DieMenschheit ist vielfältigen chemischenWirkstoffen ausgesetzt – zum Beispiel durch Kosmetika und Pharmazeutika sowie durch viele andere chemische Quellen. Es wird angenommen, dass diese stetige Exposition mit Chemikalien gesundheitliche Beeinträchtigungen bei Menschen hervorruft. Zudem haben Regulierungsbehörden aus Europa und den USA festgestellt, dass es ein Risiko gibt, welches mit der kombinierten Exposition durch mehrere Chemikalien im Zusammenhang steht. Mögliche Kombinationen von Tausenden Wirkstoffen zu testen, ist sehr zeitaufwendig und nicht praktikabel. Das Hauptanliegen dieser Arbeit ist es, die Probleme von Off-target-Effekten chemischer Strukturen zu benennen – mit den Mitteln der Chemieinformatik, der strukturellen Bioinformatik sowie unter Berücksichtigung von computerbasierten, systembiologischen Ansätzen. Diese Dissertation ist in vier Hauptprojekte eingeteilt. ImProjekt I (Kapitel 3)wurde ein neuartiger Ensemble-Ansatz basierend auf der strukturellen Ähnlichkeit von chemischenWirkstoffen und Bestimmungen von toxischen Fragmenten implementiert,um die orale Toxizität bei Nagetieren vorherzusagen. Im Projekt II (Kapitel 4) wurden – auf der Grundlage von Daten des Tox21 Wettbewerbs – unterschiedliche Machine-Learning Modelle entwickelt und verglichen, um die Komponenten vorherzusagen, die in den toxikologischen Stoffwechselwegen mit Zielmolekülen interagieren von target-spezifischenWirkstoffen vorherzusagen. In Projekt III (Kapitel 5) wird ein neuartiger Ansatz beschrieben, welcher das dreigliedrige Konzept aus computerbasierter Systembiologie, Chemieinformatik und der strukturellen-Bioinformatik nutzt, um Medikamente zu bestimmen, welche das metabolische Syndrom hervorrufen. In Projekt IV (Kapitel 6) wurde in silico ein Screening Protokoll entwickelt, welches die strukturelle Ähnlichkeit, die pharmakophorischen Eigenschaften und die Überprüfung von computerbasierten Docking Studien berücksichtigt. / Exposure to various chemicals agents through cosmetics, medications, preserved food, environments and many other sources have resulted in serious health issues in humans. Additionally, regulatory authorities from Europe and United States of America have recognized the risk associated with combined exposure to multiple chemicals. Testing all possible combinations of these thousands of compounds is impractical and time consuming. The main aim of the thesis is to address the problem of off-targets effects of chemical structures by applying and developing cheminformatics, structural bioinformatics and computational systems biology approaches. This dissertation is divided into four main projects representing four different computational methods to aid different level of toxicological investigations. In project I (chapter 3) a novel ensemble approach based on the structural similarity of the chemical compounds and identifications of toxic fragments was implemented to predict rodent oral toxicity. In project II (chapter 4) different machine learning models were developed and compared using Tox 21 challenge 2014 data, to predict the outcomes of the compounds that have the potential to interact with the targets active in toxicological pathways. In project III (chapter 5) a novel approach integrating the trio concept of ’computational system biology, cheminformatics and structural bioinformatics’ to predict drugs induced metabolic syndrome have been described. In project IV (chapter 6) a in silico screening protocol was established taking into the structurally similarity, pharmacophoric features and validation using computational docking studies. This approach led to the identification of novel binding site for acyclovir in the peptide binding groove of the human leukocyte antigen (HLA) specific allele.

Die bakterielle Meningitis ist trotz der Anwendung modernster Antibiotika mit einer hohen Letalität und neurologischen Spätkomplikationen verbunden. Ein entscheidendes Ereignis ist dabei der Zusammenbruch der Blut-Hirn-Schranke (BHS). Die genauen Mechanismen, die zu ihrer Schädigung führen, sind bis heute unklar. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob lebende Pneumokokken in einem Zellkulturmodell der BHS zu einer apoptotischen Zellschädigung von zerebralen Endothelzellen, als wichtigstem zellulären Bestandteil der BHS, führen und damit zu ihrer strukturellen Schädigung beitragen. Mittels verschiedener Detektionsmethoden (TUNEL, Fluoreszenzmikroskopie, Elektronenmikroskopie) konnte nachgewiesen werden, daß Streptococcus pneumoniae zu einem apoptotischen endothelialen Zelltod führt. Eine Beteiligung von Caspasen konnte weder mit direkter Aktivitätsmessung noch mittels Inhibitionsexperimenten oder dem Nachweis von Caspase-spezifischen Substraten gezeigt werden. Insgesamt sind die Morphologie der Zellkerne und die spezifische Degradation der endothelialen DNS hinweisend für einen Apoptosis-Inducing-Factor-vermittelten Zelltod ohne Caspasenbeteiligung. Diese Form des Zelltodes ist bereits in anderen Zellmodellen, bisher jedoch nicht bei zerebralen Endothelzellen beschrieben worden. Auf Seiten des Bakteriums konnten Wasserstoffperoxid und Pneumolysin als Auslöser der Apoptose identifiziert werden. Die zytotoxische Potenz des Pneumolysins ist dabei an dessen Poren-formende Aktivität gebunden. Die Ergebnisse sind von potentieller klinischer Relevanz, da es bei einer Bakteriämie und während der Invasion der Pneumokokken in das ZNS zu einem direkten Kontakt zwischen Bakterien und zerebralen Endothelzellen kommt und sich daraus eine Möglichkeit zur Entwicklung adjuvanter Therapien ergeben könnte. / Despite sufficient antibiotic treatment, pneumococcal meningitis has remained a disease associated with high mortality and neurological sequelae. The disruption of the blood brain barrier (BBB) is regarded a key event in the initial phase of pneumococcal meningitis. However, the exact molecular mechanisms involved in this process are still unknown. The aim of this study was to determine if living pneumococci are able to induce apoptosis in cerebral endothelial cells - the main cellular component of BBB - and therefore might contribute to its damage. Using several different detection methods (TUNEL, fluorescence and electron microscopy), induction of apoptotic cell death of endothelial cells by pneumococci could be verified. An accompanying activation of caspases was not detectable, despite the use of specific detection techniques such as inhibition experiments, direct enzyme measurements and detection of caspase-specific protein cleavage. These results as well as the specific nuclear morphology and degradation of endothelial DNA suggest an involvement of the mitochondrial protein Apoptosis inducing factor (AIF). This is the first time this specific form of apoptotic, AIF-driven cell death has been described to be engaged in endothelial cells. On the part of the bacterium, pneumolysin and hydrogen peroxide were identified as the two main inducers of apoptosis. The cytotoxic potency of pneumolysin is related to its pore-forming activity. These results are of clinical relevance since pneumococci are known to reside in close proximity to cerebral endothelial cells during bacteriemia and their entry into the CNS. These findings could contribute to the development of adjuvant treatment of bacterial meningitis.

Im Verlauf der Untersuchungen von Agrostemma githago L. var. githago, eines bekannten giftigen Vertreters der Caryophyllaceae, verwendeten wir neben Agrostemmasaponin das Saponinum album aus Gypsophila paniculata L., ebenfalls mit Gypsogenin (3b-Hydroxy-Olean-12-en-23-al-28-Säure) als Aglykon. Eine Kombination dieser Saponinderivate (3 µg/ml) mit einer Formylfunktion an Position C4 des Aglykons in Kombination mit RIPs und anderen natürlichen Toxinen zeigte eine kooperative Toxizität an ECV 304-Zellen. Ribosomen-inaktivierende Proteine (RIPs; EC Nr. 3.2.2.22) sind eine heterogene Familie von strukturell und evolutionsbedingt ähnlichen Proteinen mit einer katalytischen Domäne, die einen spezifischen Adeninrest enzymatisch von einer definierten Position der rRNA prokaryotischer und eukaryotischer Ribosomen zu entfernen vermag. Die kombinierte Verabreichung von subtoxischen Konzentrationen eines RIP-Typ 1 und des Saponins zeigte in dieser Studie einen spezifischen und zum ersten Mal größeren zytotoxischen Effekt auf Tumorzellen im Vergleich mit natürlichem Diphtheriatoxin. Es wird ein analoger, synergistischer Wirkungsmechanismus zwischen der durch Gypsophilasaponin induzierten Toxizität von Agrostin aus Agrostemma githago L. und von Saporin aus Saponaria officinalis L. bzw. dem rekombinant hergestellten his-Saporin diskutiert. Offensichtlich nutzen diese aus den Samen der Caryophyllaceae isolierten Proteine einen ähnlichen Weg, um die Zellmembran zu passieren, was auf den Abwehrmechanismus dieser Pflanzen gegen pathogene Organismen schließen lässt. / In the course of our investigation of Agrostemma githago L. var. githago, a well-known toxic member of the Caryophyllaceae family, we tested Saponinum album from Gypsophila paniculata L., both saponins with gypsogenin (3b-hydroxy-olean-12-en-23-al-28-oic acid) as aglycone. A combination of these particular saponin derivatives with a formyl function in triterpene position 4 (3 µg/ml) together with RIPs and other natural toxins revealed a co-operative toxicity against ECV 304-cells. Ribosome-inactivating proteins (RIPs; EC No. 3.2.2.22) are a heterogeneous family of structurally and evolutionary related plant proteins. They share a common functional domain capable of catalytically removing a specific adenine residue from a highly conserved, surface-exposed stem-loop structure in the large rRNA of prokaryotic and eukaryotic ribosomes. The combined administration of individually non-toxic concentrations of a RIP type 1 and a saponin presented in this study leads to a potent and for the first time greater specifically cytotoxic effect on tumor cells in comparison with natural diphtheria toxin. An analogy could be drawn between the observed induction of RIP-toxicity of Agrostin and of Saporin/ genetically engineered his-Saporin from Saponaria officinalis L. in combination with Gypsophilasaponin. Obviously these proteins, both obtained from the seeds of Caryophyllaceae species, use a similar mechanism to penetrate through the cell membrane in vitro suggesting a similar defence mechanism of these plants against pathogenic organisms.

Existuje veľa rôznych dôvodov pre spoločnosti a organizácie, prečo by mali investovať do virtualizácie. Asi najväčší dôvod je finančná motivácia, pretože nasadenie virtualizácie môže ušetriť nemálo peňazí. Táto práca sa zaoberá práve problémom virtualizácie I/O operácií v sieťovom prostredí. Cieľom práce je tvorba softvérových ovládačov pre I/O virtualizáciu, ktoré by mohli pracovať s hardvérovo akcelerovanými sieťovými kartami. Hlavným prínosom ovládačov by mala byť použiteľnosť a čo najmenšia strata prenosového výkonu vo virtualizovanom prostredí. Pred popisom finálnych detailov ovládačov je však potrebné uviesť potrebné teoretické základy. Teoretická časť sa zaoberá súčasnými trendami vo virtualizácii I/O, technológiami ako sú virtio, vhost, SR-IOV, VFIO a mdev. V praktickej časti sú navrhuté dva spôsoby riešenia problému. Prvým je použitie technológie virtio (emulácia softvéru). Druhé je založené na technológii VFIO-mdev (hybridná paravirtualizácia). Pokiaľ sa jedná o výkon a konfigurovateľnosť zariadení, oba prístupy majú rôzne benefity. Tieto riešenia majú aj svoje nevýhody, ako je zložitosť riešenia a náročnosť integrácie do systému. Požadované ciele boli úspešne dosiahnuté vo forme prototypu ovládača nfb_mdev.

(Oberflächen-) Gewässer weltweit sind mit geringen Mengen (ng/L bis wenige µg/L) humaner Pharmazeutika belastet. Diclofenac (DCF; nicht-steroidal, entzündungshemmend) und Metoprolol (MTP; ß-Blocker) gehören entsprechend ihres hohen Verbrauchs zu den am häufigsten gefundenen Substanzen. Deren biologische Aktivität ist nicht auf den Menschen beschränkt. Gut konservierte Enzyme innerhalb der Vertebraten legen Auswirkungen auf Nicht-Zielorganismen wie Fische nahe, die bisher in Langzeituntersuchungen mit umweltrelevanten Konzentrationen unzureichend untersucht wurden. In der vorliegenden Arbeit wurden die physiologischen Effekte von DCF und MTP auf die Nil-Tilapie (Oreochromis niloticus), einem der wichtigsten Aquakulturfische weltweit, untersucht. In vitro konnte anhand primärer Hepatozyten gezeigt werden, dass bereits umweltrelevante Konzentrationen von DCF zu einer erhöhten Genexpression verschiedener Schlüsselenzyme der Detoxifizierung führten. Nach MTP-Exposition waren die Veränderungen weniger eindeutig. Beide Substanzen induzierten die Vitellogenin Genexpression, nur DCF jedoch bereits in umweltrelevanter Konzentration. In vivo wurden in zwei Langzeit-Expositionsversuchen die physiologischen Effekte vom befruchteten Ei bis 80 Tage nach Schlupf in O. niloticus untersucht. Beide Substanzen hatte keinen Einfluss auf Schlupferfolg und Überleben, das Wachstum war nach 80 Tagen nach Schlupf leicht reduziert. Die deutlichsten Auswirkungen waren histopathologische Veränderungen der Kiemen, veränderte Genexpressionen der Gonadotropine und eine erhöhte Expression von Vitellogenin. Die Ergebnisse legen eine stärkere östrogene Aktivität von DCF im Vergleich zu MTP nahe. Zusammenfassend sind die Bedenken gegenüber den Einzelsubstanzen eher gering, negative Auswirkungen auf die Reproduktion und sich verstärkende Effekte bei zeitgleicher Exposition gegenüber DCF und MTP lassen sich jedoch nicht ausschließen und sollten im Weiteren untersucht werden. / Surface waters worldwide are contaminated with low levels (ng/L up to few µg/L) of human pharmaceuticals. Diclofenac (DCF; non-steroidal, anti-inflammatory) and metoprolol (MTP; ß-blocker) are highly consumed and therefore commonly detected. Their biological activity is not restricted to humans. Well conserved enzymes within the vertebrates suggest effects on non-target organisms such as fish, poorly studied in long-term exposure experiments using environmentally relevant concentrations. In the presented work, physiological effects of DCF and MTP on the Nile tilapia (Oreochromis niloticus), an important aquaculture fish species, were studied. Using primary hepatocytes, it was shown in vitro that environmentally relevant concentrations of DCF increased the gene expression of different key enzymes of the detoxification, while MTP exposure had a less clear effect. Both substances induced vitellogenin gene expression, but only after DCF exposure this was significantly elevated already at the environmentally relevant concentration. In vivo, two long-term exposure studies on the physiological effects from the fertilized egg until 80 days post-hatch were evaluated. Both substances did not affect hatching success and survival, while growth was slightly reduced after 80 days post-hatch. Histopathological alterations of the gills, changed gene expression patterns of the gonadotropins and induced vitellogenin gene expression were the most dominant findings. The results indicate a stronger estrogenic mode of action of DCF compared to MTP. Overall, the risk due to a single substance exposure seems to be relatively low but adverse effects on reproduction and additive effects during simultaneous exposure to DCF and MTP cannot be excluded and should be investigated further.