In order to better predict the aggregation state of nanomaterials, the factors that influence aggregation must be understood. The combined effects of natural and engineered coatings have been shown to factor into nanoparticle aggregation behavior in preliminary research. In this study, aggregation behaviors of gold nanoparticles with two different engineered coatings were investigated in the presence of the monovalent electrolyte KCl and the divalent electrolyte CaCl���. Aggregation studies were conducted using dynamic light scattering to determine the relative stability of the NMs in environments of varying ionic strength in the absence and presence of Suwannee River Natural Organic Matter (SRNOM). Coatings which provided primarily electrostatic stabilization were found to adhere closely to DLVO theory, while coatings which provided steric stability inhibited aggregation over a wide range of ionic strengths for both electrolytes. The presence of SRNOM was found to provide some electrostatic stability in the presence of KCl, but appeared to form agglomerates with calcium ions, especially at higher SRNOM concentrations. / Graduation date: 2013

University, Diss.--Bonn, 2006.

A key prerequisite for cellular and organismal health is a functional proteome. A variety of human protein misfolding diseases are associated with the occurrence of amyloid protein aggregates, such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS) or Huntington’s disease. The proteins involved in disease manifestation all contain aggregation-prone sequences of low compositional complexity. Such sequences are also known as prion-like, because of their sequence similarity to yeast prions. Yeast prion proteins are a specific subset of amyloid forming proteins with distinct physio-chemical and functional features, which give them transmissible properties. The aggregation properties of yeast prions and disease-related prion-like proteins reside in structurally independent, prion-forming domains (PrDs). These domains are highly enriched for uncharged polar amino acids, such as glutamine (Q) and asparagine (N). These compositional features can be used to predict prion-like proteins bioinformatically. To investigate the prevalence of prion-like proteins across different organisms, we analyzed a range of eukaryotic proteomes. Our analysis revealed that the slime mold D. discoideum contains the highest number of prion-like N/Q-rich proteins of all organisms. Based on this finding, we hypothesized that D. discoideum could be a valuable model system to study protein homeostasis (proteostasis) and the molecular basis of protein misfolding diseases. To explore how D. discoideum manages its highly aggregation-prone proteome, we analyzed the behavior of several well-characterized misfolding-prone marker proteins (variants of the disease-causing exon 1 of the huntingtin protein as well as wildtype and variant versions of the Q/N-rich yeast prion Sup35NM). Intriguingly, these proteins did not form cytosolic aggregates in D. discoideum, as they do in other organisms. Aggregates, however, formed as a result of heat stress, which indicates that the tested proteins have the capacity to aggregate, but are kept under tight control under normal conditions. Furthermore, when the stress level was reduced, the stress-induced aggregates dissolved, suggesting that D. discoideum has evolved mechanisms to reverse aggregation after a period of acute stress. Together, these findings reveal an unusual resilience of D. discoideum to aggregation-prone proteins, which very likely results from specific adaptations in its proteostasis network. By studying these specific adaptations, we could get important insight into the strategies that nature employs to control and maintain a highly aggregation-prone proteome. So far, our experimental investigations have revealed evidence for three specific adaptations. First, we identified the disaggregase Hsp101 as a key player in the acute stress response of D. discoideum. A functional analysis of Hsp101 in yeast and D. discoideum revealed that it supports thermotolerance. Second, we found evidence for an important role of the nucleus and nucleolus in proteostasis. We discovered that a small fraction of highly aggregation-prone proteins accumulated in the nucleus or nucleolus of D. discoideum cells. The magnitude of this nuclear accumulation could be increased by proteasome impairment, which suggests that the ubiquitin-proteasome system (UPS) is involved. This finding is consistent with previous studies in other organisms and hints at the possibility that D. discoideum disposes of aggregation-prone proteins by degrading them in the nucleus/nucleolus. Third and finally, we found that cells containing nuclear accumulations are asymmetrically distributed in the multicellular developmental stage (slug), suggesting that D. discoideum employs cell-sorting mechanisms to dispose of cells with accumulated protein damage. Although our current understanding of proteostasis in D. discoideum is preliminary, we have gained important insight into the molecular mechanisms and cellular pathways that D. discoideum uses to counteract protein aggregation. Findings from this work will inform similar comparative studies in other organisms and will impact our molecular understanding of protein misfolding diseases and aging. / Eine wesentliche Voraussetzung für die Gesundheit von Zellen und Organismen ist ein funktionales Proteom. Eine Reihe von humanen Protein- Missfaltungs-Erkrankungen, wie Chorea Huntington und Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) werden mit dem Auftreten von amyloiden Protein- Aggregaten in Verbindung gebracht. Sämtliche Proteine, die in der Pathogenese dieser Krankheiten eine Rolle spielen, enthalten aggregations-anfällige Sequenzen mit geringer Sequenzkomplexität. Solche Sequenzen werden als Prion-ähnlich bezeichnet, da sie in ihrer Zusammensetzung den Prionen aus der Hefe S. cerevisiae gleichen. Die Prion-Proteine der Hefe gehören zu einer Unterart von amyloid-aggregierenden Proteinen, die durch bestimmte physikochemische und funktionelle Eigenschaften einen infektiösen Charakter erhalten. Die Aggregations-Eigenschaften von Hefeprionen und aggregationsanfällige Proteinen, die mit Erkrankungen in Verbindung gebracht werden, basieren auf strukturell unabhängigen, Prion-bildenden Domänen (prion domain, PrD). Diese Domänen sind angereichert mit polaren Aminosäuren wie Glutamin und Asparagin. Diese Zusammensetzung kann dazu verwendet werden prion-ähnliche Proteine bioinformatisch vorherzusagen. Um die Verbreitung von Prion-ähnlichen Proteinen in verschiedenen Organismen zu untersuchen, analysierten wir eine Reihe von eukaryotischen Proteomen. Unsere Analyse zeigte, dass der Schleimpilz D. discoideum die höchste Anzahl von Prion-ähnlichen N/Q-reichen Proteinen aufzeigt. Aufgrund dieser Erkenntnisse erstellten wir die Hypothese, dass D. discoideum ein nützlicher Modellorganismus sein könnte, um Protein Homöostase (Proteostase) sowie die molekulare Basis von Proteins-Missfaltungs-Erkrankungen zu ergründen. Um zu analysieren, wie D. discoideum mit seinem höchst aggregations-anfälligen Proteom umgehen kann, untersuchten wir das Verhalten mehrerer bereits charakterisierter aggregations-anfälliger Marker-Proteine in D. discoideum. Hierbei verwendeten wir Varianten des krankheits-erzeugenden Exon 1 des humanen Huntingtin Protein sowie den wild-typ und Varianten des N/Q-reichen Hefe Prions Sup35. Interessanterweise bildeten diese Proteine, anders als in anderen Organismen, keine zytosolischen Aggregate in D. discoideum aus. Aggregate wurden jedoch unter Hitzestress-Bedingungen gebildet. Dies deutet darauf hin, dass die getesteten Proteine durchaus das Vermögen zu aggregieren besitzen, jedoch unter normalen Wachstumsbedingungen streng kontrolliert werden. Wenn, darüberhinaus das Stress- Level gesenkt wurde, kam es zur Auflösung der stress-induzierten Aggregate. Dies deutet darauf hin, dass D. discoideum Mechanismen entwickelt hat, um Aggregate nach Perioden von akutem Stress wieder aufzulösen. Zusammengenommen enthüllen diese Erkenntnisse eine ungewöhnliche Widerstandsfähigkeit gegenüber aggregations-anfälligen Proteinen. Diese beruht höchstwahrscheinlich auf spezifischen Modifikationen im Proteostase Netzwerk. Durch die Analyse dieser spezifischen Anpassungen könnten wichtige Einblicke in die Strategien gewährt werden, welche die Natur benutzt, um ein höchst aggregations-anfälliges Proteom zu erhalten und zu kontrollieren. Bisher erbrachten unsere Experimente Anhaltspunkte für drei spezifische Anpassungen. Erstens zeigten wir, dass die Disaggregase Hsp101 eine Schlüsselrolle in der akuten Stressantwort in D. discoideum einnimmt. Eine funktionale Analyse von Hsp101 in D. discoideum und Hefe zeigte, dass die Disaggregase Thermotoleranz fördert. Zweitens haben wir Anhaltspunkte, dass der Nukleus und der Nukleolus eine wichtige Rolle in der Proteostase einnehmen. Eine geringe Fraktion der überaus aggregations-anfälligen Proteine akkumuliert im Nukleus oder Nukleolus von D. discoideum. Das Ausmaß der nuklearen Akkumulation konnte erhöht werden, wenn das Proteasom beeinträchtigt wird. Dies deutet darauf hin, dass das Ubiquitin-Proteasom-System involviert sein könnte. Diese Beobachtung ist im Einklang mit jüngsten Berichten aus anderen Organismen und daraus folgt, dass D. discoideum möglicherweise aggregations-anfällige Proteine durch Abbau im Nukleus entsorgt. Drittens konnten wir feststellen, dass Zellen, die nukleare Akkumulationen enthalten, asymmetrisch in der multizellulären Entwicklungs-Struktur des Pseudoplasmodiums verteilt sind. Dies deutet darauf hin, dass D. discoideum möglicherweise den Zellsortierungsmechanismus während der Entwicklung nutzen kann, um Zellen mit angereicherten Protein-Schäden zu beseitigen. Auch wenn das gegenwärtige Verständnis der Proteostase in D. discoideum nur vorläufig ist, haben wir wichtige Einblicke in die molekularen Mechanismen und zellulären Prozesse erhalten, die D. discoideum verwendet, um Protein-Aggregation zu verhindern. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden ähnliche vergleichende Studien in anderen Organismen beeinflussen und Auswirkungen auf unser molekulares Verständnis über Protein-Missfaltungs-Erkrankungen und das Altern haben.

Isolierte Molekülcluster können durch Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie von Überschallexpansionen untersucht werden. Es wird gezeigt, wie Multischlitzdüsen verschiedener Geometrien sowohl zur Aufklärung des Strukturverhaltens von Wasseraggregaten bei thermischer Anregung als auch zur Erzeugung von Mischclustern bei gleichzeitiger Unterdrückung von Isotopenaustauschreaktionen eingesetzt werden können. Zusätzlich wurde ein Aufbau zur chemischen Bildgebung von Expansionen entwickelt und zur ortsaufgelösten Visualisierung von Aggregationsprozessen sowie Dichte- und Temperaturentwicklungen verwendet.

Hyperbranched poly(ethylene imine) with Mw 5,000 and 25,000 Da and different degrees of substitution with maltose (PEI-Mal) was firstly described by Appelhans et al. Its biocompatibility and the potential to complex anionic molecules was demonstrated previously. In this study, the characterisation of host-guest interactions of PEI-Mal with various anionic water-soluble guest molecules with aromatic moieties in the structure (adenosine triphosphate, rose bengal, and acid red 26) in solution was provided. Also, a multicomponent drug@PEI-Mal@hydrogel system was achieved.

Diss. (sammanfattning) Umeå : Umeå universitet, 2010.

L’agrégation des valeurs qui doivent être gardées confidentielles tout en garantissant la robustesse du processus et l’exactitude du résultat est nécessaire pour un nombre croissant d’applications. Divers types d’enquêtes, telles que les examens médicaux, les référendums, les élections, ainsi que les nouveaux services de Internet of Things, tels que la domotique, nécessitent l’agrégation de données confidentielles. En général,la confidentialité est assurée sur la base de tiers de confiance ou des promesses de cryptographie, dont les capacités ne peuvent être évaluées sans expertise.L’ambition de cette thèse est de réduire le besoin de confiance dans les autorités, de même que la technologie, et d’explorer les méthodes d’agrégations de données à grande échelle, qui garantissent un degré élevé de confidentialité et ne dépendent ni de tiers de confiance ni de cryptographie. Inspiré par BitTorrent et Bitcoin, les protocoles P2P sont considérés. La première contribution de cette thèse est l’extension du protocole d’agrégation distribuée BitBallot dans le but de couvrir les agrégations dans les réseaux P2P comprenant des pairs adversaires avec un comportement défaillant ou byzantin. Les changements introduits permettent éventuellement de maintenir un résultat précis en présence d’une minorité adversaire. Les limites de scalabilité rencontrées conduisent à la deuxième contribution dans le but de soutenir les agrégations à grande échelle. Inspiré par BitBallot et BitTorrent, un nouveau protocole distribué appelé ADVOKAT est proposé.Dans les deux protocoles, les pairs sont affectés aux noeuds feuilles d’un réseau de superposition d’une structure arborescente qui détermine le calcul des agrégats intermédiaires et restreint l’échange de données. La partition des données et du calcul entre un réseau de pairs équipotent limite le risque de violation de données et réduit le besoin de confiance dans les autorités. Les protocoles fournissent une couche middleware dont la flexibilité est démontrée par les applications de vote et de loterie. / Aggregation of values that need to be kept confidential while guaranteeing the robustness of the process and the correctness of the result is necessary for an increasing number of applications. Various kinds of surveys, such as medical ones, opinion polls, referendums, elections, as well as new services of the Internet of Things, such as home automation, require the aggregation of confidential data. In general, the confidentiality is ensured on the basis of trusted third parties or promises of cryptography, whose capacities cannot be assessed without expert knowledge.The ambition of this thesis is to reduce the need for trust in both authorities and technology and explore methods for large-scale data aggregations, that ensure a high degree of confidentiality and rely neither on trusted third parties nor solely on cryptography. Inspired by BitTorrent and Bitcoin, P2P protocols are considered.The first contribution of this thesis is the extension of the distributed aggregation protocol BitBallot with the objective to cover aggregations in P2P networks comprising adversarial peers with fail-stop or Byzantine behaviour. The introduced changes allow eventually to maintain an accurate result in presence of an adversarial minority.The encountered scalability limitations lead to the second contribution with the objective to support large-scale aggregations. Inspired by both BitBallot and BitTorrent, a novel distributed protocol called ADVOKAT is proposed.In both protocols, peers are assigned to leaf nodes of a tree overlay network which determines the computation of intermediate aggregates and restricts the exchange of data. The partition of data and computation among a network of equipotent peers limits the potential for data breaches and reduces the need for trust in authorities. The protocols provide a middleware layer whose flexibility is demonstrated by voting and lottery applications.

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The study of crystal nucleation represents a considerable challenge to both experiment and theory. Crystallisation from solutions is initiated by the association of only a few ions. The resulting aggregates are the embryonic precursors to crystals and exhibit diameters of less than a nanometre. While experimental studies offer a wide variety of insights at the macroscopic scale, the atomistic level of detail often remains elusive. On the other hand, computer simulation approaches may easily achieve microscopic resolution and hence appear particularly suited for analysis of the mechanisms of ion aggregation. On the basis of atomistic models, new insights are obtained into the early steps of ion association and the self-organisation of disordered aggregates into crystalline structures. / Das Studium der Nukleation von Kristallen stellt eine immense Herausforderung sowohl an die Experimentatoren als auch an die Theoretiker dar. Die Bildung eines Kristalls aus einer Lösung beginnt mit dem Zusammenschluss einzelner Ionen zu kleinen Aggregaten. Diese embryonalen Vorstufen von Kristallen umfassen nur einige Teilchen und weisen Durchmesser von weniger als einem Nanometer auf. Experimentelle Untersuchungen sind oftmals auf die makro- und mesoskopische Größenskala beschränkt und können vergleichsweise wenige Informationen über die atomaren Aggregationsprozesse liefern. Molekulare Simulationen verlaufen im Gegensatz dazu unmittelbar auf der atomaren Detailstufe und stellen so eine hervorragende Ergänzung zum Experiment dar. Im Computer werden dabei Modellszenarien entwickelt, die Aufschlüsse über die elementaren Schritte der Aggregation von Ionen geben können und aufzeigen, wie sich zunächst ungeordnete Agglomerate allmählich zu periodisch geordneten Strukturen organisieren.