Thema der vorgelegten Dissertation ist der Mechanismus der Keimbildung und des Wachstums von Platinclustern in Lösung und auf Biopolymeren nach der Reduktion von Platin-Salzen. Die Untersuchung wird auf atomarer Skala durch ab-initio Molekulardynamik mit der Methode von Car und Parrinello durchgeführt. In einem klassischen, generell akzeptierten Mechanismus erfolgt die Aggregation von Pt-Atomen nur nach kompletter Reduktion der Pt(II)-Komplexen zum metallischen Pt(0)-Zustand. Im Gegensatz dazu, in der hier beobachteten Reaktionsablauf entstehen stabile Pt-Pt-Bindungen schon nach einem einzigen Reduktionsschritt. Darüber hinaus wird es gefunden, dass kleine Pt-Cluster durch Addition von unreduzierten PtCl2(H2O)2-Komplexen wachsen können. Das stimmt mit einem experimentell beocbachteten autokatalytischen Clusterwachstumsmechanismus überein. Es wird weiterhin gefunden, dass Pt(II)-Komplexe, die kovalent an DNA oder an Proteine gebunden sind, als sehr effiziente Nukleationszentren für das weitere Metallclusterwachstum wirken können. Das ist eine Konsequenz des starken Donor-Charakters der organischen Liganden, in derer Anwesenheit stärkere Metall-Metall-Bindungen als frei in der Lösung gebildet werden können. In der Tat, in Metallisierungsexperimenten können 5 Nanometer dünne, mehrere Mikrometer lange, regelmässige Clusterkette erzeugt werden, die rein heterogen auf das Biomolekulare Templat gewachsen sind. / In this thesis we investigate the molecular mechanisms of platinum cluster nucleation and growth in solution and on biopolymers by means of first-principles molecular dynamics. In contrast with a classical picture where clusters nucleate by aggregation of metallic Pt(0) atoms, we find that Pt--Pt bonds can form between dissolved Pt(II) complexes already after a single reduction step. Furthermore, we observe that small clusters grow by addition of unreduced PtCl2(H2O)2 complexes, consistently with an autocatalytic growth mechanism. Moreover Pt(II) ions covalently bound to biopolymers are found to act as preferred nucleation sites for the formation of clusters. This is a consequence of the strong donor character of the organic ligands which induce the formation of stronger metal-metal bonds than those obtained in solution. In fact, in metallization experiments we obtain a clean and purely heterogeneous metallization of single DNA molecules leading to thin and uniform Pt cluster chains extended over several microns.

This thesis was inspired by the discovery of Bi14Rh3I9, the first so-called weak three-dimensional topological insulator (3D-TI) and has been concerned with the topic of TIs in general. Two aspects were tackled to gain a deeper understanding of this new state of matter. On one hand, the expansion of the material’s basis and on the other hand developing a simple model of the structure and analysing it via density-functional theory (DFT) based methods. To discover new materials, a systematic investigation of the metal-rich parts of the bismuth–platinum-metal–iodine phase systems was conducted. It led to six new phases among the bismuth subiodides. Some of which, e.g. Bi14Rh3I9, share a honeycomb network of platinum-metal-centred bismuth-cubes and are the seed of a family of materials with this structural motive. The others show strand-like structures or layered structures with platinum-platinum bonds. The latter were so far unknown amongst bismuth subiodides. The honeycomb network was separately analysed and shown to host the TI properties. Structurally and electronically it can be seen as a “heavy graphene analogue”, which refers to the fact that graphene with hypothetical strong spin-orbit coupling (“heavy graphene”) was the first TI put forward by theoreticians. Apart from DFT-calculations, physical experiments confirmed the TI properties. Angle-resolved photoelectron spectroscopy (ARPES) was used to verify the electronic structure and scanning tunnelling microscopy and spectroscopy (STM and STS) to reveal the protected 1D edge states present at the cleaving surface of this material. As the arrangement of the honeycomb layer varies between the different known and newly discovered materials within this family of structures, this influence was also investigated. All further materials were also characterised by DFT-calculations and physical experiments, e.g. magnetisation and transport measurements. This thesis might give an experimental and theoretical basis for a deeper understanding of the TI state of matter. The 1D edge states on the surface of Bi14Rh3I9 could be a chance to handle spins and therefore propel spintronic research, or they could host Majorana fermions, which could be used as qubits in quantum computing.

Thema der vorgelegten Dissertation ist der Mechanismus der Keimbildung und des Wachstums von Platinclustern in Lösung und auf Biopolymeren nach der Reduktion von Platin-Salzen. Die Untersuchung wird auf atomarer Skala durch ab-initio Molekulardynamik mit der Methode von Car und Parrinello durchgeführt. In einem klassischen, generell akzeptierten Mechanismus erfolgt die Aggregation von Pt-Atomen nur nach kompletter Reduktion der Pt(II)-Komplexen zum metallischen Pt(0)-Zustand. Im Gegensatz dazu, in der hier beobachteten Reaktionsablauf entstehen stabile Pt-Pt-Bindungen schon nach einem einzigen Reduktionsschritt. Darüber hinaus wird es gefunden, dass kleine Pt-Cluster durch Addition von unreduzierten PtCl2(H2O)2-Komplexen wachsen können. Das stimmt mit einem experimentell beocbachteten autokatalytischen Clusterwachstumsmechanismus überein. Es wird weiterhin gefunden, dass Pt(II)-Komplexe, die kovalent an DNA oder an Proteine gebunden sind, als sehr effiziente Nukleationszentren für das weitere Metallclusterwachstum wirken können. Das ist eine Konsequenz des starken Donor-Charakters der organischen Liganden, in derer Anwesenheit stärkere Metall-Metall-Bindungen als frei in der Lösung gebildet werden können. In der Tat, in Metallisierungsexperimenten können 5 Nanometer dünne, mehrere Mikrometer lange, regelmässige Clusterkette erzeugt werden, die rein heterogen auf das Biomolekulare Templat gewachsen sind. / In this thesis we investigate the molecular mechanisms of platinum cluster nucleation and growth in solution and on biopolymers by means of first-principles molecular dynamics. In contrast with a classical picture where clusters nucleate by aggregation of metallic Pt(0) atoms, we find that Pt--Pt bonds can form between dissolved Pt(II) complexes already after a single reduction step. Furthermore, we observe that small clusters grow by addition of unreduced PtCl2(H2O)2 complexes, consistently with an autocatalytic growth mechanism. Moreover Pt(II) ions covalently bound to biopolymers are found to act as preferred nucleation sites for the formation of clusters. This is a consequence of the strong donor character of the organic ligands which induce the formation of stronger metal-metal bonds than those obtained in solution. In fact, in metallization experiments we obtain a clean and purely heterogeneous metallization of single DNA molecules leading to thin and uniform Pt cluster chains extended over several microns.

Diese Arbeit beschreibt die Realisierung mehrerer theoretischer Ansätze zur Synthese von Oligonucleotiden, die an gezielter Position mit der trans-{PtII(NH3)2}2+ - Spezies modifiziert sind. Es wurde ein Synthesebaustein "Pt-T" synthetisiert, der die direkte Einführung eines N3-platinierten Thymidins während der Oligonucleotidsynthese ermöglicht. Unter den Bedingungen der Standard - H-Phosphonat - Synthese werden bei Verwendung des synthetisierten platinierten Synthesebaustein "Pt-T" platinierte Oligonucleotide erhalten, die eine trans-[PtII(NH3)2Py(N3-T)]+ - Modifizierung enthalten. Mit Hilfe der Sanger - Sequenzierung konnte gezeigt werden, daß die an T angebundene trans-{PtII(NH3)2Py}2+ - Platinspezies T7 DNA Polymerase blockiert. Weiterhin konnte gezeigt werden, daß die Spaltung der 5'-Phosphorsäurediesterbindung durch Schlangengift - Phosphodiesterase infolge dieser Platinmodifizierung deutlich langsamer abläuft. Durch Ersatz von Pyridin durch 1,6-Lutidin bleibt die Reaktionsfähigkeit der trans-Position am Platin erhalten. Durch geeignete Reaktionsbedingungen wurde das nach erfolgter Oligonucleotidsynthese an einem 4-mer gebundene Platin bifunktional an den selben Strang gebunden und so trans-[PtII(NH3)2{d(TTTG)-N3-T(2),N7-G(4)}]+, ein kurzes Oligonucleotid mit intrastrand-crosslink, synthetisiert. Die durchgeführte enzymatische Hydrolyse zeigt eine hohe Beständigkeit gegenüber dem Abbau mit Schlangengift - Phosphodiesterase und alkalischer Phosphatase. / This work describes the synthesis of oligodeoxynucleotides, which are modified at a specific position with the trans-{PtII(NH3)2}2+ - species. A platinated monomer building block "Pt-T" has been synthesized separately prior to automated synthesis. Platin modified oligonucleotides were elongated by use of standard H-phosphonate chemistry. The use of the synthesized platinated building block "Pt-T" leads to platinated oligonucleotides with a trans-[PtII(NH3)2Py(N3-T)]+ - modification. The synthesized oligonucleotides have been subjected to sequencing by the Sanger - method and it could be shown, that this modification blocks T7 DNA polymerase. Furthermore it could be shown, that the cleavage of the 5'-phosphodiester bond by snake venom phosphodiesterase due to these modification runs down clearly more slowly. In consequence of substitution of pyridine by 2,6-lutidine the reactivity of the trans - position of the platinum remains received. After oligonucleotide synthesis the platinum became crosslinked, thus trans-[PtII(NH3)2{d(TTTG)-N3-T(2),N7-G(4)}]+, a short oligonucleotide with intrastrand-crosslink, was synthesized. The enzymatic hydrolysis showed a high constancy facing the degradation with snake venom phosphodiesterase and alkaline phosphatase.

En raison de l’efficience des traitements, le taux de survie globale à 5 ans des patients avec un cancer gastrique (CG) est d’environ 15%. A l’heure actuelle, il n’existe pas de stratifications des patients permettant de prescrire un protocole de traitements efficace. Durant ma thèse, j’ai établi le rôle de HDAC4 dans la sensibilité des cellules de CG au Cisplatine. J’ai montré que cette réponse semble dépendre du type de CG (intestinal ou diffus) et du statut p53 des cellules cancéreuses. J’ai souligné l’intérêt de combiner un inhibiteur des HDACs (SAHA) avec les chimiothérapies à base de dérivés de platine (PDC : Cisplatine, Oxaliplatine) afin de promouvoir leurs effets cytotoxiques. De manière intéressante, j’ai observé que la réponse aux traitements combinés est différente suivant le statut p53 des cellules cancéreuses. Ces résultats permettent d’ouvrir de nouvelles perspectives dans l’utilisation des traitements combinés PDC + SAHA dans la thérapie du CG. En particulier, le facteur p53 qui est souvent muté dans les CG, pourrait être un marqueur thérapeutique pour un tel protocole de traitement. / Due to the efficiency of treatments, the 5-year overall survival rate for patients with gastric cancer (GC) is approximately 15%. Currently, there is no stratification of patients to prescribe an effective treatment protocol.During my thesis, I established the role of HDAC4 in the sensitivity of GC cells to Cisplatin. I have shown that this response seems to depend on the type of GC (intestinal or diffuse) and the p53 status of cancer cells. I emphasized the interest of combining an HDAC inhibitor (SAHA) with platinum derivative chemotherapies (PDC: Cisplatin, Oxaliplatin) to promote their cytotoxic effects. Interestingly, I observed that the response to combination treatments is different depending on the p53 status of the cancer cells.These results open new perspectives in the use of PDC + SAHA combination therapies in GC. The p53 factor that is often mutated in GC could be a therapeutic marker for a such treatment protocol.

Universiẗat, Diss., 2005--Düsseldorf.

Zugl.: Erlangen, Nürnberg, Univ., Diss., 2008

Techn. University, Diss., 2003--Berlin.

Techn. University, Diss., 2002--Berlin.

Techn. Hochsch., Diss., 2002--Aachen.