CVD (Chemical Vapour Deposition) is an advanced technique for depositing a coating on a substrate. CVD implies that a solid phase is deposited on a normally heated substrate surface using a reactive, gaseous mixture. The reaction gas mixture must be carefully chosen to prevent homogeneous nucleation in the gas phase. As the solid phase is formed, gaseous by-products are formed and they must be removed from the CVD system. The thermally activated CVD process requires a deposition system which can regulate the total pressure and mass flows of the separate gas components as well as maintain a sufficiently high temperature to initiate a chemical reaction on the substrate surface. In this thesis a new CVD system was constructed to meet these challenges. Initially it will be used to deposit hard, wear resistant coatings but by changing the gases, it is possible to explore other chemical systems. The CVD system functions well up to a deposition temperature of 1100 ºC as long as the CVD processes are thermally activated. Apart from manual operation, a LabView control interface was implemented that can automate process steps by reading recipe files as csv (comma-separated variables). In this way complex coating architectures can be deposited. The aim of this thesis is to give a detailed description of the hardware set-up and of the software developed for it. Provided in this work are also a few examples of W and WN (tungsten nitride) coatings, including a multi-layered structure to show the potential of complex structures. Since the system also contains a titanium precursor, a TiN (titanium nitride) coating is presented to conceptually show the flexibility of the equipment. / CVD är en avancerad teknik för att lägga en tunn film runt ett substrat. CVD innebär att en fast fas bildas på den normalt uppvärmda substratytan från en reaktiv gasblandning. Gasblandningen är väl vald att inte förorsaka homogen kärnbildning i gasfasen. När den fasta fasen bildas så bildas också gasformiga biprodukter som måste pumpas ut ur systemet. Den termiskt aktiverade CVD processen kräver ett system som kan styra total trycket och massflödet av de individuella gaskomponenterna samt hålla en tillräcklig temperatur för att initiera kemiska reaktioner på substratytan. I denna avhandling presenteras ett CVD-system byggt för att möta dessa utmaningar. Initialt kommer systemet att deponera hårda, slittåliga skikt men genom gasbyte byte av gas kan andra materialsystem utforskas. CVD-systemet kan deponera andra typer av filmer upp till en deponeringstemperatur på 1100°C så länge som CVD-processerna är termiskt aktiverade. Utöver manuell styrning har ett styrprogram i LabView implementerats för att medge automatisering av processtegen genom att läsa av receptfiler i csv-format. På det här sättet kan mer komplicerade skiktarkitekturer deponeras. Målet med detta arbete är att ge en detaljerad beskrivning av uppställningen samt mjukvaran som framställts. Ett antal exempel på W- (volfram) och WN-skikt (volframnitrid) presenteras tillsammans med en multiskiktslösning för att visa potentialen för komplicerade strukturer. Eftersom systemet även har tillgång till en titankälla presenteras ett TiN-skikt (titannitrid) för att konceptuellt demonstrera utrustningens flexibilitet.

Die hoch abundante sRNA 6S RNA reguliert in Prokaryoten durch Bildung eines stabilen Riboproteinkomplexes mit der RNA Polymerase maßgeblich die globale Genexpression zur Anpassung an wechselnde Umweltbedingungen. In der vorliegenden Arbeit wurde die regulative Funktion von 6S RNA in Cyanobakterien am Beispiel des Modellorganismus Synechocystis sp. PCC 6803 beleuchtet. Die Analysen zeigten, dass die 6S RNA-Transkriptmenge sowohl unter phototrophen als auch unter photoheterotrophen Bedingungen in der stationären Wachstumsphase abnahm. Zudem wurden physiologische Untersuchungen einer 6S RNA-Deletionsmutante (delta_ssaA) und einer Überexpressionsmutante unter diversen Stressbedingungen durchgeführt. Während für delta_ssaA eine erhöhte Sensitivität gegenüber oxidativem Stress gemessen wurde, war die Thermotoleranz in den Mutanten nicht beeinträchtigt. Ferner wurde für delta_ssaA eine verlangsamte Regeneration nach Stickstoffmangel ermittelt, die sich phänotypisch durch eine verzögerte Reassemblierung der Phycobilisomen und des Glykogenabbaus sowie durch eine verminderte photosynthetische Aktivität äußerte. Vergleichende Microarray-Analysen zeigten, dass sich die Genexpression in delta_ssaA unter Stickstoffmangel kaum vom Wildtyp unterschied. Hingegen waren während der Regeneration Gene kodierend für die ATP-Synthase, ribosomale Proteine, Photosynthese-Komplexe und Phycobilisomen in delta_ssaA signifikant negativ exprimiert. Zudem wurde eine charakteristische Expressionskinetik für die sRNA SyR11 ermittelt. In vivo-pulldown-Analysen der RNA Polymerase zeigten, dass 6S RNA während der Regeneration die Rekrutierung des Hauptsigmafaktors SigA begünstigt und die Dissoziation von Sigmafaktoren der Gruppe 2 beschleunigt. Derweil blieb das 6S RNA-Transkriptlevel unter Stickstoffstress nahezu konstant. Ein Nachweis von in vivo-synthetisierten pRNA-Transkripten blieb negativ. Die Ergebnisse werden in der vorliegenden Arbeit hinsichtlich der funktionellen Bedeutung von 6S RNA für die Adaptation an Stressbedingungen in Cyanobakterien diskutiert. / The highly abundant sRNA 6S RNA extensively regulates the global gene expression for adaptation to changing environmental conditions in many prokaryotes by forming stable complexes with the RNA polymerase. In this work, Synechocystis sp. PCC 6803 was used as a model organism to study the regulative function of 6S RNA in cyanobacteria. A decline in 6S RNA transcript levels during stationary phase was measured under phototrophic and photoheterotrophic conditions. Physiological studies were carried out under various stress conditions using a 6S RNA deletion mutant (delta_ssaA) and an overexpression mutant. Delta_ssaA exhibited increased sensitivity toward oxidative stress, whereas the thermo-tolerance of the cells was not affected in the mutant strains. The recovery from nitrogen depletion was considerably delayed in delta_ssaA compared to the wild type. This phenotype was physiologically characterized by a decelerated phycobilisome reassembly and glycogen degradation as well as reduced photosynthetic activity in delta_ssaA. Comparative transcriptome analysis verified these observations. While under nitrogen depletion similar gene expression patterns were measured in delta_ssaA and wild type, genes encoding ATP synthase, ribosomal proteins, photosystem components and phycobilisomes were significantly negatively affected in the mutant strain during recovery. Furthermore, a distinctive accumulation kinetics was found for the sRNA SyR11. In vivo pulldown analyses of the RNA polymerase revealed a promoting effect of 6S RNA on the recruitment of the housekeeping sigma factor SigA as well as on the complex dissociation of group 2 sigma factors. Meanwhile, the 6S RNA transcript level remained nearly constant during nitrogen deficiency and the detection of in vivo synthesized pRNA transcripts was negative. The results are discussed regarding the functional role of 6S RNA for the adaptation to stress conditions in cyanobacteria.

Photosystem I (PSI) aus dem thermophilen Cyanobakterium Thermosynechococcus elongatus ist ein transmembraner Protein-Pigment-Superkomplex der photosynthetischen Elektronentransportkette. Er wandelt die Energie des Lichts in elektrische Energie mit einer Quanteneffizienz von nahezu 100 % um. Dazu uberträgt PSI Elektronen von Plastocyanin bzw. Cytochrom c6 (Cyt c6) auf Ferredoxin. Die Struktur des PSI wurde bereits 2001 mit einer Auflösung von 2,5 Å beschrieben (Jordan et al. 2001). Es lässt sich zur Generierung von Photoströmen auf Elektrodenoberflächen assemblieren und zur Produktion von Biokraftstoffen mit Enzymen koppeln. Die elektrische Kontaktierung des PSI mit Elektrodenoberflächen kann durch Komplexierung mit dem mitochondrialem Cytochrom c aus Pferdeherz (Cyt cHH) erhöht werden. Aufgrund der Nutzbarkeit dieses Proteinkomplexes sollte geklärt werden, wie PSI und Cyt cHH wechselwirken und wie sich die Interaktion von der des nativen PSI-Cyt c6-Komplexes unterscheidet. Deshalb lag der Fokus meiner Arbeit darauf, die Bindung des Cyt c6 und seines Analogons Cyt cHH an PSI mit kinetischen, kalorimetrischen, theoretischen und strukturellen Methoden zu untersuchen. Das Cyt c6 bindet im reduzierten Zustand an PSI und verringert nach erfolgtem Elektronentransfer seine Affinität. Das Cyt cHH bindet dagegen sowohl im reduzierten als auch im oxidierten Zustand an PSI. Mit Hilfe der kinetischen Messungen habe ich Bedingungen identifiziert, unter denen PSI mit dem jeweiligen Cytochrom c einen stabilen Komplex eingeht. Mit Hilfe eines rigid-body dockings wurden potenzielle Bindungsstellen der beiden Cytochrome berechnet. Fur Cyt c6 ergab sich eine spezifische Bindungsstelle, die eine gute Übereinstimmung mit den von mir gemessenen Kinetiken sowie mit weiteren Literaturdaten zeigt. Diese Bindungsstelle korreliert mit der veröffentlichten Kostruktur des bakteriellen Reaktionszentrums mit Cyt c2 aus Rhodobacter sphaeroides. Demgegenüber sind mehrere Cyt cHH-Bindungsstellen ... / Photosystem I (PSI) from the thermophilic cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus is a membrane-bound, multipigment protein supercomplex. It converts light to electrochemical energy with a quantum efficiency of almost 100 %. It reduces the luminal proteins plastocyanin and cytochrome c6 (Cyt c6) to oxidize the stromal protein Ferredoxin. The structure of PSI has been solved in 2001 at a resolution of 2,5 Å (Jordan et al. 2001). PSI can be assembled on an electrode surface to produce photocurrents and the generated electrons can be used for the production of biofuels. The mitochondrial cytochrome c from horse heart (Cyt cHH) binds strongly to both, PSI and the electrode surface, and can therefore be applied to improve the electrical coupling. Due to the practical use of the PSI-Cyt c complex, the aim of my thesis is to characterize the interaction of PSI with Cyt c6 and the analog Cyt cHH. To this end, the binding of both cytochromes to PSI was analyzed by kinetic, calorimetric, theory-based and structural methods. Cyt c6 binds to PSI while being reduced and decreases its affinity after transferring its electron. In contrast, Cyt cHH binds to PSI in both oxidation states, reduced and oxidized, with identical affinity. By means of kinetic measurements, I identified conditions in which PSI forms a stable complex with either of the two cytochromes. The positions of the cytochrome binding sites at PSI were calculated by a rigid-body docking. For the calculation with Cyt c6, the majority of the potential binding sites are located at the luminal side of PSI, close to P700. The theoretic properties of one of these binding sites are in good agreement with my own kinetic measurements and literature data. The position and orientation of Cyt c6 in this theoretic binding site is almost identical to the localization of Cyt c2 in cocrystals with the bacterial reaction center from Rhodobacter sphaeroides. The potential Cyt cHH binding sites are uniformly distributed over ...

Sauerstoffmangel in Pflanzenzellen führt durch Hemmung der mitochondrialen Atmung zur Akkumulation von NADH und zu ATP-Mangel. Reis kann, im Gegensatz zu Weizen oder Kartoffeln, längere Sauerstoffmangel-Perioden überstehen. Ziel dieser Promotionsarbeit war es, einige Aspekte des Primär-Stoffwechsels zu untersuchen, die für das Überleben solcher Stresssituationen verantwortlich sein können, wie die Ethanol-Gärung, die Photosynthese sowie die Nutzung alternativer Energiedonoren. Die Ethanol-Gärung ermöglicht es Pflanzen, NAD zu regenerieren, und so die glycolytische ATP-Bildung aufrechtzuerhalten. Tolerante Reis-Pflanzen bildeten unter Anoxie in Dunkelheit mehr Ethanol als sensitive Weizen-Pflanzen. Dieser Unterschied war allerdings nur im Spross nachzuweisen und resultierte aus hohen Aktivitäten der Gärungsenzyme sowie aus großen Substratmengen in Reis-Blättern. Mehr als 24 h Anoxie konnten aber auch vom Reis aufgrund von Substratmangel nicht überlebt werden. Wurden Pflanzen bei Anoxie belichtet, verbesserten sich die Überlebensraten erheblich. Die Ethanol-Bildung war deutlich verringert, so dass neben der Gärung lichtabhängige Energie-liefernde Prozesse vermutet werden. Allerdings verlief die Photosynthese unter Anoxie aufgrund von CO2-Mangel nur vermindert ab. Eventuell könnte zyklischer Elektronentransport unter diesen Bedingungen zusätzliches ATP produzieren. In der Vergangenheit wurde vermutet, dass Pflanzen unter Sauerstoffmangel für Phosphorylierungsreaktionen statt ATP auch PPi nutzen könnten. In transgenen Kartoffelpflanzen, die infolge von Überexpression der E. coli-Pyrophosphatase weniger PPi enthielten als Wildtypen, wurde unter Hypoxie-Bedingungen nachgewiesen, dass PPi als alternativer Energiedonor bei der Saccharose-Spaltung eine bedeutende Rolle spielt. Dagegen konnte in transgenen Kartoffelpflanzen mit drastisch verminderter Aktivität der PPi-abhängigen Phosphofructokinase keine Beeinträchtigung der Stoffwechsel-Leistungen unter Hypoxie gezeigt werden. / Oxygen deficiency stress in plant cells leads through inhibition of mitochondrial respiration to an accumulation of NADH and a decrease in ATP content. Rice plants can survive oxygen deficiency better than wheat or potato plants. The aim of this PhD-work was to examine, which biochemical processes are responsible for plant tolerance against low oxygen stress. The studies were focused on the analysis of ethanolic fermentation, photosynthesis and the function of pyrophosphate (PPi) as an alternative energy source. By using ethanolic fermentation, plants can regenerate NAD and maintain ATP formation during glycolysis. Tolerant rice plants produced much higher amounts of ethanol during anoxia in darkness compared to sensitive wheat plants. The high fermentation rate mainly occurred in the shoots as a result of high activities of fermentative enzymes as well as high availability of carbohydrates. Nevertheless, rice plants could not survive more than 24 h of anoxia in the dark because of carbohydrate depletion. Illumination during anoxia extended survival of plants. Ethanolic fermentation rate was reduced during light exposure of plants, indicating that other energy-producing processes can compensate. However, it could be shown that the complete photosynthesis was slowed down during oxygen deficiency due to CO2 deficiency. It is likely that cyclic electron transport could at least partially contribute to ATP production during these conditions. In the past, it was speculated that PPi could replace ATP for phosphorylating processes during low oxygen stress. With transgenic potato plants expressing E. coli pyrophosphatase and therefore containing less PPi it was demonstrated that PPi is a significant alternative energy donor for sucrose cleavage during hypoxia. However, in transgenic potato plants with a reduction of synthesis and activity of PPi-dependent phosphofructokinase it could not be demonstrated that these plants suffer more from oxygen deficiency than the wildtype.

Im ZIP-Archiv sind folgende Files enthalten:Synechococcus7942.xls Synechococcus7942_COBRA.xml Synechococcus7942_MIRIAM.xml / Cyanobakterien sind einzellige, phototrophe Mikroorganismen, die aufgrund ihrer Fähigkeit, Sonnenenergie und Kohlenstoffdioxid für das Zellwachstum zu nutzen, ideale Modellorganismen für ein besseres Verständnis des phototrophen Stoffwechsels darstellen. Sie werden auch zunehmend als potenzieller Wirtsorganismus für die Synthese von wertvollen Chemikalien und verschiedenen Biokraftstoffen wahrgenommen. Um diese Vorteile in vollem Umfang zu nutzen, bietet die genomskalige Rekonstruktion von Mikroorganismen ein weitgehendes Verständnis über die metabolischen Umwandlungen, die während des phototrophen Wachstums stattfinden. In dieser Arbeit wurden detaillierte Rekonstruktionen des metabolischen Netzwerkes der Cyanobakterien Synechocystis sp. PCC 6803 (Synechocystis) und Synechococcus elongatus PCC 7942 erstellt und analysiert. Darüber hinaus wurden beim Netzwerk von Synechocystis unklare Reaktionsschritte experimentell validiert und die funktionellen Konsequenzen von abweichenden Stoffwechseltopologien untersucht. Dabei umfasst das Modell neuartige Ergebnisse in Bezug auf den cyanobakteriellen TCA-Zyklus, einen angeblich vorhandenen Glyoxylatzyklus und die Rolle der Photorespiration beim Zellwachstum, die mithilfe der Flussbilanzanalyse (FBA) systematisch auch in Bezug auf den täglichen Hell-Dunkel-Zyklus des cyanobakteriellen Stoffwechsels gewonnen wurden. Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit liegt im Zugewinn des allgemeinen Verständnisses über die genomische Diversität innerhalb unterschiedlicher Cyanobakterienstämme und speziell innerhalb des cyanobakteriellen Stoffwechsels. Dazu wurden die Genome mehrerer phototropher Cyanobaktierenstämme untereinander verglichen und besonders Unterschiede und Gemeinsamkeiten auf Ebene des Stoffwechsels hervorgehoben. Zum Abschluss dieser Arbeit wurde unter Zuhilfenahme der FBA die Synthese von neun unterschiedlichen Biokraftstoffen im metabolischen Netzwerk von Synechocystis, analysiert. / Cyanobacteria are unicellular, phototrophic microorganisms. Owing to their capability to utilize solar energy and atmospheric carbon dioxide for growth, they represent ideal model organisms to better understand phototrophic metabolism. Moreover they are gaining increasing attention as a potential host organism for the synthesis of valuable chemicals and various biofuels. To fully harness this potential of cyanobacteria necessitates an in-depth understanding of the metabolic interconversions that take place during phototrophic growth, such as that provided by genome-scale reconstructions of microbial organisms. In this work, detailed metabolic network of two cyanobacteria, Synechocystis sp. PCC 6803 (Synechocystis) and Synechococcus elongatus PCC 7942, were reconstructed and analyzed. In addition uncertain reaction steps in the network of Synechocystis were experimentally validated and the functional consequences of aberrant metabolic topologies were examined. The model integrates novel results regarding the cyanobacterial TCA cycle, an alleged glyoxylate shunt, and the role of photorespiration in cellular growth, which were systematically obtained studying the diurnal light/dark cycles of cyanobacterial metabolism using flux balance analysis (FBA). Another aspect of this work focuses on gaining general understanding of the genomic diversity within different cyanobacterial species and specifically within cyanobacterial metabolism. For this purpose, the genomes of several phototrophic cyanobacterial strains were compared and in particular differences and similarities at the level of metabolism were highlighted. In conclusion I reflected on the biotechnological relevance of metabolic network reconstruction by analyzing the synthesis of nine different biofuels in the metabolic network of Synechocystis using FBA.

In h?heren Pflanzen vermittelt der Blaulicht-sensitive Photorezeptor Phototropin verschiedene Reaktionen wie Phototropismus, Chloroplastendrehung und die ?ffnung von Schlie?zellen. Alle Reaktionen haben mit der Optimierung der pflanzlichen Lichtaufnahme und damit einer angepa?ten Photosynthese sowie der Vermeidung von Lichtsch?digung zu tun. In C.reinhardtii haben alle Phototropinreaktionen mit dem Sexualleben dieser Alge zu tun, d.h. Gametogenese, sexueller Kompetenz sowie der Keimung von Zygoten. Diese Doktorarbeit wurde Ende 2001 begonnen und verlief parallel zu den Arbeiten von Huang. Im Unterschied zu den Ergebnissen von Huang war das Chlamydomonas Phototropin in meinen H?nden unl?slich. Das Protein war nicht komplett membranassoziiert, sondern ein Teil des Proteins blieb immer l?slich. Die Phototropinmenge sowie die Verteilung waren in vegetativen Zellen, die unter Stark- oder Schwachlicht gewachsen waren, unterschiedlich. Deshalb wurde fš¹r diesen Unterschied Licht als wesentlicher Faktor verantwortlich gemacht. Jedoch zeigen verschiedene St?mme bei vegetativem Wachstum unter identischen Lichtbedingungen unterschiedliche Phototropinmengen. Das deutet auf weitere Faktoren hin, die Konzentration und Verteilung von Phototropin beeinflussen. In Chlamydomonas wurde neben dem Volll?ngenprodukt noch eine c-terminal verkš¹rzte Phototropinvariante gefunden. Licht wurde als Verursacher der Verkš¹rzung identifiziert. Aber nur lange Belichtungen von ca. 48 h fš¹hrten je nach Intensit?t zu klaren Abbaumustern. Fš¹r das Studium der Beteiligung des Phototropins am Sexualleben von Chlamydomonas, sollte ein Phot- Stamm generiert werden. Dazu wurde ein RNAi-Konstrukt hergestellt, mit dem es m?glich war, im Stamm cw15 arg- A das Phototropin bis auf 10% des Originalniveaus zu reduzieren. Leider funktionierte das Konstrukt in anderen St?mmen nicht zuverl?ssig. Im Stamm CC32pab1mt(+) konnte nur ein Klon mit einer Reduktion auf 15% des Originalniveaus erreicht werden. Au?erdem war die Silencing-Effizienz stark von den Wachstumsbedingungen abh?ngig. Die beste Reduktion wurde bei niedrigen Lichtintensit?ten gefunden. Es wurde ein weiterer Kreuzungstest etabliert, der fš¹r die Analyse der Zygotenkeimung verschiedene Vorteile gegenš¹ber bekannten Tests liefert. Aus den durchgefš¹hrten Tests konnte geschlossen werden, dass Licht auch ein wesentlicher Faktor fš¹r die Zygotenkeimung ist. Bei mittleren Lichtintensit?ten keimen Zygoten mit wenig Phototropin sp?ter. Starklicht kann diesen Mangel weitgehend kompensieren. Zur biochemischen Analyse des Phototropins in vitro war die Expression eines markierten Phototropins notwendig. Zur Analyse des Phototropinabbaus und fš¹r die sp?tere Reinigung wurde auch versucht, Phototropin in verschiedenen Gastorganismen zu exprimieren. In dieser Arbeit wurde Phototropin in Xenopus Oocyten und Diatom?en exprimiert. Diese Versuche haben best?tigt, dass das Phototropinabbauprodukt vom selben Gen wie das Volll?ngenprotein resultiert. Durch Expression der Phot-Mutante S57S/C250S konnte auch gezeigt werden, dass die Aktivierung des Phototropins keine Voraussetzung fš¹r den Abbau ist. Erstmalig konnte auch Phototropin als Fusionsprotein in Chlamydomonas exprimiert werden. Das Fusionsprotein wurde gereinigt und die Identit?t massenspektrometrisch verifiziert. Es wurde ein Stamm gefunden, der nur eine verkš¹rzte Variante des Phototropins exprimiert. Das Produkt war besser l?slich als die Volll?ngenversion. Eine Gro?produktion sollte fš¹r die Reinigung und nachfo! lgende Kristallisation angesetzt werden. Tandem Affinit?tsreinigungen sollten fš¹r die Identifizierung von Reaktionspartnern durchgefš¹hrt werden. / Abstract In higher plants, phototropin is in charge of phototropism (Liscum, 2002), chloroplast relocation (Wada et al., 2003) and stomatal opening (Schroeder et al., 2001). All its functions are connected with plants' modulation to the surrounding light conditions so that plants can make the best use of light for photosynthesis and dodge harmful strong light. In C.reinhardtii, all its reported functions are connected to the sexual life of this green alga, i.e. gametogenesis, maintenance of gamete competence and zygote germination. This PhD work started at the end of 2001 and went on in parallel with Huang's work. Different from Huang's observation that phototropin was insoluble (Huang et al., 2002), it was found that phototropin existed not only as a membrane associated protein, a portion of phototropin always remained soluble. Phototropin levels and distributions were different between vegetative cells grown in strong light or in darkness. Light was thought to be the essential factor that caused this difference. But, different strains grown vegetatively under same light conditions showed that the levels of phototropin and its distributions varied. This suggested the existence of other factors in the determination of its level and distribution. A C-terminus degradation product of phototropin was found as a stable component in C. reinhardtii. Light was found as a reason that caused the degradation. However, short time of illumination with strong light (up to 2 h) did not evoke the degradation machinery. In light gradient experiment, long time illumination (~48h) with different light intensity showed a clear degradation pattern. To study phototropin involvement in Chlamydomonas sexual life, a Phot1- strain was needed. An RNAi phototropin construct was made. It managed to reduce the level of phototropin in strain cw15 arg- A down to 10% of its original level. However, the construct did not work properly in other strains. Only one transformant of strain CC32pab1mt(+) with a reduction of the phototropin level to around 15% of the original level was found. Under different growth conditions, the silencing efficiency varied. The best silencing result appeared when cells were grown under low light conditions. A new mating assay was established in this work, which has many benefits over the traditional way of studying zygote germination. The conclusion was drawn from this assay that light was the primary factor that determines zygote germination; under moderate light conditions, zygotes with higher phototropin level would germinate earlier; strong illumination could compensate the difference caused by the low phototropin level in zygote germination. For phototropin function analysis in vitro, a Chlamydomonas strain that over-expressed phototropin was in need. To prove that the suspected degradation product originated from the phototropin gene and to purify phototropin for crystallization, trials to express C.r. phototropin cDNA in different organisms were also made. Phototropin was expressed in Xenopus oocytes and diatom in this work. The expression pattern confirmed that both the full-length and the suspected degradation product did originate from the same phototropin gene. It was also found that the degradation was independent on phototropin activation state by expressing C.r. Phot1 (C57S, C250S) in oocytes. For the first time, recombinant phototropin got expressed in Chlamydomonas by fusion expression strategy. The fusion product was purified and the identity was confirmed by Mass Spectrometry analysis. One strain which expressed only a C-terminus truncation version of the fusion product was found. Compared with the full length product, this mutant had better solubility and was easier to be purified. Large scale of purification should be performed to obtain enough material for crystallographic studies. Tandem affinity purification (TAP) tag should also be performed in Chlamydomonas proteomic studies about phototropin.

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Die für Pflanzen lebenswichtige Synthese von Tetrapyrrolen bedarf einer fein justierten Anpassung an die Umweltbedingungen und erfolgt auf transkriptioneller und post-translationaler Ebene. In den Chloroplasten hat sich die Regulation von Enzymen über ihren Redox-Status als probates Mittel zur Koordination der photosynthetischen Energiegewinnung und des Metabolismus erwiesen. Die bei der Photosynthese generierten Reduktionsäquivalente werden zum Teil über die Ferredoxin-Thioredoxin-Reduktase auf eine Vielzahl plastidärer Thioredoxine (TRX) übertragen, welche Disulfidbrücken ihrer Zielproteine reduzieren können. Unter den Enzymen der Tetrapyrrolbiosynthese (TBS) wurden bisher mehrere TRX-Interaktionspartner identifiziert, darunter die Glutamyl-tRNA-Reduktase (GluTR) und die 5-Aminolävulinsäure-Dehydratase (ALAD). In Arabidopsis Mutanten, in denen die NADPH-abhängige Thioredoxin-Reduktase (NTRC) oder f- und m-Typ-TRX fehlen, konnten verringerte Chlorophyll- und Hämgehalte beobachtet werden. Diese ließen sich auf die verringerte Stabilität verschiedener TBS-Enzyme in den Mutanten zurückführen, darunter auch die GluTR und ALAD. Die Relevanz der Cysteine (Cys, C) für die Regulation der GluTR1-Stabilität wurde in vivo über transgene Arabidopsis Cys➔Serin (Ser, S)-Substitutionslinien untersucht. Dabei erwies sich GluTR1(C464S) stärker vor dem Abbau über die kaseinolytische Protease (Clp) geschützt als das WT-Protein. Eine intermolekulare Disulfidbrücke zwischen den beiden Cys464-Resten des GluTR1-Homodimers wird daher als Abbausignal postuliert. Mit Hilfe der rekombinanten ALAD1(Cys➔Ser)-Substitutionsmutanten konnte gezeigt werden, dass nicht nur die Stabilität, sondern auch die Aktivität der ALAD1 in vitro vom Redox-Status des Enzyms abhängig ist. Die ALAD1(Cys➔Ser)-Substitutionsmutanten konnten über Enzymaktivitäts- und gel shift-Assays unter oxidierenden und reduzierenden Bedingungen zur Identifizierung der redox-sensitiven Cys beitragen. / The synthesis of tetrapyrroles, such as chlorophyll, is vital for plants and requires a finetuned regulation. The control mechanisms involved in tetrapyrrole biosynthesis (TBS) take place both on transcriptional and post-translational levels. A broadly spread post-translational regulatory mechanism in the chloroplast involves the reduction of inter- or intramolecular disulfide bonds of redox-sensitive target enzymes by thioredoxins (TRX). Thereby the coupling of photosynthetic energy production with several energy-consuming metabolic processes can be accomplished. The reduction of disulfide bonds in redox-sensitive enzymes was previously shown to lead usually to their activation. Regarding the TBS, several TRX interacting proteins have been identified, including glutamyl-tRNA-reductase (GluTR) as well as the 5-aminolevulinic acid dehydratase (ALAD). Through the detailed and combined analysis of mutants with deficient NADPH-dependent thioredoxin reductase C (NTRC), TRX-f and TRX-m, a correlation became evident between decreased chlorophyll and heme levels of the mutants and lower amounts of several TBS enzymes, including GluTR and ALAD. For GluTR1, transgenic Arabidopsis cysteine (Cys, C) ➔ serine (Ser, S) substitution lines were generated and analyzed to identify the redox-sensitive Cys residues in vivo. In these studies, GluTR1(C464S) was shown to be better protected from degradation by the caseinolytic protease (Clp) than the GluTR1 WT protein. Thus, an intermolecular disulfide bond between the Cys464 residues in the dimerization domain of the GluTR1 homodimer is postulated to serve as a degradation signal under oxidizing conditions. However, it was shown by activity- and gel shift-assays with recombinant ALAD1(Cys➔Ser) substitution mutants that not only the stability, but also the in vitro activity of ALAD1 depends on the enzyme's redox state. Redox-sensitive inter- and intramolecular disulfide bridges of ALAD1 were identified among Cys71, Cys152 and Cys251.

Bei der lichtinduzierten Oxidation von Wasser im Photosystem II (PSII) werden zwei wassermoleküle im katalytischen Zyklus des Metallclusters (Mn4CaO5) benötigt, und vier Protonen aus dem Cluster in den Lumen abgegeben. Daher ist es für das Verständnis des Mechanismus´ der Wasseroxidation von entscheidender Bedeutung, die Veränderung der Protonierungszustände am cluster während der Katalyse zu untersuchen. Hierbei sollten sowohl die Wasserkanäle für die Zuführung der Substratwassermoleküle als auch die Transportwege für die Freisetzung der Protonen untersucht werden. Deshalb wurde in meiner ersten Veröffentlichung ein neues Protokoll entwickelt, um einzelne große Kristalle von dPSII mit einer Länge von ~3 mm in der Längsachse zu züchten. Diese Kristalle mit einer Auflösung von ca. 8 Å gemessen. Um eine höhere Auflösung zu erzielen, ist die Verbesserung der Kristallqualität essenziell. Daher wurde in meiner zweiten Veröffentlichung die Struktur des Detergens-Protein-Komplexes von dPSII mit βDM, durch Anwendung von SANS in Kombination mit SAXS untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass βDM eine monomolekulare Schicht um dPSII bildet. Darüber hinaus konnten freie Mizellen von βDM in der Lösung nachgewiesen werden. Damit ist eine weitere Optimierung der βDM-Konzentration in der Proteinlösung erforderlich, um die Bildung von freien Mizellen zu minimieren. In meiner dritten Veröffentlichung wurde die strukturelle Dynamik in den Wasserkanälen, während des S2-S3 Übergangs mit Hilfe der XFEL untersucht. Ein Datensatz mit einer hohen Auflösung von 1,89 Å wurde durch die Zusammenführung von Daten gewonnen, die während des S2-S3 Übergangs gesammelt wurden. In Anbetracht der Analyse der zusammengeführten Daten und der einzelnen Zeitpunkte, die während des S2-S3 Übergangs gesammelt wurden, ist es wahrscheinlich, dass ein Substratwasser durch den O1-Kanal geliefert wird. Im Gegensatz dazu wird ein Proton aus dem Cluster durch den Cl1 Transportweg in Richtung Lumen freigesetzt. / The light-induced oxidation of water in Photosystem II (PSII) requires incorporating two water molecules in the catalytic cycle of the active metal cluster (Mn4CaO5). Furthermore, four protons are released towards the bulk from the cluster. Therefore, tracking the change of protonation states at the active catalytic site and the surrounding protein side chains during catalysis and elucidating the pathways of water substrate insertion and proton release are crucial to understanding the water oxidation mechanism. Therefore, in the first study of my work, a new protocol was developed to grow single large dPSIIcc crystals with a length of ~3 mm in the long axis. These crystals, soaked in D2O containing buffer, diffracted to about 8 Å resolution. Improving the crystal quality is crucial for achieving a better resolution. Consequently, in the second study of my work, the structure of the detergent-protein complex of βDM-dPSIIcc has been investigated by applying SANS in combination with SAXS. The results showed that βDM is forming a monomolecular layer around the dimeric PSII core complex (dPSIIcc). Moreover, the SAXS data detected a peak assigned to the free micelles of βDM. These results raise the necessity to optimize the βDM concentration in the protein solution to avoid the possible excess of free micelles. In the third study of my work, the structural dynamics in the water channels connecting the cluster to the lumen during the S2  S3 transition were investigated using serial femtosecond XFEL. A high-resolution data set was obtained at a resolution of 1.89 Å by combining data collected at RT. Considering the analysis of the combined data and the individual time points collected during the S2  S3 transition, it is likely that the substrate water insertion into the open coordination site of the Mn1 ion is delivered through the O1 channel. In contrast, a proton from the cluster is released towards the bulk through the Cl1 A channel.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Funktion der beiden cyanobakteriellen Phytochrome Cph1 und Cph2 untersucht. Dafür wurde zunächst das Wachstum von Mutanten mit einem inaktivierten cph1- bzw. cph2-Gen unter verschiedenen Lichtbedingungen analysiert. Das Wachstum aller Phytochrommutanten war unter Starklicht beeinträchtigt. Dahingegen wuchs die cph1-Mutante im FRL schlechter als der Wildtyp, während das Wachstum der cph2-Mutante im RL vermindert war. Eine cph1/cph2-Doppelmutante zeigte unter allen Lichtbedingungen eine Wachstumsreduktion, die der jeweiligen Einzelmutante ähnlich war. Die genaue Ursache für die Beeinträchtigung des Wachstums der Phytochrommutanten konnte nicht ermittelt werden. Die verschiedenen Aspekte der Photosynthese, wie Pigmentzusammensetzung, maximale Netto-Sauerstofffreisetzungsrate und 77K-Fluoreszenzemission, waren in den Phytochrommutanten nicht signifikant verändert. Bei Synechocystis sp. PCC 6803 konnte eine lichtgerichtete Bewegung beobachtet werden, wobei man aufgrund von Aktionsspektren der Motilität eine Funktion der Phytochrome oder phytochromähnlichen Proteine bei der Steuerung der phototaktischen Bewegung vermutet. Dem Cph1-Protein konnte hierfür keine Rolle zugeordnet werden. Dahingegen scheint der Photorezeptor Cph2 die lichtgerichtete Bewegung der Zellen in Richtung einer Blaulichtquelle zu inhibieren. Eine Interaktion mit einem klassischen Blaulicht-Rezeptor konnte ausgeschlossen werden. / The function of the cyanobacterial phytochromes Cph1 and Cph2 was investigated. At first, the growth of mutants with an inactivated cph1 or cph2 gene was analysed under different light conditions. The growth of all phytochrome mutants was affected under high-light conditions. However, the cph1 mutant grew slower than the wild type in far-red light, whilst the cph2 mutant revealed a reduced growth under red light conditions. A decreased growth of the cph1/cph2 double mutant was observed under all light conditions with a growth rate similar to the corresponding single mutant. The exact reason for the growth impairment of the phytochrome mutants could not be ascertained. Different aspects of photosynthesis (pigment composition, maximal net-oxygen evolution and 77K fluorescence emission) were not changed significantly in the phytochrome mutants. Synechocystis sp. PCC 6803 shows a movement towards a light source. Based on action spectra of motility phytochromes and phytochrome-like proteins are supposed to have a function in regulating the phototactic movement. An influence of the Cph1 protein in the phototactic movement was not demonstrated. Whereas, the Cph2 protein seems to be involved in the inhibition of the cell movement towards blue light. An interaction with a typical blue-light receptor was excluded.