Fettleibigkeit und Adipositas haben in den letzten Jahren weltweit drastisch zugenommen. Die Fettleibigkeit geht nicht nur mit einer verringerten Lebensqualität einher, sondern ist auch mit verschiedenen Folgeerkrankungen, wie kardiovaskulären Erkrankungen (z.B. Arteriosklerose) und metabolische Erkrankungen (z.B. Diabetes) assoziiert. Vorliegende Studien belegen einen Zusammenhang zwischen Diabetes und männlicher Infertilität. In der vorliegenden Arbeit wurden daher die Spermienmembran wie auch das Seminalplasma (SP) mittels matrix-assisted laser desorption and ionisation time-of-flight Massenspektrometrie (MALDI-TOF MS) analysiert, um mögliche Lipid-Biomarker für die Fertilität bzw. Infertilität zu finden. Dafür wurde zunächst die MALDI-TOF MS Methode mit relevanten Standardlipiden optimiert. Anschließend konnte sowohl das Phospholipidmuster des SP mit dem Spermien verglichen werden als auch die Spermienlipide von normalgewichtigen und fettleibigen Probanden. Durch diese Analyse konnte das Phosphatidylcholin/Lysophosphatidylcholin (PC/LPC)-Verhältnis, aber auch ein stark erhöhter Sphingomyelin (SM)-Anteil bei den fettleibigen Probanden als Qualitätsmarker gefunden werden. Des Weiteren wurden im Rahmen dieser Arbeit murine Spermien aus dem Caput und dem Cauda der Epididymis mittels MALDI-TOF MS analysiert und das Phospholipidmuster miteinander verglichen. Es konnte damit gezeigt werden, dass die murinen Spermien einen wesentlich höheren Anteil an Stearinsäureresten aufweisen, die humanen Spermien hingegen vor allem durch Palmitinsäurereste charakterisiert sind. In den Spermienmembranen aus dem Cauda und dem Caput gab es wesentliche Unterschiede im Phospholipidmuster. Spermienmembranen aus dem Caput besitzen einen hohen Anteil an PC und Phosphatidylethanolamin (PE). Die Spermienmembranen aus dem Cauda hingegen enthalten mehr SM, und auch einen höheren Anteil an LPCs und Formyl-LPC. Diese Arbeit konnte somit zeigen, dass die Reifungsprozesse in der Epididymis auch die Phospholipid-Zusammensetzung betreffen.

Hybride Mikroschwimmer, die einen biologischen Antrieb und eine künstlich hergestellte Mikrostruktur enthalten sind ein attraktiver Ansatz um kontrollierte Bewegung auf kleinstem Maßstab zu erreichen. In dieser Dissertation wird ein neuer hybrider Mikroschwimmer vorgestellt, der aus ferromagnetischen Nanomembranen besteht, die sich zu Mikroröhrchen aufrollen und in der Lage sind, einzelne Spermien einzufangen. Dieser Mikrobioroboter nutzt die starke Antriebskraft der Spermazelle um das magnetische Mikroröhrchen fortzubewegen. Die vorliegende Arbeit beschreibt, wie dieser Mikroschwimmer seine Bewegung vollzieht und wie verschiedene Faktoren wie Temperatur, Radius der Mikroröhrchen, Eindringtiefe der Spermien in das Röhrchen und Länge der Röhrchen einen Einfluss auf sein Verhalten haben. Richtungskontrolle wird durch externe magnetische Felder realisiert und es wird dargestellt, wie dies zur Trennung der Mikrobioroboter aus einer Mischung von Spermien und Mikroröhrchen genutzt werden kann. Weiterhin werden zwei Oberflächenmodifizierungsmethoden angewandt um die Kupplungseffizienz zwischen Mikroröhrchen und Spermien zu erhöhen. In diesen Methoden wird das extrazelluläre Protein Fibronektin auf die innere Röhrchenoberfläche aufgebracht und dient als Bindungsstoff für Spermien. Schließlich wird durch den Einbau temperatursensitiver Material in die Mikroröhrchen ein ferngesteuerter Freisetzungsmechanismus für die Spermazelle vorgestellt. Dabei falten sich die Mikroröhrchen bei kleinen Temperaturerhöhungen auf und setzen die Zelle frei. Diese Arbeit diskutiert letztendlich das Potential solch eines hybriden Mikroschwimmers für die Anwendung in assistierter Reproduktion. / The search for autonomously moving, highly functional and controllable microdevices is a purpose of current micro/nanobiotechnology research, especially in the area of biomedical applications, for which reason, biocompatible solutions are in demand. In this thesis, a novel type of hybrid microswimmer is fabricated by the combination of rolled up thin nanomembranes with bovine spermatozoa. The microbiorobot presented here uses the powerful motion of the sperm flagella as a propulsion source for the magnetic microtube. This work demonstrates how the microswimmer performs its motion and how several factors such as temperature, radius of the microtube, penetration of the cell inside the microtube and length of the tube have influence on its performance. Directional control mechanisms are offered by external magnetic fields and are presented to be useful for the on-chip separation of the microbiorobots from a mixture of cells and microtubes. Two surface modification methods are presented as means to improve the coupling efficiency between the microtubes and the sperm cells. By these surface functionalizations, the extracellular matrix protein fibronectin is attached on the inner microtube walls and serves as binding agent for the spermatozoa. Finally, a remote release mechanism for the sperm cells is demonstrated by the incorporation of thermoresponsive material into the microtubes, which makes them fold and unfold upon small temperature changes. This work discusses the potential of such microswimmers for the application in assisted reproduction techniques and gives an outlook on future perspectives.

Der Zander (Sander lucioperca) hat großes Potential für die Aquakultur in Europa. Die Verbreitung wird durch einen Mangel an Satzmaterial erschwert, welcher durch Variabilität der Gametenqualität verursacht wird. Im Gegensatz zu Effekten der ganzjährigen Reproduktion oder der Laicherfahrung, war besonders die Weibchengröße mit Variabilität der Eiqualität assoziiert. Sehr große Weibchen zeigten einen verringerten Reproduktionserfolg. Maternale Faktoren waren mit Aspekten der Eizusammensetzung (bes. Fettsäuren) verknüpft, welche wiederum mit Befruchtungsraten und Embryoüberleben korrelierten. Zusätzlich waren Trockengewicht, Cortisolgehalt und Größe der Eier mit der Fekundität und dem Entwicklungspotential der Eier verknüpft. Ein erheblicher Anteil der Variabilität in der Eientwicklung (47.1% Befruchtung; 58.2% 24 h, 47% 48 h, 43.9% 72 h Embryoüberleben; 46.6% Schlupf; 88.9% geschlüpfte Larven) konnte durch eine Kombination von maternalen Merkmalen und Eiparametern erklärt werden. Obwohl ein hoher Befruchtungserfolg (durchschnittlich 89.2%) verzeichnet wurde, gibt es Möglichkeiten um Befruchtungsprotokolle hinsichtlich der Handhabung männlicher Gameten beim Zander zu optimieren. Die Spermien verschiedener Männchen werden häufig vor der Befruchtung zusammengeführt (Pooling) oder kurz Zeit (Stunden) gelagert bis ovulierte Eier zur Verfügung stehen. Ein Verlust der Spermienqualität (Motilität, Geschwindigkeit) während kurzer Lagerung konnte durch Puffer oder die Zugabe von Melatonin bzw. Progesteron nicht verhindert werden. Die Transfusion von Seminalflüssigkeit zwischen Spermien mit niedriger und hoher Qualität resultierte in einer Abnahme bei Männchen mit anfänglich hoher Spermiengeschwindigkeit. Die Qualität von Spermien mit niedriger Qualität wurde nicht gesteigert. Diese Erkenntnisse liefern Empfehlungen für das Management von Brutbetrieben und zeigen Potential zur Optimierung von Reproduktionsprotokollen bezüglich der in vitro Befruchtung beim Zander auf. / The pikeperch (Sander lucioperca) has great potential for European aquaculture diversification, but the propagation is impeded by a shortage of stocking material caused by variability in gamete quality. Here, maternal size rather than out-of-season spawning or spawning experience was associated with variability in egg quality with very large females showing decreasing reproductive performance. Maternal factors were linked to the egg composition mainly in regard to fatty acid (FA) profiles, which in turn were correlated with rates of fertilization and embryo survival. In addition, egg size, dry weight and cortisol content were associated with fecundity and embryo survival until hatching. Consequently, a substantial variability in egg developmental performance could be explained (47.1% fertilization; 58.2% 24 h, 47% 48 h, 43.9% 72 h embryo survival; 46.6% hatching; 88.9% hatched larvae) by a combination of maternal traits and egg quality parameters. Despite the overall high fertilization observed here (89.2% on average), there is still potential for fine tuning of protocols for in vitro fertilization in pikeperch with regard to the management of male gametes. Sperm of different males is often pooled prior to fertilization or stored for short periods (hours) until ovulated eggs become available. A loss of sperm quality (motility, velocity) could not be prevented during short-term storage using sperm extenders and enhancement supplements (melatonin, progesterone). Transfusion of seminal fluid between low and high quality sperm to assess pooling effects resulted in a significant decrease in sperm with high initial velocity, whereas the velocity of low quality sperm could not be improved. These findings deliver valuable management advice for hatcheries and indicate potential for optimization in regard to in vitro reproduction protocols in pikeperch.

Sperm cells are guided to the egg by chemoattractants in many species. Sperm cells are propelled in a liquid by the regular beat of their flagellum. In the presence of a concentration gradient of a chemoattractant, they can steer upwards the concentration gradient, a process called chemotaxis. Eggs release chemoattractants to guide the sperm cells to the egg. Sperm chemotaxis is best studied experimentally in the sea urchin. There, specific receptors in the flagellar membrane of the sperm cells are activated upon binding of chemoattractant molecules and trigger a signaling cascade which ultimately changes the activity of the molecular motors which drive the flagellar beat and result in a swimming response. Sea urchin sperm cells swim along circular and helical paths. Sperm cells of the sea urchin and several other species swim along helical paths far from boundary surfaces in the absence of chemoattractant. In a two-dimensional experimental geometry, sperm swimming paths are planar circles. The non-zero curvature of their swimming paths is a direct consequence of an asymmetry of their flagellar beat. In a concentration gradient of chemoattractant, sperm swimming path are drifting circles in two dimensions and bend helices in three dimensions. What is the working mechanism of sperm chemotaxis? In this thesis, we develop a theoretical description of sperm chemotaxis which can be subsumed as follows: While swimming along an approximately circular path in a concentration gradient a sperm cell traces a periodic concentration stimulus from the concentration field that has the frequency of circular swimming. The chemotactic signaling system processes this stimulus and causes a periodic modulation of the curvature of the swimming path which then gives rise to a swimming path which is a drifting circle. The relative direction of the drift with respect to the gradient direction is determined by the phase shift between the stimulus and the curvature oscillations. This picture is in perfect agreement with recent experimental findings. The mechanism is more general and also works in three dimensions for swimming along helical paths. Our results. Our theoretical description of sperm chemotaxis clarifies the concepts underlying sperm chemotaxis. In particular, we derive the role of internal timing of the chemotactic signaling system for sperm chemotaxis. We conclude that sampling a concentration field along circular and helical paths is a robust strategy for chemotaxis that does not require fine-tuning of parameters and which works reliable also in the presence of fluctuations. In a last chapter of this thesis, we discuss sperm chemotaxis in the more general context of an abstract search problem.

Cilien und eukariotische Flagellen sind lange, dünne Fortsaetze von Zellen. Sie enthalten eine Struktur namens Axonem. Die wesentlichen Komponenten des Axonems sind die Filamente und Motorproteine namens Mikrotubuli und Dynein. Die Motoren forcieren die Filamente, sich in oszillierender Weise gegeneinander zu verschieben, was zu einem Schlagmuster entlang des Axonemes fuehrt. Wie diese Motoren koordiniert werden und wie dieses Phaenomen quantitativ beschrieben werden kann, ist nicht verstanden. Wir studierten die Wellenformen an Spermienschwaenzen, welche ein solches Axonem enthalten, unter verschiedenen Bedingungen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera. Wir entwickelten eine automatisierte Bildanalyse-Software, die es erlaubt, lange Zeitreihen solcher Wellenformen von Filmen zu extrahieren. In einer anschließenden Fourieranalyse erzielten wir eine gemittelte Wellenform mit erhoehter Präzision. Ein Vergleich von unseren Daten mit den Vorhersagen einer Theorie (Camalet, Julicher et al. 1999) führte zu einer Diskrepanz. Entsprechend schlugen wir eine Erweiterung der Theorie vor, indem wir annahmen, daß an der Basis des Axonems ein viskos-elastisches Element existiert. Dies führte zu einer zufrieden stellenden Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment. Abschließend diskutieren wir offene Fragen und zukünftige Experimente. Als ein Nebenprodukt entdeckten wir ein neues Phaenomen, bei welchem Spermien Anordnungen von dynamischen Strudeln (Vortices) bilden. Wir beschrieben dieses Phaenomen im Detail und führten einen neuen Ordnungsparameter ein, mit dem die Ordnung zwischen vielen Objekten quantifiziert werden kann. Mittels dieses Ordnungsparameters konnten wir zeigen, daß dieses Muster sich erst ab einer kritischen Dichte herausbildet. Wir schlugen ein Model vor, um den Ursprung des Musters zu erklären. Die Simulation des Models zeigte volle Uebereinstimmung mit den wesentlichen Eigenschaften dieses Musters. Weiterhin schaetzten wir die typische Wechselwirkungskraft zwischen aktiven Axonemen mit 0.1 pN ab. Abschließend ziehen wir Schlußfolgerungen über die kollektive Wirkung von Axonemen im Allgemeinen mit Hinblick auf Spermienkooperation und metachronale Cilienwellen. - Die Druckexemplare enthalten jeweils eine CD-ROM als Anlagenteil: QuickTimeMovies (ca. 65 MB) Nutzung: PLAY32 - Übersicht über Inhalte siehe Dissertation S. 108 - 109 / Cilia and eukaryotic flagella are long, thin extensions of cells that contain a structure known as axoneme. The key components of the axoneme are microtubule filaments and the motor proteins dynein. These dynein motors force the microtubules to slide in an oscillatory fashion leading to a wave pattern along the axoneme. How these motors are coordinated and how this phenomenon can be described quantitatively is not understood. I therefore studied the waveforms of sperm tails that contain such an axoneme. I observed these waveforms under different conditions with a high-speed camera and developed an automated image analysis tool allowing the extraction of long time series of this waveform. In a subsequent Fourier analysis I increased the precision by obtaining an averaged waveform. I then compared the data to the predictions of a theoretical framework (Camalet, Julicher et al. 1999) and found that they do not agree. I suggested extending this theoretical framework by considering a visco-elastic element at the base of the axoneme, which leads to a satisfactory agreement. This project leaves open questions hence further work is discussed. As a side finding, I discovered a new phenomenon on how spermatozoa form dynamic vortex arrays. I described this pattern in detail and introduced a novel order parameter to quantify the order among many particles. I showed that the array only forms above a critical sperm density. I suggested a model to explain the origin of the pattern and showed by simulation that the model can account for the main features of the pattern. Finally I estimated the typical interaction force between beating axonemes to be 0.1 pN and drew conclusions about their collective action in general that might be relevant for sperm cooperation or metachronal waves of cilia.

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Fettleibigkeit und Adipositas haben in den letzten Jahren weltweit drastisch zugenommen. Die Fettleibigkeit geht nicht nur mit einer verringerten Lebensqualität einher, sondern ist auch mit verschiedenen Folgeerkrankungen, wie kardiovaskulären Erkrankungen (z.B. Arteriosklerose) und metabolische Erkrankungen (z.B. Diabetes) assoziiert. Vorliegende Studien belegen einen Zusammenhang zwischen Diabetes und männlicher Infertilität. In der vorliegenden Arbeit wurden daher die Spermienmembran wie auch das Seminalplasma (SP) mittels matrix-assisted laser desorption and ionisation time-of-flight Massenspektrometrie (MALDI-TOF MS) analysiert, um mögliche Lipid-Biomarker für die Fertilität bzw. Infertilität zu finden. Dafür wurde zunächst die MALDI-TOF MS Methode mit relevanten Standardlipiden optimiert. Anschließend konnte sowohl das Phospholipidmuster des SP mit dem Spermien verglichen werden als auch die Spermienlipide von normalgewichtigen und fettleibigen Probanden. Durch diese Analyse konnte das Phosphatidylcholin/Lysophosphatidylcholin (PC/LPC)-Verhältnis, aber auch ein stark erhöhter Sphingomyelin (SM)-Anteil bei den fettleibigen Probanden als Qualitätsmarker gefunden werden. Des Weiteren wurden im Rahmen dieser Arbeit murine Spermien aus dem Caput und dem Cauda der Epididymis mittels MALDI-TOF MS analysiert und das Phospholipidmuster miteinander verglichen. Es konnte damit gezeigt werden, dass die murinen Spermien einen wesentlich höheren Anteil an Stearinsäureresten aufweisen, die humanen Spermien hingegen vor allem durch Palmitinsäurereste charakterisiert sind. In den Spermienmembranen aus dem Cauda und dem Caput gab es wesentliche Unterschiede im Phospholipidmuster. Spermienmembranen aus dem Caput besitzen einen hohen Anteil an PC und Phosphatidylethanolamin (PE). Die Spermienmembranen aus dem Cauda hingegen enthalten mehr SM, und auch einen höheren Anteil an LPCs und Formyl-LPC. Diese Arbeit konnte somit zeigen, dass die Reifungsprozesse in der Epididymis auch die Phospholipid-Zusammensetzung betreffen.

Hybride Mikroschwimmer, die einen biologischen Antrieb und eine künstlich hergestellte Mikrostruktur enthalten sind ein attraktiver Ansatz um kontrollierte Bewegung auf kleinstem Maßstab zu erreichen. In dieser Dissertation wird ein neuer hybrider Mikroschwimmer vorgestellt, der aus ferromagnetischen Nanomembranen besteht, die sich zu Mikroröhrchen aufrollen und in der Lage sind, einzelne Spermien einzufangen. Dieser Mikrobioroboter nutzt die starke Antriebskraft der Spermazelle um das magnetische Mikroröhrchen fortzubewegen. Die vorliegende Arbeit beschreibt, wie dieser Mikroschwimmer seine Bewegung vollzieht und wie verschiedene Faktoren wie Temperatur, Radius der Mikroröhrchen, Eindringtiefe der Spermien in das Röhrchen und Länge der Röhrchen einen Einfluss auf sein Verhalten haben. Richtungskontrolle wird durch externe magnetische Felder realisiert und es wird dargestellt, wie dies zur Trennung der Mikrobioroboter aus einer Mischung von Spermien und Mikroröhrchen genutzt werden kann. Weiterhin werden zwei Oberflächenmodifizierungsmethoden angewandt um die Kupplungseffizienz zwischen Mikroröhrchen und Spermien zu erhöhen. In diesen Methoden wird das extrazelluläre Protein Fibronektin auf die innere Röhrchenoberfläche aufgebracht und dient als Bindungsstoff für Spermien. Schließlich wird durch den Einbau temperatursensitiver Material in die Mikroröhrchen ein ferngesteuerter Freisetzungsmechanismus für die Spermazelle vorgestellt. Dabei falten sich die Mikroröhrchen bei kleinen Temperaturerhöhungen auf und setzen die Zelle frei. Diese Arbeit diskutiert letztendlich das Potential solch eines hybriden Mikroschwimmers für die Anwendung in assistierter Reproduktion.:TABLE OF CONTENTS SELBSTSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG 0 ABSTRACT 1 TABLE OF CONTENTS 3 1 MOTIVATION AND GOALS 5 1.1 MINIATURIZATION: “THERE IS PLENTY OF ROOM AT THE BOTTOM…” 5 1.2 SPERMBOTS: POTENTIAL IMPACT 7 2 BACKGROUND AND STATE-OF-THE-ART 11 2.1 MICROBIOROBOTICS 11 2.2 SPERM MORPHOLOGY AND THEIR JOURNEY TO THE EGG 15 2.3 INFERTILITY AND ASSISTED REPRODUCTION TECHNIQUES 19 2.4 SINGLE CELL RELEASE 22 2.5 STIMULI-RESPONSIVE MATERIALS 25 3 MATERIAL AND METHODS 29 3.1 ROLLED UP TECHNOLOGY 29 3.2 TREATMENT OF BOVINE SPERMATOZOA 32 3.2.1 Preparation of Spermbots 32 3.2.2 Speed Measurements 33 3.2.3 Separation On Chip 33 3.3 SURFACE MODIFICATION OF MICROTUBES 34 3.3.1 Surface Chemistry 35 3.3.2 Microcontact printing 39 3.4 POLYMER TUBE FABRICATION 44 3.4.1 Synthesis of photosensitive monomer 4-Acryloylbenzophenone 44 3.4.2 Synthesis of poly (N-isopropylacrylamide-co-Acryloylbenzophenone) 46 3.4.3 Photolithography of polymeric films 48 3.5 VIABILITY TESTS 51 4 RESULTS AND DISCUSSION 53 4.1 CHARACTERIZATION OF SPERMBOTS 55 4.2 TEMPERATURE INFLUENCE 60 4.3 MAGNETIC CONTROL 62 4.4 SEPARATION ON CHIP 68 4.5 EFFECT OF DECREASED MICROTUBE LENGTH 72 4.6 COUPLING EFFICIENCY 74 4.7 THERMORESPONSIVE POLYMERIC MICROTUBES FOR CELL RELEASE 80 4.8 SPERM VIABILITY TESTS 94 5 SUMMARY AND CONCLUSIONS 97 6 OUTLOOK 101 7 LIST OF FIGURES 107 8 LIST OF TABLES 113 9 ABBREVIATIONS 115 10 CURRICULUM VITAE 117 11 LIST OF PUBLICATIONS 119 JOURNAL ARTICLES 119 CONTRIBUTIONS TO COLLECTED EDITIONS/PROCEEDINGS 121 12 ACKNOWLEDGEMENTS 123 13 REFERENCES 125 / The search for autonomously moving, highly functional and controllable microdevices is a purpose of current micro/nanobiotechnology research, especially in the area of biomedical applications, for which reason, biocompatible solutions are in demand. In this thesis, a novel type of hybrid microswimmer is fabricated by the combination of rolled up thin nanomembranes with bovine spermatozoa. The microbiorobot presented here uses the powerful motion of the sperm flagella as a propulsion source for the magnetic microtube. This work demonstrates how the microswimmer performs its motion and how several factors such as temperature, radius of the microtube, penetration of the cell inside the microtube and length of the tube have influence on its performance. Directional control mechanisms are offered by external magnetic fields and are presented to be useful for the on-chip separation of the microbiorobots from a mixture of cells and microtubes. Two surface modification methods are presented as means to improve the coupling efficiency between the microtubes and the sperm cells. By these surface functionalizations, the extracellular matrix protein fibronectin is attached on the inner microtube walls and serves as binding agent for the spermatozoa. Finally, a remote release mechanism for the sperm cells is demonstrated by the incorporation of thermoresponsive material into the microtubes, which makes them fold and unfold upon small temperature changes. This work discusses the potential of such microswimmers for the application in assisted reproduction techniques and gives an outlook on future perspectives.:TABLE OF CONTENTS SELBSTSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG 0 ABSTRACT 1 TABLE OF CONTENTS 3 1 MOTIVATION AND GOALS 5 1.1 MINIATURIZATION: “THERE IS PLENTY OF ROOM AT THE BOTTOM…” 5 1.2 SPERMBOTS: POTENTIAL IMPACT 7 2 BACKGROUND AND STATE-OF-THE-ART 11 2.1 MICROBIOROBOTICS 11 2.2 SPERM MORPHOLOGY AND THEIR JOURNEY TO THE EGG 15 2.3 INFERTILITY AND ASSISTED REPRODUCTION TECHNIQUES 19 2.4 SINGLE CELL RELEASE 22 2.5 STIMULI-RESPONSIVE MATERIALS 25 3 MATERIAL AND METHODS 29 3.1 ROLLED UP TECHNOLOGY 29 3.2 TREATMENT OF BOVINE SPERMATOZOA 32 3.2.1 Preparation of Spermbots 32 3.2.2 Speed Measurements 33 3.2.3 Separation On Chip 33 3.3 SURFACE MODIFICATION OF MICROTUBES 34 3.3.1 Surface Chemistry 35 3.3.2 Microcontact printing 39 3.4 POLYMER TUBE FABRICATION 44 3.4.1 Synthesis of photosensitive monomer 4-Acryloylbenzophenone 44 3.4.2 Synthesis of poly (N-isopropylacrylamide-co-Acryloylbenzophenone) 46 3.4.3 Photolithography of polymeric films 48 3.5 VIABILITY TESTS 51 4 RESULTS AND DISCUSSION 53 4.1 CHARACTERIZATION OF SPERMBOTS 55 4.2 TEMPERATURE INFLUENCE 60 4.3 MAGNETIC CONTROL 62 4.4 SEPARATION ON CHIP 68 4.5 EFFECT OF DECREASED MICROTUBE LENGTH 72 4.6 COUPLING EFFICIENCY 74 4.7 THERMORESPONSIVE POLYMERIC MICROTUBES FOR CELL RELEASE 80 4.8 SPERM VIABILITY TESTS 94 5 SUMMARY AND CONCLUSIONS 97 6 OUTLOOK 101 7 LIST OF FIGURES 107 8 LIST OF TABLES 113 9 ABBREVIATIONS 115 10 CURRICULUM VITAE 117 11 LIST OF PUBLICATIONS 119 JOURNAL ARTICLES 119 CONTRIBUTIONS TO COLLECTED EDITIONS/PROCEEDINGS 121 12 ACKNOWLEDGEMENTS 123 13 REFERENCES 125

Sperm cells are guided to the egg by chemoattractants in many species. Sperm cells are propelled in a liquid by the regular beat of their flagellum. In the presence of a concentration gradient of a chemoattractant, they can steer upwards the concentration gradient, a process called chemotaxis. Eggs release chemoattractants to guide the sperm cells to the egg. Sperm chemotaxis is best studied experimentally in the sea urchin. There, specific receptors in the flagellar membrane of the sperm cells are activated upon binding of chemoattractant molecules and trigger a signaling cascade which ultimately changes the activity of the molecular motors which drive the flagellar beat and result in a swimming response. Sea urchin sperm cells swim along circular and helical paths. Sperm cells of the sea urchin and several other species swim along helical paths far from boundary surfaces in the absence of chemoattractant. In a two-dimensional experimental geometry, sperm swimming paths are planar circles. The non-zero curvature of their swimming paths is a direct consequence of an asymmetry of their flagellar beat. In a concentration gradient of chemoattractant, sperm swimming path are drifting circles in two dimensions and bend helices in three dimensions. What is the working mechanism of sperm chemotaxis? In this thesis, we develop a theoretical description of sperm chemotaxis which can be subsumed as follows: While swimming along an approximately circular path in a concentration gradient a sperm cell traces a periodic concentration stimulus from the concentration field that has the frequency of circular swimming. The chemotactic signaling system processes this stimulus and causes a periodic modulation of the curvature of the swimming path which then gives rise to a swimming path which is a drifting circle. The relative direction of the drift with respect to the gradient direction is determined by the phase shift between the stimulus and the curvature oscillations. This picture is in perfect agreement with recent experimental findings. The mechanism is more general and also works in three dimensions for swimming along helical paths. Our results. Our theoretical description of sperm chemotaxis clarifies the concepts underlying sperm chemotaxis. In particular, we derive the role of internal timing of the chemotactic signaling system for sperm chemotaxis. We conclude that sampling a concentration field along circular and helical paths is a robust strategy for chemotaxis that does not require fine-tuning of parameters and which works reliable also in the presence of fluctuations. In a last chapter of this thesis, we discuss sperm chemotaxis in the more general context of an abstract search problem.

Die Polychaetenfamilie Syllidae ist mit über 600 Arten das größte Taxon innerhalb der Phyllodocida. Die Syllidae werden traditionell in vier Unterfamilien eingeteilt: Autolytinae, Exogoninae, Eusyllinae und Syllinae. Obwohl diese Einteilung umstritten ist, hat sie bis heute ihre Gültigkeit. Als die zum Grundmuster der Syllidae gehörigen Segmentalorgane werden Metanephridien angesehen. Neuere Untersuchungen konnten jedoch auch stark reduzierte Metanephridien und Protonephridien als Segmentalorgane in diesem Polychaetentaxon nachweisen. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden die Segmentalorgane der Syllidae ultrastrukturell untersucht, um Hinweise auf die Verwandtschaftsverhältnisse der vier Unterfamilien zu erhalten, und um eine sekundäre Entstehung von Protonephridien aus Metanephriden innerhalb der Syllidae nachzuweisen. Für weitere Rückschlüsse auf die Verwandtschaftsverhältnisse innerhalb der Syllidae wurden neben den Segmentalorganen auch Spermien und Brutpflegestrukturen ultrastrukturell bearbeitet. Die Untersuchungen wurden weiterhin für eine Bewertung der systematischen Stellung innerhalb der Phyllodocida genutzt. Insgesamt wurden 21 Segmentalorgane von 18 Taxa der Syllidae und einer Sphaerodoriden-Art untersucht. Spermien und Spermiogenesestadien von fünf Sylliden und die Eianheftungsstrukturen von 11 Syllidentaxa wurden bearbeitet. Mit den in dieser Arbeit präsentierten Daten konnte die sekundäre Entstehung von Protonephridien nachgewiesen werden. Weiterhin wurden wichtige Hinweise für die Verwandtschaftverhältnisse der vier Subtaxa innerhalb der Syllidae geliefert und erstmalig die dorsalen Anheftungsstrukturen brutpflegender Exogoninae detailliert untersucht.