide an CNT anzubinden. Im Fall der Quantenpunkte gelang dies mit Hilfe der Biotin-Streptavidin Bindung unter Anwendung des Prinzips der molekularen Erkennung. Die Anbindung dieser Nanopartikel kann als Prototyp für den DNA-vermittelten Strukturaufbau aus CNT angesehen werden. Zur Deposition von CNT in Elektrodenstrukturen wurde ein auf Dielektrophorese beruhendes Verfahren eingesetzt. Dabei ist es gelungen, die wesentlichen Parameter zu identifizieren, die für die Morphologie der abgeschiedenen CNT entscheidend sind. So konnte die Dichte der CNT-Verbindungen zwischen Elektroden von einzelnen Verbindungen über wenige bis hin zu sehr vielen parallel assemblierten CNT eingestellt werden. Durch ein sich selbst steuerndes Hintereinanderlagern von CNT war es möglich auch Elektroden zu verbinden, deren Abstand größer war als die Länge der verwendeten CNT. Durch gezieltes Eliminieren metallischer CNT-Strompfade nach der Deposition ist es gelungen, CNT-Feldeffekttransistoren (CNT-FETs) mit Schaltverhältnissen von bis zu sieben Dekaden herzustellen. Auch dieses Verfahren ist skalierbar und unkompliziert, da es sich selbst steuert. Es ist skalierbar und deshalb auch für technische Anwendungen geeignet. An Hand des Beispiels der Detektion von Ethanoldampf konnte gezeigt werden, dass die über Dielektrophorese aufgebauten CNT-FETs auch als Sensoren eingesetzt werden können. Durch eine Kombination der dielektrophoretischen Deposition von CNT und dem dielektrophoretisch gesteuerten Wachstum metallischer Nanodrähte konnte eine neuartige Hybridstruktur aus CNT und Palladium-Nanodrähten erzeugt werden. Ein solches Verfahren ist eine Voraussetzung für den Aufbau integrierter nanoskaliger Schaltkreise. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen zahlreiche Möglichkeiten auf, verschiedenartige nanoskopische Objekte miteinander integrieren, um neue Anwendungen zu ermöglichen.