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The human society of today has a significantly negative impact on the environment and needs to change its way of living towards a more sustainable path if to continue to live on a healthy planet. One path is believed to be an increased usage of naturally degradable and renewable raw materials and, therefore, attention has been focused on the highly abundant biopolymer cellulose. However, a large drawback with cellulose-based materials is the significant change of their mechanical properties when in contact with water. Despite more than a century of research, the extensively investigated interaction between water and cellulose still possesses many unsettled questions, and if the answer to those were known, cellulose-based materials could be more efficiently utilized. It is well understood that one interaction between cellulose and water is through hydrogen bonds, established between water and the hydroxyl groups of the cellulose. Due to the very similar properties of the hydroxyl groups in water and the hydroxyl groups of the cellulose, the specific interaction-induced effect on the hydroxyl groups at a cellulose surface is difficult to investigate.  Therefore, a method based on 2H MAS NMR spectroscopy has been developed and validated in this work. Due to the verified ability of the methodology to provide site-selective information regarding the molecular dynamics of the cellulose deuteroxyl groups (i.e. deuterium-exchanged hydroxyl groups), it was shown by investigating 1H-2H exchanged cellulose samples that only two of the three accessible hydroxyl groups (on the surface of cellulose fibrils) exchange with water. This finding was also verified by FT-IR spectroscopy, and together with MD simulations we could establish that it is O(2)H and O(6)H hydroxyl groups (of the constituting glucose units) that exchange with water. From the MD simulations additional conclusion could be drawn regarding the molecular interactions required for hydrogen exchange; an exchanging hydroxyl group needs to donate its hydrogen in a hydrogen bond to water. Exchange kinetics of thin cellulose films were investigated by monitoring two different exchange processes with FT-IR spectroscopy. Specific information about the two exchanging hydroxyl/deuteroxyl groups was then extracted by deconvoluting the changing intensities of the recorded IR spectra. It was recognized that the exchange of the hydroxyl groups were well described by a two-region model, which was assessed to correspond to two fibrillary surfaces differentiated by their respective positions in the fibril aggregate. From the detailed deconvolution it was also possible to estimate the fraction of these two surfaces, which indicated that the average aggregate of cotton cellulose is built up by three to four fibrils.                       2H MAS NMR spectroscopy was used to examine different states of water in cellulose samples, hydrated at different relative humidities of heavy water. The results showed that there exist two states of water adsorbed onto the cellulose, differentiated by distinct different mobilities. These two states of water are well separated and had negligible exchange on the time scale of the experiments. It was suggested that they are located at the internal and external surfaces of the fibril aggregates. By letting cellulose nanofibrils undergo an epoxidation reaction with a mono epoxide some indicative results regarding how to protect the cellulose material from the negative impact of water were presented. The protecting effect of the epoxidation were examined by mechanically testing and NMR spectroscopy. It was proposed that by changing the dominant interaction between the fibril aggregates from hydrophilic hydrogen bonds to hydrophobic π-interactions the sensitivity to moisture was much reduced. The results also indicated that the relative reduction in moisture sensitivity was largest for the samples with highest moisture content. / <p>QC 20161229</p>

Nous montrons que la structure RMN, en solution, du domaine N-terminal de DsbD de Neisseria meningitidis (nDsbD) présente, à l’état réduit, un repliement de type immunoglobuline avec un site actif adoptant une conformation fermée. Toutefois, l’analyse des mouvements internes du squelette peptique de nDsbD montre que la région dite « couvercle » de la protéine et qui protège les résidus actifs dans les formes réduite et oxydée, est dotée de mouvements internes. Cela démontre les capacités intrinsèques d’ajustement structural de nDsbD. Nous montrons aussi que les structures RMN, en solution, du domaine N-terminal de PilB de N. meningitidis (NterPilB) sous ses deux formes, réduite et oxydée, présentent un repliement de type thiorédoxine. Ces deux formes, très proches d’un point de vue structural, apparaissent comme étant globalement rigides. Par conséquent, la boucle FLHE, caractéristique de NterPilB et bordant le site actif de la protéine, ne dévoile pas de nouveaux indices structuraux et/ou dynamiques traduisant son implication dans la spécificité de substrat. Finalement, nous montrons, grâce à l’étude structurale et dynamique, en solution, d’un complexe entre nDsbD et NterPilB de N. meningitidis, que nDsbD fait preuve d’une grande adaptabilité à l’état complexé. La région « couvercle » s’ouvre pour venir se positionner au dessus de l’hélice a qui contient les cystéines actives de NterPilB. Par contre, la boucle FLHE de NterPilB ne semble pas intervenir dans la stabilisation du complexe. Nous proposons que des phénomènes dynamiques puissent faciliter d’une part, l’adaptabilité relative des deux partenaires dans le complexe, et d’autre part, la dissociation finale de ces derniers / We show, on one hand, that the NMR solution structure of DsbD N-terminal domain from Neisseria meningitidis (nDsbD) displays, in its reduced state, an immunoglobulin fold with a closed conformation of its active site. Nonetheless, our backbone dynamics study shows that the cap-loop region of the protein, which covers active residues in both oxidized and reduced forms, displays internal motions. This illustrates the inner structural adjustment capacities of nDsbD. On the other hand, we show that NMR solution structures of the oxidized and reduced forms of N. meningitidis NterPilB display a thioredoxin-like fold. These two structures appear to be very similar and globally rigid. Consequently, the NterPilB characteristic FLHE loop, which covers one edge of the active site, does not reveal new structural and/or dynamics properties for its involvement in the substrate specificity. Finally, we point out, from the structural and dynamics study of a complex between nDsbD and NterPilB from N. meningitidis, that nDsbD exhibits a powerful adaptability in its complex state. Its cap-loop region opens and comes over the a helix containing the NterPilB active cysteines. In contrast, the NterPilB FLHE loop does not seem to play a role in the complex stabilization. We propose that internal dynamics should facilitate, on one hand, the relative adaptability between the two partners of the complex and, on the other hand, their subsequent dissociation

The Thesis deals with MD simulations of solutions of chiral solutes in chiral solvents. These solutions consist of 2,2,2-trifluoro-1-phenylethanol, 1-phenylethanol and 1-phenyl- ethanamine.The differences in NMR properties between different combnations of solvent and solute absolute configuration were modeled. Indeed, differences in radial distribution functions and conformer abundances of solute calculated by the WHAM method were found. These results correlated with experimental differences in NMR shifts. Additionally, a method of cluster preselection was developed. It significantly decreased the amount of clusters needed for computations of NMR shieldings and hence the computer time. Keywords: chirality, molecular dynamic, nuclear magnetic resonance

<p>The central dogma of molecular biology relies on the correct Watson-Crick (WC) geometry of canonical deoxyribonucleic acid (DNA) dG•dC and dA•dT base pairs to replicate and transcribe genetic information with speed and an astonishing level of fidelity. In addition, the Watson-Crick geometry of canonical ribonucleic acid (RNA) rG•rC and rA•rU base pairs is highly conserved to ensure that proteins are translated with high fidelity. However, numerous other potential nucleobase tautomeric and ionic configurations are possible that can give rise to entirely new pairing modes between the nucleotide bases. Very early on, James Watson and Francis Crick recognized their importance and in 1953 postulated that if bases adopted one of their less energetically disfavored tautomeric forms (and later ionic forms) during replication it could lead to the formation of a mismatch with a Watson-Crick-like geometry and could give rise to “natural mutations.” </p><p>Since this time numerous studies have provided evidence in support of this hypothesis and have expanded upon it; computational studies have addressed the energetic feasibilities of different nucleobases’ tautomeric and ionic forms in siico; crystallographic studies have trapped different mismatches with WC-like geometries in polymerase or ribosome active sites. However, no direct evidence has been given for (i) the direct existence of these WC-like mismatches in canonical DNA duplex, RNA duplexes, or non-coding RNAs; (ii) which, if any, tautomeric or ionic form stabilizes the WC-like geometry. This thesis utilizes nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and rotating frame relaxation dispersion (R1ρ RD) in combination with density functional theory (DFT), biochemical assays, and targeted chemical perturbations to show that (i) dG•dT mismatches in DNA duplexes, as well as rG•rU mismatches RNA duplexes and non-coding RNAs, transiently adopt a WC-like geometry that is stabilized by (ii) an interconnected network of rapidly interconverting rare tautomers and anionic bases. These results support Watson and Crick’s tautomer hypothesis, but additionally support subsequent hypotheses invoking anionic mismatches and ultimately tie them together. This dissertation shows that a common mismatch can adopt a Watson-Crick-like geometry globally, in both DNA and RNA, and whose geometry is stabilized by a kinetically linked network of rare tautomeric and anionic bases. The studies herein also provide compelling evidence for their involvement in spontaneous replication and translation errors.</p> / Dissertation

In der klinischen Magnetresonanztomographie (MRT) spielt neben dem Bildkontrast und der räumlichen Auflösung, die Messzeit eine sehr wichtige Rolle. Auf Grund schneller Bildgebungsmethoden und technischer Fortschritte in der Geräteentwicklung konnten die Aufnahmezeiten bis auf wenige Sekunden reduziert werden. Somit wurde die MRT zu einem der wichtigsten Verfahren in der klinischen Diagnostik. Der größte Fortschritt für eine weitere Verkürzung der Aufnahmezeiten erfolgte durch die Einführung von Partiell-Parallelen-Akquisitions (PPA) Techniken in den späten 1990er Jahren. Inzwischen sind PPA-Verfahren etabliert und stehen auch für den Einsatz im klinischen Alltag zur Verfügung. Die Grundlage aller PPA-Verfahren bildet eine Anordnung von mehreren Empfangsdetektoren, welche gleichzeitig und unabhängig voneinander ein Objekt abbilden. Das Signal jedes einzelnen Detektors enthält dabei je nach Position eine gewisse räumliche Information. Eine Messzeitverkürzung wird im Allgemeinen dadurch erzielt, dass die Menge der aufzunehmenden Daten reduziert wird. Dies führt zu Fehler behafteten Bildern auf Grund von fehlenden Daten. Alle gängigen PPA-Verfahren benutzen die in der Detektoranordnung inhärente räumliche Information, um mit geeigneten Algorithmen die Fehler behafteten Bilder zu korrigieren. Die beiden erfolgreichsten Ansätze stellen momentan das "Sensitivity Encoding" (SENSE) Verfahren und die "Generalized Autocalibrating Partially Parallel Acquisitions" (GRAPPA) Methode dar. Die Leistungsfähigkeit von PPA-Methoden ist allerdings beschränkt. Zunächst begrenzt die Anzahl der Einzeldetektoren den maximal erreichbaren Messzeitgewinn. Weiterhin führt der Einsatz von PPA-Verfahren zu einer Verringerung des Signal-zu-Rausch-Verhältnis (englisch: signal-to-noise ratio, SNR). Im Allgemeinen ist das SNR um den Faktor der Wurzel des Beschleunigungsfaktors verringert. Ein zusätzlicher SNR-Verlust entsteht durch den Rekonstruktionsprozess und ist stark abhängig von der geometrischen Anordnung der Detektoren. Auf Grund dieser Verluste ist der Einsatz von PPA-Methoden auf Applikationen mit bereits hohem intrinsischen SNR beschränkt. In dieser Arbeit werden Erweiterungen von PPA-Verfahren vorgestellt, um deren Leistungsfähigkeit weiter zu verbessern. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der selbstkalibrierenden GRAPPA-Methode, welche die fehlenden Daten im reziproken Bildraum, dem so genannten k-Raum, rekonstruiert. Zunächst wird der Einsatz von GRAPPA für die 3D-Bildgebung beschrieben. In der 3D-Bildgebung ist es für die Rekonstruktionsqualität von PPA-Methoden vorteilhaft, die Daten entlang zweier Raumrichtungen zu reduzieren. GRAPPA war bisher auf Experimente mit Datenrekonstruktion in nur einer Richtung beschränkt. Es wird gezeigt, dass sich durch Kombination mit SENSE der Vorteil einer zwei-dimensionalen Datenreduktion erstmals auch für GRAPPA benutzen lässt. Weiterhin wird eine Neuformulierung der GRAPPA-Rekonstruktion als Matrixoperation vorgestellt. Dieser Formalismus wird als GRAPPA-Operator Formalismus bezeichnet und erlaubt es, ein gemessenes Signal im k-Raum zu verschieben, um fehlende Daten zu rekonstruieren. Eigenschaften und Beziehungen zwischen unterschiedlichen Verschiebungen werden beschrieben und daraus resultierende Anwendungen für die 2D- und 3D-Bildgebung präsentiert. Im Allgemeinen arbeiten alle konventionellen PPA-Verfahren ausschließlich auf der Rekonstruktionsseite. Somit ist die Bildqualität und damit der erzielbare Messzeitgewinn nur durch die Geometrie der Detektoranordnung beeinflussbar. In der Mehrschicht-MRT lässt sich diese Abhängigkeit von der Detektoranordnung reduzieren, indem Bildartefakte bereits während der Datenaufnahme gezielt verändert werden. Auf diese Weise kann der SNR-Verlust aufgrund des Rekonstruktionsprozesses minimiert werden. Dieses Konzept der kontrollierten Einfaltungen (englisch: Controlled Aliasing in Parallel Imaging Results in Higher Acceleration, CAIPIRINHA) wird für den Einsatz in der dynamischen Herzbildgebung vorgestellt. Bei geringen Beschleunigungsfaktoren kann mit CAIPIRINHA im Gegensatz zu den üblichen PPA-Verfahren eine Bildqualität erzielt werden, welche keine signifikanten Einbußen gegenüber konventionellen Experimenten aufweist. / In clinical magnetic resonance imaging (MRI) applications, scan time plays an important role. Due to the introduction of fast imaging sequences and hardware developments, acquisition times have been reduced to the order of several seconds and for this reason, MRI has become one of the most important techniques in clinical diagnosis. The greatest improvement in further reducing the acquisition times has been the development of partially parallel acquisition (PPA) strategies in the late 1990s. Today, PPA strategies have become established and are available for clinical routine examinations. The basis for all PPA methods is an array of mutiple detectors which allow the independent and simultaneous imaging of an object. According to its position, each detector receives signal predominantly from a localized region and therefore contains spatial information. In general, a scan time reduction is achieved by reducing the amount of acquired data. This results in imaging artifacts. PPA methods utilize the spatial information inherent in the detector array in order to remove these artifacts by using dedicated reconstruction algorithms. At present, the most successful PPA strategies are the "Sensitivity Encoding" (SENSE) method and the "Generalized Autocalibrating Partially Parallel Acquisitions" (GRAPPA) technique. However, the performance of PPA methods is limited. First, the achievable scan time reduction factor is limited by the number of detectors in the array. Second, compared with a conventional experiment the signal-to-noise ratio (SNR) is decreased by the square root of the scan time reduction factor. An additional decrease in SNR is introduced by the reconstruction process and is strongly dependent on the array geometry. For these reasons, the application of PPA methods is restricted to applications with a high intrinsic SNR. In this thesis, extensions of standard PPA methods are presented which improve their performance. Special emphasis is put on the autocalibrating GRAPPA technique, which reconstructs missing data in the reciprocal image space, the so-called k-space. First, the application of GRAPPA for 3D imaging is desribed. In 3D imaging, it is advantageous for the reconstruction quality of PPA methods to perform the data reduction in two spatial dimensions. However, until now GRAPPA has been restricted to experiments with data reduction in only one dimension. Here, a combination of GRAPPA and SENSE is presented which allows one to utilize the benefits of two-dimensional data reduction for the GRAPPA technique. Furthermore, a reformulation of the GRAPPA reconstruction process as a matrix operation is presented. This formalism is refered to as the GRAPPA-Operator formalism and it allows one to shift a received signal in k-space in order to reconstruct missing data. Several properties and relationships between different shifts are described and resultant implications for 2D and 3D imaging are presented. In general, all conventional PPA methods work on the reconstruction side. Therefore,the image quality and thus the achievable scan time reduction can only be controlled by the choice of the array geometry. In multi-slice MRI, this dependency on the array geometry can be reduced by modifying the appearence of imaging artifacts during the data acquisition period. In this way, the decrease in SNR introduced by the reconstruction process can be minimized. This concept is entitled "Controlled Aliasing in Parallel Imaging Results In Higher Acceleratrion" (CAIPIRINHA), and in this thesis its application for dynamic cardiac imaging is described. In contrast to previous PPA techniques with two-fold acceleration, the image quality using the CAIPIRINHA approach is not significantly decreased compared with conventional experiments.

In diesem experimentellen Ansatz ist es gelungen, durch Einsatz von eisenhaltigen Kontrastmittel die MRT-Spezifität bei peripheren autoimmunen Nervenentzündungen deutlich zu erhöhen. Es ist gelungen in vivo den zeitlichen Verlauf der Monozyten/Makropahgeninfiltration bei entzündliche Autoimmunerkrankungen des Peripheren Nervensystems zu demonstrieren. / SPIO-enhanced MRI provides a novel in vivo tool to assess the timing of macrophage entry into target tissues during an immunopathologic attack and holds promise to monitor immunotherapeutic interventions.

In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen an Rückständen von thermisch abgebauten, flammgeschützten Polymeren vorgenommen, mit dem Ziel, die Struktur und den Phasenbestand der eingebauten Flammschutzmittel und der Polymere sowie deren Wechselwirkungen als Funktion der Temperatur und umgebenden Atmosphäre (N2 und Luft) zu charakterisieren. Ein wichtiges Werkzeug, das Informationen über den amorphen Zustand der Abbauprodukte und deren thermisch bedingte Phasenumwandlungen in andere amorphe oder kristalline Strukturen sowie Aussagen über die Nahordnungen der betrachteten Kernspinsorte liefert, stellt in dieser Arbeit der Einsatz der Festkörper-NMR-Spektroskopie dar. Hierbei sind neben Einzelimpuls- (SP), rotor-synchronisierte Spin-Echo- (RSE) und Kreuzpolarisationstechniken (CP) auch REDOR- (Rotational echo double resonance) und TRAPDOR- (Transfer of population in double resonance) Messungen zur Anwendung gekommen. Zusätzlich konnten aus den 11B- und 31P-NMR-Experimenten quantitative Aussagen über den relativen Borat- und Phosphor bzw. Phosphat-Anteil im festen Rückstand getroffen werden, wobei insbesondere für die 31P-Kerne eine quantitative Erfassung der kristallinen und amorphen Phosphatphasen durchgeführt wurde. Im ersten System wurden die Flammschutzmittel roter Phosphor (Prot) und Mg(OH)2 in HIPS kombiniert. Aus den Ergebnissen umfangreicher NMR-Experimente konnte abgeleitet werden, dass der größte Teil des eingesetzten Prot hauptsächlich in amorphen (Mg-Ortho-, -Di-, -Ketten- und Ringphosphaten) und weniger in kristallinen Phosphatphasen verbleibt. Zudem konnte für den Parameter der Temperatur und aus der Verfügbarkeit von Sauerstoff (N2-Atmosphäre/Luft) einen deutlicher Einfluss auf den Abbauprozess und die Bildung der Phosphatphasen (kristallin/amorph) nachgewiesen werden. Aus dem Vergleich der Ergebnisse der Temperversuche mit den Ergebnissen der Verbrennungsversuche im Cone Calorimeter konnte ein anaerober Abbauweg bestätigt werden. In einem zweiten System wurden die thermischen Reaktionen zwischen den Flammschutzadditiven BDP und Zinkborat sowie ihren Einfluss auf den thermischen Abbau eines PC/ABS-Blends untersucht. Der thermisch belastete Rückstand wird unabhängig von der Atmosphäre von amorphen Phosphatgruppen dominiert. Dabei konnten die während der Temperprozesse gebildeten Verbindungen &#945; Zn3(PO4)2 und BPO4 als Folge einer Festphasenreaktion zwischen den eingesetzten Flammschutzadditiven identifiziert werden, wobei das &#945; Zn3(PO4)2/BPO4 Verhältnis als Indikator für einen aeroben bzw. anaeroben Abbauprozess dient, der für die Feuerrückstände eindeutig einen anaeroben Abbau liefert. / This study aims at the structural characterisation of embedded flame retardants and polymers. Analysis includes determination of the phase contents as well as description of their mutual interactions as a function of their thermal history in different atmospheres (air and nitrogen). Solid-state NMR spectroscopy is the most important tool applied in this thesis. This technique enables structural information about the amorphous state of the decomposed products, determination of the thermal and thermo-oxidative conversion in different amorphous and crystalline structures, and predictions about the short-range order of the observed nuclei. In this context measurements of single pulse (SP), rotor-synchronised spin echo (RSE) and cross polarisation (CP) experiments, as well as REDOR (Rotational echo double resonance) and TRAPDOR- (Transfer of population in double resonance) have been conducted. Additionally, 11B SP and 31P RSE experiments have been used to study quantitatively the borate and both phosphorus and phosphate contents in the solid residues. Particular emphasis was put on quantifying crystalline and non-crystalline phosphate phases. The first system consists of a combination of the flame retardants red phosphorus (Pred) and Mg(OH)2 in HIPS. From the results of extensive NMR experiments it was deduced that most of inserted red phosphorus remains in amorphous phosphates phases (ortho, pyro, and chain/ring phosphates) besides some crystalline phosphate phases. Decomposition characteristics such as temperature and the availability of oxygen (N2 atmosphere/air) show a significant influence on the decomposition process and the formation of phosphate phases (crystalline/amorphous). By comparing the results of the annealing processes to the results of the cone calorimeter measurements an anaerobic decomposition way was confirmed. In a second system, thermal reactions between the two flame retardants BDP and zinc borate as well their influence on the thermal decomposition of a PC/ABS blend were investigated. The thermally residues are independently of the atmosphere dominated by amorphous phosphate units. During the thermal decomposition the formation of &#945;-Zn3(PO4)2 and BPO4 could be identified as solid reaction products of the inserted flame retardants. In addition, the &#945; Zn3(PO4)2/BPO4 ratio served as an indicator of aerobic or anaerobic decomposition processes, proving an anaerobic decomposition mechanism for the fire residues.

Diese Dissertation beschreibt den Einfluss von HGF auf das ventrikuläre Remodeling des Rattenherzens in der 1. und 16. Woche nach Ischämie und Reperfusion. Die funktionalen Parameter wurden mit Hilfe des NMR gemessen. In der 16. Woche nach Ischämie und Reperfusion wurde die histologisch ermittelte Narbengröße mit dem Wert, der mittels NMR ermittelt wurde, verglichen. / This dissertation describes the influence of HGF on ventricular cardial remodeling of rats one week and sixteen weeks after ischemia and reperfusion. The functional parameters were calculated with NMR. Sixteen weeks after ischemia and reperfusion the scar formation was also analyzed by histologic methods. The outcomes of this method were compared with the results of the measurement with NMR.

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