Statistical and scientific computing applications exhibit characteristics that are fundamentally different from classical database system application domains. The CROSS-DB data model presented in this paper is optimized for use in such applications by providing advanced data modelling methods and application-oriented query facilities, thus providing a framework for optimized data management procedures. CROSS-DB (which stands for Classification-oriented, Redundancy-based Optimization of Statistical and Scientific DataBases) is based on a multidimensional data view. The model differs from other approaches by o~ering two complementary rnechanisrnsfor structuring qualifying information, classification and feature description. Using these mechanisms results in a normalized, low-dimensional database schema which ensures both, modelling uniqueness and understandability while providing enhanced modelling flexibility.

Die Versorgungssituation in der Hebammenhilfe ist sowohl bundesweit als auch in Sachsen seit mehreren Jahren Gegenstand öffentlicher Diskussionen. Inwiefern in Sachsen ein flächendeckender Versorgungsmangel in der Hebammenhilfe besteht, konnte bislang nicht zuverlässig beurteilt werden. Aus diesem Grund hat das Sächsische Staatsministerium für Soziales und Verbraucherschutz (SMS) eine Studie in Auftrag gegeben, um die erforderlichen Daten- und Informationsgrundlagen für eine objektive Einschätzung der Hebammenversorgung in Sachsen zu erhalten. Redaktionsschluss: 01.04.2019

Die Blockgletscher der trockenen Anden sind weitverbreitete Oberflächenformen sowie bedeutende Bodeneisvorkommen. In der vorliegenden Arbeit werden statistische Modellierungen und geomorphologische Kartierungen durchgeführt, um die Verbreitung dieser Formen in den Anden von Zentralchile (27-36° s.Br.) in ihrem Bezug zu Klima und Topographie zu quantifizieren und analysieren. Eine stichprobenbasierte statistische Erhebung und eine logistische Regressionsmodellierung wurden durchgeführt, um in den Anden von Santiago (33-34,5° s.Br.) Verbreitungsmuster quantitativ zu schätzen und die geomorphologische Nische von Blockgletschern unter Verwendung von digitalen Geländemodellen zu charakterisieren. Das in Blockgletschern der Anden von Santiago gespeicherte Wasseräquivalent von 0,7-1,1 km³ je 1000 km² Gebirgsfläche ist um eine Größenordnung größer als in den Schweizer Alpen. Mindestens ein Fünftel der Hochgebirgsfläche der Anden von Santiago wird durch Blockgletscher hindurch entwässert. Dies unterstreicht die Bedeutung von Blockgletschern im andinen hydrologischen System und Schutttransportsystem. Die optimale Blockgletschernische der Anden von Santiago besitzt ein konvergierendes Einzugsgebiet von etwa 0,5-1 km² Fläche sowie rezente mittlere Jahrestemperaturen von +1 bis -1°C in 3500-3800 m Höhe. Unter günstigen morphographischen und topoklimatischen Bedingungen reichen intakte Blockgletscher bis 3000 m Höhe hinab. Das überregionale Verbreitungsmuster wird gesteuert durch Niederschlag, Vergletscherung, Topographie und Vulkanismus. Diese Faktoren wirken in Kombination auch an der nördlichen und südlichen Verbreitungsgrenze der Blockgletscher des Winterregengebiets bei 27° bzw. 35° s.Br. Die Verwendung der Blockgletscher-Sedimentbilanzen zur Abschätzung von holozänen Denudationsraten sowie von Blockgletschern als Permafrostindikatoren vermittelt weitere Einblicke in die Umweltverhältnisse der zentralchilenischen Anden. / Rock glaciers are ubiquitous landforms in the dry Andes, and significant, but unheralded stores of frozen water. In this study, statistical modelling techniques and geomorphological mapping are applied to quantify and analyze the distribution of rock glaciers in the Andes of Central Chile (27-35°S) as related to climate and topography. A statistical sample survey and a logistic regression model were designed to quantitatively estimate distribution patterns and characterize the geomorphological niche of rock glaciers in the Andes of Santiago (33-34.5°S) based upon digital elevation models. The amount of water stored within rock glaciers of the Andes of Santiago per unit area is by one order of magnitude higher than in the Swiss Alps, reaching an average 0.7-1.1 km³ of water equivalent per 1000 km² in the Andes. At least one fifth of the high-mountain area of the Andes of Santiago drains through intact rock glaciers. This underlines the importance of rock glaciers within the Andean hydrological and debris-transport system. The optimal rock glacier niche in the Andes of Santiago has a convergent contributing area of 0.5-1 km² and modern mean annual air temperatures of +1 to -1°C, corresponding to 3500-3800 m a.s.l. Intact rock glaciers reach down to 3000 m a.s.l. under favorable topographic and topoclimatic conditions. The supra-regional distribution pattern is influenced by precipitation, glaciation, topography and volcanism. These act as combined controls at the northern (27°S) and southern (35°S) limit of rock glacier occurrence in the Chilean area of winter precipitation. Rock glacier sediment budgets revealing Holocene denudation rates, and the use of rock glaciers as permafrost indicators give further insight into the periglacial environment of the Andes of Central Chile.

Diese Arbeit zielt darauf ab, die raumzeitlichen Regelmäßigkeiten an Übergängen aufzudecken, die in saisonalen Klima- und Ingenieursystemen beobachtet werden, indem moderne Methoden der komplexen Systemwissenschaft verwendet werden. Das erste System ist der indische Sommermonsun - eine Regenzeit, deren jährliche Schwankungen das Leben und den Wohlstand von mehr als einer Milliarde Menschen auf dem indischen Subkontinent beeinflussen und die Wirtschaft des von der Landwirtschaft abhängigen Landes stark beeinträchtigen. Insbesondere die Kenntnis des zeitlichen Ablaufs des Übergangs vom Vormonsun zum Monsun ist für die Planung landwirtschaftlicher Aktivitäten dringend erforderlich. Die Vorhersage des Monsunzeitpunkts über dem indischen Kontinent bleibt jedoch eine große wissenschaftliche Herausforderung. Das zweite ist ein Verbrennungssystem, das anfällig für ein katastrophales Phänomen namens thermoakustische Instabilität ist, das verhindert, dass das Verbrennungssystem unter klimafreundlichen Bedingungen betrieben wird. Eine solche Brennkammer ist typisch für Energie- und Antriebssysteme wie Gasturbinentriebwerke, Boiler und Raketen. Zu verstehen, wann der Übergang zur thermoakustischen Instabilität auftritt und wie dieser Übergang unterdrückt werden kann, sind Schlüsselfragen für die Entwicklung klimafreundlicher Motoren. Diese Dissertation liefert ein neues Verständnis des indischen Sommermonsuns und der thermoakustischen Instabilität durch auf statistischer Physik basierende Ansätze, die verborgene Merkmale in diesen Systemen nahe ihren jeweiligen Übergängen aufdecken. / This thesis aims to reveal the spatiotemporal regularities at transitions observed in seasonal climate and engineering systems by utilizing modern methods of complex systems science. The first system is the Indian Summer Monsoon - a rainy season whose yearly variability affects the life and prosperity of more than a billion people in the Indian subcontinent and strongly impacts the economy of the agriculture-dependent country. In particular, knowledge of the timing of the transition from pre-monsoon to monsoon is greatly needed for the planning of agriculture activities. However, the prediction of monsoon timing over the Indian continent remains a significant scientific challenge. The second is a combustion system prone to a catastrophic phenomenon called thermoacoustic instability, which prevents the combustion system from being operated in climate-friendly conditions. Such a combustor is typical in power and propulsion systems such as gas turbine engines, boilers, and rockets. Understanding when the transition to thermoacoustic instability occurs and how to suppress this transition are key questions for developing climate-friendly engines. This thesis provides a new understanding of the Indian Summer Monsoon and thermoacoustic instability through statistical physics-based approaches that reveal hidden features in these systems near their respective transitions.

Die große Menge an Datensätzen, die in den letzten Jahren verfügbar wurden, hat es ermöglicht, sowohl menschlich-getriebene als auch biologische komplexe Systeme in einem beispiellosen Ausmaß empirisch zu untersuchen. Parallel dazu ist die Vorhersage und Kontrolle epidemischer Ausbrüche für Fragen der öffentlichen Gesundheit sehr wichtig geworden. In dieser Arbeit untersuchen wir einige wichtige Aspekte von Diffusionsphänomenen und Ausbreitungsprozeßen auf Netzwerken. Wir untersuchen drei verschiedene Probleme im Zusammenhang mit Ausbreitungsprozeßen im überkritischen Regime. Zunächst untersuchen wir die Reaktionsdiffusion auf Ensembles zufälliger Netzwerke, die durch die beobachteten Levy-Flugeigenschaften der menschlichen Mobilität charakterisiert sind. Das zweite Problem ist die Schätzung der Ankunftszeiten globaler Pandemien. Zu diesem Zweck leiten wir geeignete verborgene Geometrien netzgetriebener Streuprozeße, unter Nutzung der Random-Walk-Theorie, her und identifizieren diese. Durch die Definition von effective distances wird das Problem komplexer raumzeitlicher Muster auf einfache, homogene Wellenausbreitungsmuster reduziert. Drittens führen wir durch die Einbettung von Knoten in den verborgenen Raum, der durch effective distances im Netzwerk definiert ist, eine neuartige Netzwerkzentralität ein, die ViralRank genannt wird und quantifiziert, wie nahe ein Knoten, im Durchschnitt, den anderen Knoten im Netzwerk ist. Diese drei Studien bilden einen einheitlichen Rahmen zur Charakterisierung von Diffusions- und Ausbreitungsprozeßen, die sich auf komplexen Netzwerken allgemein abzeichnen, und bieten neue Ansätze für herausfordernde theoretische Probleme, die für die Bewertung künftiger Modelle verwendet werden können. / The large amount of datasets that became available in recent years has made it possible to empirically study humanly-driven, as well as biological complex systems to an unprecedented extent. In parallel, the prediction and control of epidemic outbreaks have become very important for public health issues. In this thesis, we investigate some important aspects of diffusion phenomena and spreading processes unfolding on networks. We study three different problems related to spreading processes in the supercritical regime. First, we study reaction-diffusion on ensembles of random networks characterized by the observed Levy-flight properties of human mobility. The second problem is the estimation of the arrival times of global pandemics. To this end, we derive and identify suitable hidden geometries of network-driven spreading processes, leveraging on random-walk theory. Through the definition of network effective distances, the problem of complex spatiotemporal patterns is reduced to simple, homogeneous wave propagation patterns. Third, by embedding nodes in the hidden space defined by network effective distances, we introduce a novel network centrality, called ViralRank, which quantifies how close a node is, on average, to the other nodes. These three studies constitute a unified framework to characterize diffusion and spreading processes unfolding on complex networks in very general settings, and provide new approaches to challenging theoretical problems that can be used to benchmark future models.

Ziel dieser Arbeit ist die Analyse zweier physikalischer Prozesse, die stattfinden wenn ein festes polymeres Medium in Kontakt mit einer Gas-Atmosphäre kommt: 1) ein Sorptionsprozess, d.h. die Gasmoleküle dringen in den Feststoff ein und 2) ein Diffusionsprozess, d.h. die Gasmoleküle bewegen sich danach innerhalb des Feststoffes. Der Sorptionsprozess wird als Model analysiert, das in engem Zusammenhang mit dem Dual Mode Model steht. Wir gewinnen die Abhängigkeit der Konzentration vom Druck der Gasphase, die, wie im Gas-Polymer-Matrix model vorhergesagt, durch eine Lambertsche W-Funktion ausgedrückt werden kann und dadurch von der Vorhersage des Dual Sorption Mode Models abweicht. Die Lambertsche Funktion stellt einen universelle Verhalt dar. Ein Fitting von realen Daten zeigt, dass die Lambert-Funktion die Daten gleichermaßen gut modelliert. Das Diffusionsproblem wird mittels eines Gitter-Modells mit zufälligen Knotenenergien und Übergangsraten analysiert. Die Analogie zwischen dem effektiven Diffusionskoeffizienten und der makroskopischen Leitfähigkeit eines zufälligen Widerstandsnetzwerks ermöglicht es, mögliche Quellen für anomale Diffusion in einer solchen Umgebung zu finden. Die Eigenschaften der effektiven Diffusionskonstanten werden diskutiert. Das System wird durch Teilchendiffusion auf einem Ternär-Gitter modelliert, wo die Gitterplätze blockiert werden, die von Polymerteilen besetzt sind. In Abwesenheit von Wechselwirkungen zeigt der Diffusionskoeffizient nur eine schwache Abhängigkeit von der Polymerlänge und sein Verhalten ähnelt stark dem der gewöhnlichen Knotenperkolation. In Anwesenheit von Wechselwirkungen zeigt der Diffusionskoeffizient ein nicht-triviales Verhalten, abhängig vom Vorzeichen der Wechselwirkung und davon, ob die Poren und die Hüllen perkolieren oder nicht. Die analytischen Ergebnisse zeigen eine qualitative Übereinstimmung mit Ergebnissen aus Monte-Carlo Simulationen / Aim of this work is to analyze two physical processes that take place whenever a solid polymeric medium is put in contact with a gas atmosphere. gas molecules first penetrate the solid through a sorption process and then wander within it giving rise to a diffusion one. The sorption process is studied within a model which is very close in spirit to the dual mode model. We obtain the dependence of the penetrant concentration on the pressure of the gas phase and find that this is expressed via the Lambert W-function, as proposed by the gas-polymer matrix model, being a different functional form than the one proposed by dual sorption mode. The Lambert function represents therefore a general universal behavior. Fitting the existing data shows that the Lambert function fits the data equally well. The diffusion problem is analyzed by using a lattice approach with random site energies and random transition rates. A relation between the effective diffusion coefficient and the macroscopic conductivity in a random resistor network allows for elucidating all the possible sources of anomalous diffusion in such an environment. Properties of the effective diffusion constant are further discussed. The system is modeled by a particle diffusion on a ternary lattice where the sites occupied by polymer segments are blocked, the ones forming the hull of the chains correspond to the places at which the interaction takes place, and the rest are voids. In the absence of interaction the diffusion coefficient shows only a weak dependence on the polymer chain length and its behavior strongly resembles usual site percolation. In presence of interactions the diffusion coefficient shows a non-trivial behavior depending on the sign of interaction and on whether the voids and the hulls of the chains percolate or not. The analytical results obtained within the effective medium approximation are in qualitative agreement with those of Monte Carlo simulations.

In der vorliegenden Dissertation wird die Entwicklung eines phylogenetischen DNA Microarrays, die Analyse von mehreren Microarray-Genexpressionsdatensätzen und neue Ansätze für die Datenanalyse und Interpretation der Ergebnisse vorgestellt. Die Entwicklung und Analyse der Daten eines phylogenetischen DNA Microarrays wird in der ersten Publikation dargestellt. Ich konnte zeigen, dass die Spezies-Detektion mit phylogenetischen Microarrays durch die Datenanalyse mit einem linearen Regressionsansatz signifikant verbessert werden kann. Standard-Methoden haben bislang nur Signalintensitäten betrachtet und eine Spezies als an- oder abwesend bezeichnet, wenn die Signalintensität ihres Messpunktes oberhalb eines willkürlich gesetzten Schwellenwertes lag. Dieses Verfahren ist allerdings aufgrund von Kreuz-Hybridisierungen nicht auf sehr nah verwandte Spezies mit hoher Sequenzidentität anwendbar. Durch die Modellierung des Hybridisierungs und Kreuz-Hybridisierungsverhaltens mit einem linearen Regressionsmodell konnte ich zeigen, dass Spezies mit einer Sequenzähnlichkeit von 97% im Markergen immer noch unterschieden werden können. Ein weiterer Vorteil der Modellierung ist, dass auch Mischungen verschiedener Spezies zuverlässig vorhergesagt werden können. Theoretisch sind auch quantitative Vorhersagen mit diesem Modell möglich. Um die großen Datenmengen, die in öffentlichen Microarray-Datenbanken abgelegt sind besser nutzen zu können, bieten sich Meta-Analysen an. In der zweiten Publikation wird eine explorative Meta-Analyse auf Arabidopsis thaliana-Datensätzen vorgestellt. Mit der Analyse verschiedener Datensätze, die den Einfluss von Pflanzenhormonen, Pathogenen oder verschiedenen Mutationen auf die Genexpression untersucht haben, konnten die Datensätze anhand ihrer Genexpressionsprofile in drei große Gruppen eingeordnet werden: Experimente mit Indol-3-Essigsäure (IAA), mit Pathogenen und andere Experimente. Gene, die charakteristisch für die Gruppe der IAA-Datensätze beziehungsweise für die Gruppe der Pathogen-Datensätze sind, wurden näher betrachtet. Diese Gene hatten Funktionen, die bereits mit Pathogenbefall bzw. dem Einfluss von IAA in Verbindung gebracht wurden. Außerdem wurden Hypothesen über die Funktionen von bislang nicht annotierten Genen aufgestellt. In dieser Arbeit werden auch Primäranalysen von einzelnen Arabidopsis thaliana Genexpressions-Datensätzen vorgestellt. In der dritten Publikation wird ein Experiment beschrieben, das durchgeführt wurde um herauszufinden ob Mikrowellen-Strahlung einen Einfluss auf die Genexpression einer Zellkultur hat. Dazu wurden explorative Analysemethoden angewendet. Es wurden geringe aber signifikante Veränderungen in einer sehr kleinen Anzahl von Genen beobachtet, die experimentell bestätigt werden konnten. Die Funktionen der regulierten Gene und eine Meta-Analyse mit öffentlich zugänglichen Datensätzen einer Datenbank deuten darauf hin, dass die pflanzliche Zellkultur die Strahlung als eine Art Energiequelle ähnlich dem Licht wahrnimmt. Des weiteren wird in der vierten Publikation die funktionelle Analyse eines Arabidopsis thaliana Genexpressionsdatensatzes beschrieben. Die Analyse der Genexpressions eines pflanzlichen Tumores zeigte, dass er seinen Stoffwechsel von aerob und auxotroph auf anaerob und heterotroph umstellt. Gene der Photosynthese werden im Tumorgewebe reprimiert, Gene des Aminosäure- und Fettstoffwechsels, der Zellwand und Transportkanäle werden so reguliert, dass Wachstum und Entwicklung des Tumors gefördert werden. In der fünften Publikation in dieser Arbeit wird GEPAT (Genome Expression Pathway Analysis Tool) beschrieben. Es besteht aus einer Internet- Anwendung und einer Datenbank, die das einfache Hochladen von Datensätzen in die Datenbank und viele Möglichkeiten der Datenanalyse und die Integration anderer Datentypen erlaubt. In den folgenden zwei Publikationen (Publikation 6 und Publikation 7) wird GEPAT auf humane Microarray-Datensätze angewendet um Genexpressionsdaten mit weiteren Datentypen zu verknüpfen. Genexpressionsdaten und Daten aus vergleichender Genom-Hybridisierung (CGH) von primären Tumoren von 71 Mantel-Zell-Lymphom (MCL) Patienten ermöglichte die Ermittlung eines Prädiktors, der die Vorhersage der Überlebensdauer von Patienten gegenüber herkömmlichen Methoden verbessert. Die Analyse der CGH Daten zeigte, dass auch diese für die Vorhersage der Überlebensdauer geeignet sind. Für den Datensatz von Patienten mit großzellig diffusem B-Zell-Lymphom DLBCL konnte aus den Genexpressionsdaten ebenfalls ein neuer Prädiktor vorgeschlagen werden. Mit den zwischen lang und kurz überlebenden Patienten differentiell exprimierten Genen der MCL Patienten und mit den Genen, die zwischen den beiden Untergruppen von DLBCL reguliert sind, wurden Interaktionsnetzwerke gebildet. Diese zeigen, dass bei beiden Krebstypen Gene des Zellzyklus und der Proliferation zwischen Patienten mit kurzer und langer Überlebensdauer unterschiedlich reguliert sind. / In this thesis, the development of a phylogenetic DNA microarray, the analysis of several gene expression microarray datasets and new approaches for improved data analysis and interpretation are described. In the first publication, the development and analysis of a phylogenetic microarray is presented. I could show that species detection with phylogenetic DNA microarrays can be significantly improved when the microarray data is analyzed with a linear regression modeling approach. Standard methods have so far relied on pure signal intensities of the array spots and a simple cutoff criterion was applied to call a species present or absent. This procedure is not applicable to very closely related species with high sequence similarity because cross-hybridization of non-target DNA renders species detection impossible based on signal intensities alone. By modeling hybridization and cross-hybridization with linear regression, as I have presented in this thesis, even species with a sequence similarity of 97% in the marker gene can be detected and distinguished from related species. Another advantage of the modeling approach over existing methods is that the model also performs well on mixtures of different species. In principle, also quantitative predictions can be made. To make better use of the large amounts of microarray data stored in public databases, meta-analysis approaches need to be developed. In the second publication, an explorative meta-analysis exemplified on Arabidopsis thaliana gene expression datasets is presented. Integrating datasets studying effects such as the influence of plant hormones, pathogens and different mutations on gene expression levels, clusters of similarly treated datasets could be found. From the clusters of pathogen-treated and indole-3-acetic acid (IAA) treated datasets, representative genes were selected which pointed to functions which had been associated with pathogen attack or IAA effects previously. Additionally, hypotheses about the functions of so far uncharacterized genes could be set up. Thus, this kind of meta-analysis could be used to propose gene functions and their regulation under different conditions. In this work, also primary data analysis of Arabidopsis thaliana datasets is presented. In the third publication, an experiment which was conducted to find out if microwave irradiation has an effect on the gene expression of a plant cell culture is described. During the first steps, the data analysis was carried out blinded and exploratory analysis methods were applied to find out if the irradiation had an effect on gene expression of plant cells. Small but statistically significant changes in a few genes were found and could be experimentally confirmed. From the functions of the regulated genes and a meta-analysis with publicly available microarray data, it could be suspected that the plant cell culture somehow perceived the irradiation as energy, similar to perceiving light rays. The fourth publication describes the functional analysis of another Arabidopsis thaliana gene expression dataset. The gene expression data of the plant tumor dataset pointed to a switch from a mainly aerobic, auxotrophic to an anaerobic and heterotrophic metabolism in the plant tumor. Genes involved in photosynthesis were found to be repressed in tumors; genes of amino acid and lipid metabolism, cell wall and solute transporters were regulated in a way that sustains tumor growth and development. Furthermore, in the fifth publication, GEPAT (Genome Expression Pathway Analysis Tool), a tool for the analysis and integration of microarray data with other data types, is described. It consists of a web application and database which allows comfortable data upload and data analysis. In later chapters of this thesis (publication 6 and publication 7), GEPAT is used to analyze human microarray datasets and to integrate results from gene expression analysis with other datatypes. Gene expression and comparative genomic hybridization data from 71 Mantle Cell Lymphoma (MCL) patients was analyzed and allowed proposing a seven gene predictor which facilitates survival predictions for patients compared to existing predictors. In this study, it was shown that CGH data can be used for survival predictions. For the dataset of Diffuse Large B-cell lymphoma (DLBCL) patients, an improved survival predictor could be found based on the gene expression data. From the genes differentially expressed between long and short surviving MCL patients as well as for regulated genes of DLBCL patients, interaction networks could be set up. They point to differences in regulation for cell cycle and proliferation genes between patients with good and bad prognosis.

Modern disk-storage systems have to accomplish the requirements of a variety of application classes. Applications that process continuous-media data such as video and audio streams require the storage system to guarantee sustained bandwidths. Interactive applications demand the storage system to ensure bounded response times, posing timing constraints on the execution of individual disk requests. Traditional timesharing applications may require both high throughput or overall short response times. With the described applications being more and more used together in todays computing systems, the disk-storage subsystems have to efficiently combine the different requirements of this application mix. In this thesis, I develop the design of a storage system that comprehensively addresses the various challenges posed by including the support for quality-of-service guarantees in disk-storage systems. The presented storage system provides three main properties. First, the admission control includes the support for statistical guarantees to increase the share of the disk bandwidth that can be utilized by the admission control. Second, the disk-request scheduling clearly separates the enforcement of real-time guarantees from the task to establish the optimal execution order of the requests, and it provides a flexible mechanism to combine the execution of requests with different quality-of-service requirements. Finally, the file system addresses both the needs of the former two elements of the storage system and of the various file types used by the applications by providing a flexible block-allocation policy and customized client interfaces. I show the implementation of the presented designs with the DROPS Disk-Storage System and I provide a detailed evaluation based on this implementation.

The DNA contained in every living cell not only stores the genetic information; it functions in a complex molecular network that can condense, transcribe, replicate and repair genes. The essential role played by the sequence dependent structure and deformability of DNA in these basic processes of life, has received increasing attention over the past years. The present work aims at better understanding sequence dependent elasticity of double stranded DNA elasticity, across biologically relevant length scales. A theoretical description is developed that makes is possible to relate structural, biochemical and biophysical experiments and simulation. It is based on the rigid base–pair chain (rbc) model which captures all basic deformation modes on the scale of individual base–pair (bp) steps. Existing microscopic parametrizations of the rbc model rely on indirect methods. A way to relate them to biochemical experiments is provided by the indirect readout mechanism, where DNA elasticity determines protein–DNA complexation affinities. By correlating theoretical affinity predictions with in vitro measurements in a well–studied test case, different parameter sets were evaluated. As a result a new, hybrid parameter set is proposed which greatly reduces prediction errors. Indirect readout occurs mostly at particular binding subsites in a complex. A statistical marker is developed which localizes indirect readout subsites, by detecting elastically optimized sub-sequences. By a systematic coarse–graining of the rbc to the well–characterized worm–like chain (wlc) model, a quantitative connection between microscopic and kbp scale elasticity is established. The general helical rbc geometry is mapped to an effective, linear ‘on-axis’ version, yielding the full set of wlc elastic parameters for any given sequence repeat. In the random sequence case, structural variability adds conformational fluctuations which are correlated by sequence continuity. The sequence disorder correction to entropic elasticity in the rbc model is shown to coincide with the conformational correction. The results show remarkable overall agree- ment of the coarse–grained with the mesoscale wlc parameters, lending support to the model and to the microscopic parameter sets. A continuum version of the rbc is formulated as Brownian motion on the rigid motion group. Analytic expressions for angular correlation functions and moments of the end–to–end distance distribution are given. In an equivalent Lagrangian approach, conserved quantities along, and the linear response around, a general equilibrium shape are explored. / Die in jeder lebenden Zelle enthaltene DNS speichert nicht nur die genetische Information; Sie funktioniert innerhalb eines komplexen molekularen Netzwerks, das in der Lage ist, Gene zu kondensieren, transkribieren, replizieren und reparieren. Die zentrale Rolle, welche der sequenzabhängigen Struktur und Deformierbarkeit von DNS in diesen grundlegenden Lebensprozessen zukommt, erregte in den letzten Jahren zunehmendes Interesse. Die vorliegende Arbeit hat ein besseres Verständnis der sequenzabhängigen elastischen Eigenschaften von DNS auf biologisch relevanten Längenskalen zum Ziel. Es wird eine theoretische Beschreibung entwickelt, die es ermöglicht, strukturbiologische, biochemische und biophysikalische Experimente und Simulationen in Beziehung zu setzen. Diese baut auf dem Modell einer Kette aus starren Basenpaaren (rbc) auf, das alle wichtigen Deformationsmoden von DNS auf der Ebene von einzelnen Basenpaar (bp)–Schritten abbildet. Bestehende Parametersätze des rbc-Modells beruhen auf indirekten Methoden. Eine direkte Beziehung zu biochemischen Experimenten kann mithilfe des indirekten Auslese-Mechanismus hergestellt werden. Hierbei bestimmt die DNS– Elastizität Komplexierungsaffinitäten von Protein–DNS–Komplexen. Durch eine Korrelation von theoretischen Vorhersagen mit in vitro Messungen in einem gut untersuchten Beispielfall werden verschiedene Parametersätze bewertet. Als Resultat wird ein neuer Hybrid–Parametersatz vorgeschlagen, der die Vorhersagefehler stark reduziert. Indirektes Auslesen tritt meistens an speziellen Teilbindungsstellen innerhalb eines Komplexes auf. Es wird eine statistische Kenngröße entwickelt, die indirektes Auslesen durch Detektion elastisch optimierter Subsequenzen erkennt. Durch ein systematisches Coarse–Graining des rbc-Modells auf das gut charakterisierte Modell der wurmartigen Kette (wlc) wird eine quantitative Beziehung zwischen der mikroskopischen und der Elastizität auf einer kbp-Skala hergestellt. Die allgemeine helikale Geometrie wird auf eine effektive, lineare Version der Kette ‘auf der Achse’ abgebildet. Dies führt zur Berechnung des vollen Satzes von wlc-elastischen Parameters für eine beliebig vorgegebene periodische Sequenz. Im Fall zufälliger Sequenz führt die Strukturvariabilität zu zusätzlichen Konformationsfluktuationen, die durch die Kontinuität der Sequenz kurzreichweitig korreliert sind. Es wird gezeigt, daß die Sequenzunordnungs-Korrektur zur entropischen Elastizität im rbc-Modell identisch ist zur Korrektur der Konformationsstatistik. Die Ergebnisse zeigen eine bemerkenswerte Übereinstimmung der hochskalierten mikroskopischen mit den mesoskopischen wlc-Parameter und bestätigen so die Wahl des Modells und seiner mikroskopischen Parametrisierung. Eine Kontinuumsversion des rbc-Modells wird formuliert als Brownsche Bewegung auf der Gruppe der Starrkörpertransformationen. Analytische Ausdrücke für Winkelkorrelationsfunktionen und Momente der Verteilung des End-zu-End–Vektors werden angegeben. In einem äquivalenten Lagrange-Formalismus werden Erhaltungsgrößen entlang von Gleichgewichtskonformationen und die lineare Antwort in ihrer Umgebung untersucht.

In this thesis random walks similar to the Metropolis algorithm are investigated. Special emphasis is laid on different types of acceptance probabilities, namely Metropolis, Tsallis and Threshold Accepting. Equilibrium and relaxation properties as well as performance aspects in stochastic optimization are investigated. Analytical investigation of a simple system mimicking an harmonic oscillator yields that a variety of acceptance probabilities, including the abovementioned, result in an equilibrium distribution that is widely dominated by an exponential function. In the last chapter an optimal optimization schedule for the Tsallis acceptance probability for the idealized barrier is investigated. / In dieser Dissertation werden Random Walks ähnlich dem Metropolis Algorithmus untersucht. Es werden verschiedene Akzeptanzwahrscheinlichkeiten untersucht, dabei werden Metropolis, Tsallis und Threshold Accepting besonders betrachtet. Gleichgewichts- und Relaxationseigenschaften sowie Performanceaspekte im Bereich der stochastischen Optimierung werden untersucht. Die Analytische Betrachtung eines simplen, dem harmonischen Oszillator ähnlichen Systems zeigt, dass eine Reihe von Akzeptanzwahrscheinlichkeiten, eingeschlossen die oben Erwähnten, eine Gleichgewichtsverteilung ausbilden, die von einer Exponentialfunktion dominiert wird. Im letzten Kapitel wird der optimale Schedule für die Tsallis Akzeptanzwahrscheinlichkeit für eine idealisierte Barriere untersucht.