Regensburg, Univ., Diss., 2009.

Tübingen, Univ., Diss., 2005.

Zugl.: Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2008

Transportvorgänge in und von Zellen sind von herausragender Bedeutung für das Überleben des Organismus. Muskeln müssen sich kontrahieren können, Chromosomen während der Mitose an entgegengesetzte Enden der Zelle bewegt und Organellen, das sind von Membranen umschlossene Kompartimente, entlang molekularer Schienen transportiert werden. <br /> Molekulare Motoren sind Proteine, deren Hauptaufgabe es ist, andere Moleküle zu bewegen. Dazu wandeln sie die bei der ATP-Hydrolyse freiwerdende chemische Energie in mechanische Arbeit um. Die Motoren des Zellskeletts gehören zu den drei Superfamilien Myosin, Kinesin und Dynein. Ihre Schienen sind Filamente des Zellskeletts, Actin und die Microtubuli. <br /> In dieser Arbeit werden stochastische Modelle untersucht, welche dazu dienen, die Fortbewegung dieser linearen molekularen Motoren zu beschreiben. Die Skala, auf der wir die Bewegung betrachten, reicht von einzelnen Schritten eines Motorproteins bis in den Bereich der gerichteten Bewegung entlang eines Filaments. Ein Einzelschritt überbrückt je nach Protein etwa 10 nm und wird in ungefähr 10 ms zurückgelegt. Unsere Modelle umfassen M Zustände oder Konformationen, die der Motor annehmen kann, während er sich entlang einer eindimensionalen Schiene bewegt. An K Orten dieser Schiene sind Übergänge zwischen den Zuständen möglich. Die Geschwindigkeit des Proteins lässt sich in Abhängigkeit von den vertikalen Übergangsraten zwischen den einzelnen Zuständen analytisch bestimmen. Wir berechnen diese Geschwindigkeit für Systeme mit bis zu vier Zuständen und Orten und können weiterhin eine Reihe von Regeln ableiten, die uns einschätzen helfen, wie sich ein beliebiges vorgegebenes System verhalten wird. <br /> Darüber hinaus betrachten wir entkoppelte Subsysteme, also einen oder mehrere Zustände, die keine Verbindung zum übrigen System haben. Mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit kann ein Motor einen Zyklus von Konformationen durchlaufen, mit einer anderen Wahrscheinlichkeit einen davon unabhängigen anderen. <br /> Aktive Elemente werden in realen Transportvorgängen durch Motorproteine nicht auf die Übergänge zwischen den Zuständen beschränkt sein. In verzerrten Netzwerken oder ausgehend von der diskreten Mastergleichung des Systems können auch horizontale Raten spezifiziert werden und müssen weiterhin nicht mehr die Bedingungen der detaillierten Balance erfüllen. Damit ergeben sich eindeutige, komplette Pfade durch das jeweilige Netzwerk und Regeln für die Abhängigkeit des Gesamtstroms von allen Raten des Systems. Außerdem betrachten wir die zeitliche Entwicklung für vorgegebene Anfangsverteilungen. <br /> Bei Enzymreaktionen gibt es die Idee des Hauptpfades, dem diese bevorzugt folgen. Wir bestimmen optimale Pfade und den maximalen Fluss durch vorgegebene Netzwerke. <br /> Um darüber hinaus die Geschwindigkeit des Motors in Abhängigkeit von seinem Treibstoff ATP angeben zu können, betrachten wir mögliche Reaktionskinetiken, die den Zusammenhang zwischen den unbalancierten Übergangsraten und der ATP-Konzentration bestimmen. Je nach Typ der Reaktionskinetik und Anzahl unbalancierter Raten ergeben sich qualitativ unterschiedliche Verläufe der Geschwindigkeitskurven in Abhängigkeit von der ATP-Konzentration. <br /> Die molekularen Wechselwirkungspotentiale, die der Motor entlang seiner Schiene erfährt, sind unbekannt.Wir vergleichen unterschiedliche einfache Potentiale und die Auswirkungen auf die Transportkoeffizienten, die sich durch die Lokalisation der vertikalen Übergänge im Netzwerkmodell im Vergleich zu anderen Ansätzen ergeben. / Transport processes in and of cells are of major importance for the survival of the organism. Muscles have to be able to contract, chromosomes have to be moved to opposing ends of the cell during mitosis, and organelles, which are compartments enclosed by membranes, have to be transported along molecular tracks.<br /> Molecular motors are proteins whose main task is moving other molecules.For that purpose they transform the chemical energy released in the hydrolysis of ATP into mechanical work. The motors of the cytoskeleton belong to the three super families myosin, kinesin and dynein. Their tracks are filaments of the cytoskeleton, namely actin and the microtubuli. <br /> Here, we examine stochastic models which are used for describing the movements of these linear molecular motors. The scale of the movements comprises the regime of single steps of a motor protein up to the directed walk along a filament. A single step bridges around 10 nm, depending on the protein, and takes about 10 ms, if there is enough ATP available. Our models comprise M states or conformations the motor can attain during its movement along a one-dimensional track. At K locations along the track transitions between the states are possible. The velocity of the protein depending on the transition rates between the single states can be determined analytically. We calculate this velocity for systems of up to four states and locations and are able to derive a number of rules which are helpful in estimating the behaviour of an arbitrary given system.<br /> Beyond that we have a look at decoupled subsystems, i.e., one or a couple of states which have no connection to the remaining system. With a certain probability a motor undergoes a cycle of conformational changes, with another probability an independent other cycle. <br /> Active elements in real transport processes by molecular motors will not be limited to the transitions between the states. In distorted networks or starting from the discrete Master equation of the system, it is possible to specify horizontal rates, too, which furthermore no longer have to fulfill the conditions of detailed balance. Doing so, we obtain unique, complete paths through the respective network and rules for the dependence of the total current on all the rates of the system. Besides, we view the time evolutions for given initial distributions. <br /> In enzymatic reactions there is the idea of a main pathway these reactions follow preferably. We determine optimal paths and the maximal flow for given networks. <br /> In order to specify the dependence of the motor's velocity on its fuel ATP, we have a look at possible reaction kinetics determining the connection between unbalanced transitions rates and ATP-concentration. Depending on the type of reaction kinetics and the number of unbalanced rates, we obtain qualitatively different curves connecting the velocity to the ATP-concentration. <br /> The molecular interaction potentials the motor experiences on its way along its track are unknown. We compare different simple potentials and the effects the localization of the vertical rates in the network model has on the transport coefficients in comparison to other models.

Laterale Gentransfer wurde zuerst von Schwartz und Dayhoff (1978) entdeckt, die es aber als eine Exzentrizität werteten und als solche ignorierten. Später, als mehrere DNS- und Eiweißsequenzen sequenziert und raffiniertere Phylogenien rekonstruiert wurden, hat die Rolle an Relevanz gewonnen, die der laterale (oder horizontale) Gentransfer in der evolutionären Geschichte von lebendigen Organismen gespielt hat. Außerdem existiert auch zwischen Endosymbionten und Zellkernen statt. Ich habe ein theoretisches Modell entwickelt, das den lateralen Gentransfer zwischen Endosymbionten und dem Zellkern repräsentiert. Das Modell erforscht die Bedeutung des Fehlens von Rekombination in den Organellen (Muller’s Ratchet) sowie Abweichungen von Muller’s Ratchet in Form der non-symmetrical homologous recombination in Gentransfermechanismen. Ich habe zum einen Zellkern-Inkompatibilitäten, die aus der Übertragung eines Gens resultieren, und zum anderen Zyto- und Zellkern-Inkompatibilitäten zwischen den mutierten endosymbiotischen Genomen und dem modifizierten Zellenkern untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass unter bestimmten Bedingungen die Existenz oder Nicht-Existenz von Rekombination die gleiche Wirkung haben können. Es zeigte sich auch, dass Rekombination, wenn sie vorkommt und wenn sie nicht symmetrisch ist, starke Auswirkungen auf die Allelenfrequenz einer Population haben kann. Es wurde auch klar, dass es eine starke Beziehung zwischen dem Zellkern und endosymbiotischen Genomen gibt, und dass das evolutionäre Schicksal des einen größtenteils von den evolutionären Kräften abhängig ist, die das andere beeinflussen. Wenn man Zellkern- und Cyto-Zellkerninkompatibilitäten in das Modell einführt, dann zeigen die Ergebnisse, dass die Inkompatibilitäten, die der laterale Gentransfer produziert hat, möglicherweise eine ähnliche Rolle im Speziationsmechanismus spielen könnten wie die Inkompatibilitäten zwischen Mitochondrien und Zellkernen in verschiedenen Nasonia-Arten. / Lateral gene transfer has played a key role in the evolution of living beings. This process was first acknowledged in 1978 by Schwartz and Dayhoff but considered a relatively infrequent eccentricity and ignored. Later on, as DNA and protein sequences accumulated and more refined phylogenies were reconstructed, the contribution of lateral (or horizontal) gene transfer to the evolutionary history of living organisms gained relevance. Besides, gene transfer is known to occur not only between independent organisms but also, and more frequently between endosymbionts including eukaryotic organelles. I developed a theoretical model to study the lateral gene transfer process between cell organelles (but extendible to other endosymbionts) and the cell nucleus. The model explores the role of the lack of recombination in the organelles (Muller''s ratchet) as well as deviations from Muller''s ratchet in the form of non-symmetrical homologous recombination in relation with the gene transfer process. Also, nuclear incompatibilities resulting from the inclusion of a transferred gene, and cyto-nuclear incompatibilities between the mutant endosymbiotic genomes and the modified nuclear genome are investigated. The results obtained show that under certain circumstances the existence recombination or its non-existence produce the same results, and that deviations from symmetry in the recombination process might have important effects on the frequency of different alleles. It is also clear that there is a strong relation between nuclear and endosymbiotic genomes, and that the evolutionary fate of one largely depends on the forces affecting the other. When nuclear and cyto-nuclear incompatibilities are introduced in the model, the results show that lateral gene transfer-induced incompatibilities could potentially play a role in the speciation process similar to the one produced by mitochondria in the Nasonia species.

In the present thesis, fatigue behavior of nodular cast iron (NCI) is investigated using micromechanical simulations. An elastic-plastic porous material experiences an increase in a void volume fraction with each cycle of loading. This is called void ratchetting. The hypothesis of this thesis is to explain the fatigue failure of NCI using void ratchetting mechanism. The strain-life, stress-life, notch support effect, and fatigue crack growth are studied using the micromechanical simulations. In all these studies, matrix material is defined as an elastic-plastic with isotropic/kinematic hardening. No damage law is used to define material degradation. The axisymmetric cell model is developed to study strain-life and stress-life approaches for fatigue. The cell model is subjected to cyclic loading and cycle by cycle simulations are carried out until failure. The failure of the cell model is defined based on the drop in the macroscopic response of the cell model. The notch support effect is investigated using a 2D plane strain model within stress-life concept. From the simulation results, strain-life and stress-life curves are extracted, and they are in qualitative and quantitative agreement with experimental data collected from literature. The fatigue crack growth is studied using a micromechanical cell model under small scale yielding conditions. The graphite particles are considered as voids, and they are resolved discretely in fracture process zone. The region outside of the fracture process zone is considered as a homogenized medium. When positive alternating loads are applied, ligaments in the fracture process zone show ratchetting behavior, which is responsible for an effective fatigue crack growth. This mechanism is relevant for the fatigue crack growth in NCI. The 2D plane strain boundary layer model is able to predict the effect of load ratio on threshold for the fatigue crack growth and the fatigue crack growth rate. The fatigue crack growth rate curves obtained from the simulations are compared with experimental data. It is essential to note that the void ratchetting (plastic collapse of the intervoid ligaments) is a crucial mechanism in NCI and more focus should be given to this mechanism as it is simple to implement and gives satisfying simulation results.

Transportphänomene treten in biologischen und künstlichen Systemen auf allen Längenskalen auf. In dieser Arbeit untersuchen wir sie für verschiedene Systeme aus einer mesoskopischen Perspektive, in der Fluktuationen physikalischer Größen um ihre Mittelwerte eine wichtige Rolle spielen. Im ersten Teil untersuchen wir die persistente Bewegung aktiver Brownscher Teilchen mit zusätzlichem Drehmoment, wie sie z.B. für Spermien oder Janus Teilchen auftritt. Wird ihre Bewegung auf einen Tunnel variierender Breite beschränkt, so setzt im thermischen Nichtgleichgewicht Transport ein; ungerichtete Fluktuationen des rauschhaften Antriebs werden gleichgerichtet. Hierdurch wird ein neuer Ratschentyp realisiert. Im zweiten Teil untersuchen wir den intrazellulären Cargotransport in den Axonen von Nervenzellen mithilfe molekularer Motoren. Sie werden als asymmetrischer Ausschlussprozess simuliert. Zusätzlich können die Cargos zwischen benachbarten Motoren ausgetauscht werden. Dadurch lassen sich charakteristische Eigenschaften des langsamen axonalen Transports mit einer einzigen Motorspezies reproduzieren. Bewerkstelligt wird dies durch die transiente Anbindung der Cargos an rückwärtslaufende Motorstaus. Im dritten Teil diskutieren wir resistive switching, die nicht volatile Widerstandsänderung eines Dielektrikums durch elektrische Impulse. Es wird für Anwendungen im Computerspeicher ausgenutzt, dem resistive RAM. Wir schlagen ein auf Sauerstoffvakanzen basierendes stochastisches Gitterhüpfmodell vor. Wir definieren binäre logische Zustände mit Hilfe der zugrunde liegenden Vakanzenverteilung und definieren Schreibe- und Leseoperationen durch Spannungsimpulse für ein solches Speicherelement. Überlegungen über die Unterscheidbarkeit dieser Operationen unter Fluktuationen zusammen mit der Deutlichkeit der unterschiedlichen Widerstandszustände selbst ermöglichen es uns, eine optimale Vakanzenzahl vorherzusagen. / Transport phenomena occur in biological and artificial systems at all length scales. In this thesis, we investigate them for various systems from a mesoscopic perspective, in which fluctuations around their average properties play an important role. In the first part, we investigate the persistent diffusive motion of active Brownian particles with an additional torque. It can appear in many real life systems, for example in sperm cells or Janus particles. If their motion is confined to a tunnel of varying width, transport arises out of thermal equilibrium; unbiased fluctuations of the noisy drive are rectified. This way, we have realized a novel kind of ratchet. In the second part, we study intracellular cargo transport in the axons of nerve cells by molecular motors. They are modeled by an asymmetric exclusion process. In a new approach, we add a cargo exchange interaction between the motors. This way, the characteristics of slow axonal transport can be accounted for with a single motor species. It is explained by the transient attachment of cargos to reverse walking motors jams. In the third part, we discuss resistive switching, the non-volatile change of resistance in a dielectric due to electric pulses. It is exploited for applications in computer memory, the resistive random access memory (ReRAM). We propose a stochastic lattice hopping model based on the on oxygen vacancies. We define binary logical states by means of the underlying vacancy distributions, and establish a framework of writing and reading such a memory element with voltage pulses. Considerations about the discriminability of these operations under fluctuations together with the markedness of the resistive switching effect itself enable us to predict an optimal vacancy number.