Furan was recently found to be present in a variety of food items that undergo heat treatment. It is known to act as a potent hepatotoxin and liver carcinogen in rodents. In a 2-year bioassay, chronic furan administration to rats was shown to cause hepatocellular adenomas and carcinomas and very high incidences of cholangiocarcinomas even at the lowest furan dose tested (2.0 mg/kg bw). However, the mechanisms of furan-induced tumor formation are poorly understood. Furan is metabolized by cytochrome P450 (CYP) enzymes, predominantly CYP2E1, to its major metabolite cis-2-butene-1,4-dial (BDA). BDA is thought to be the key mediator of furan toxicity and carcinogenicity and was shown to react with cellular nucleophiles such as nucleosides and amino acid residues in vitro. It is well known that covalent protein binding may lead to cytotoxicity, but the cellular mechanisms involved remain to be elucidated. Since covalent binding of reactive intermediates to a target protein may result in loss of protein function and subsequent damage to the cell, the aim of this study was to identify furan target proteins to establish their role in the pathogenesis of furan-associated liver toxicity and carcinogenicity. In order to identify target proteins of furan reactive metabolites, male F344/N rats were administered [3,4-14C]-furan. Liquid scintillation counting of protein extracts revealed a dose-dependent increase of radioactivity covalently bound to liver proteins. After separation of the liver protein extracts by two-dimensional gel electrophoresis and subsequent detection of radioactive spots by fluorography, target proteins of reactive furan intermediates were identified by mass spectrometry and database search via Mascot. A total of 61 putative target proteins were consistently found to be adducted in 3 furan-treated rats. The identified proteins represent - among others - enzymes, transport proteins, structural proteins and chaperones. Pathway mapping tools revealed that target proteins are predominantly located in the cytosol and mitochondria and participate in glucose metabolism, mitochondrial β-oxidation of fatty acids, and amino acid degradation. These findings together with the fact that ATP synthase β subunit was also identified as a putative target protein strongly suggest that binding of furan reactive metabolites to proteins may result in mitochondrial injury, impaired cellular energy production, and altered redox state, which may contribute to cell death. Moreover, several proteins involved in the regulation of redox homeostasis represent putative furan target proteins. Loss of function of these proteins by covalent binding of furan reactive metabolites may impair cellular defense mechanisms against oxidative stress, which may also result in cell death. Besides the potential malfunction of whole pathways due to loss of functions of several participating proteins, loss of function of individual proteins which are involved in various cellular processes such as transport processes across the mitochondrial membranes, cell signaling, DNA methylation, blood coagulation, and bile acid transport may also contribute to furan-induced cytotoxicity and carcinogenicity. Covalent binding of reactive metabolites to cellular proteins may result in accumulation of high amounts of unfolded or damaged proteins in the endoplasmic reticulum (ER). In response to this ER stress, the cell can activate the unfolded protein response (UPR) to repair or degrade damaged proteins. To address whether binding of furan reactive metabolites to cellular proteins triggers activation of the UPR, semiquantitative PCR and TaqMan® real-time PCR were performed. In the case of UPR activation, semiquantitative PCR should show enhanced splicing of X-box binding protein-1 (XBP1) mRNA (transcription factor and key regulator of the UPR) and TaqMan® real-time PCR should determine an increased expression of UPR target genes. However, our data showed no evidence for activation of the UPR in the livers of rats treated either with a single hepatotoxic dose or with a known carcinogenic dose for 4 weeks. This suggests either that furan administration does not induce ER stress through accumulation of damaged proteins or that activation of the UPR is disrupted. Consistent with the latter, glucose-regulated protein 78 (GRP78), identified as a target protein in our study, represents an important mediator involved in activation of the UPR whose inhibition was shown to impair induction of the UPR. Thus, adduct formation and inactivation of GRP78 by furan metabolites may disturb activation of the UPR. In addition to impaired activation of UPR, protein repair and degradation functions may be altered, because several proteins involved in these processes also represent target proteins of furan and thus may show impaired functionality. Taken together... / Im Rahmen von Untersuchungen der U.S. Food and Drug Administration (FDA) wurde im Jahr 2004 bekannt, dass Furan in verschiedensten hitzebehandelten Lebensmitteln vorkommt. Durch Tierstudien des National Toxicology Programs (NTP) aus den 90er Jahren wusste man bereits, dass Furan hepatotoxische und leberkanzerogene Wirkungen in Nagern verursacht. In diesen Studien wurden nach chronischer Verabreichung von Furan an Ratten über einen Zeitraum von 2 Jahren bereits bei der niedrigsten getesteten Dosis von 2 mg/kg Körpergewicht hepatozelluläre Adenome und Karzinome sowie sehr hohe Inzidenzen von Cholangiokarzinomen beobachtet. Die Mechanismen, die der Tumorentstehung durch Furan zugrunde liegen, sind jedoch bis heute nicht ausreichend untersucht. Furan wird durch Enzyme der Cytochrom P450 (CYP) Familie, vor allem durch CYP2E1, zu seinem Hauptmetaboliten cis-2-Buten-1,4-dial (BDA) verstoffwechselt. Der reaktive Furan-Metabolit BDA kann in vitro mit zellulären Nukleophilen wie Nukleosiden und Aminosäureresten reagieren. Verschiedene Untersuchungen weisen darauf hin, dass die toxischen und kanzerogenen Effekte von Furan hauptsächlich durch BDA vermittelt werden. Es ist seit langem bekannt, dass kovalente Bindung an Proteine zu Zytotoxizität führen kann. Der zugrunde liegende Mechanismus ist bislang noch ungeklärt. Es wird jedoch vermutet, dass die kovalente Bindung von reaktiven Metaboliten an Proteine zu deren Funktionsverlust führt, was wiederum fatale Konsequenzen für die Zellen haben kann. Eine Identifizierung der Zielproteine von Furan, d.h. jener Proteine an denen eine Adduktbildung durch reaktive Metabolite von Furan erfolgt, könnte daher Aufschluss über deren mögliche Rolle in der Pathogenese der durch Furan induzierten Lebertoxizität und -kanzerogenität geben. Um die Zielproteine reaktiver Furan-Metabolite zu identifizieren, wurde [3,4-14C]-Furan an männliche F344/N Ratten verabreicht. Durch Flüssigkeitsszintillationszählung der Proteinextrakte wurde ein dosisabhängiger Anstieg der kovalent an Leberproteine gebundenen Radioaktivität ermittelt. Nach der Auftrennung der Leberproteinextrakte durch zweidimensionale Gelelektrophorese und der Detektion der radioaktiven Spots durch Fluorographie wurden die Zielproteine reaktiver Furan-Metabolite durch Massenspektrometrie und Datenbanksuche (Mascot-Datenbank) identifiziert. In 3 Ratten, die mit Furan behandelt worden waren, wurden übereinstimmend 61 mögliche Zielproteine von Furan identifiziert. Unter diesen Zielproteinen waren unter anderem Enzyme, Transportproteine, Strukturproteine und Chaperones vertreten. Die Zuordnung der identifizierten Proteine zu zellulären Signal- und Stoffwechselwegen mittels spezieller Software zeigte, dass die Zielproteine hauptsächlich aus dem Zytosol und den Mitochondrien stammen und an Glucosemetabolismus, mitochondrieller β-Oxidation von Fettsäuren und dem Abbau von Aminosäuren beteiligt sind. Außerdem wurde auch die β-Untereinheit der ATP-Synthase als mögliches Zielprotein identifiziert. Diese Ergebnisse weisen stark darauf hin, dass die Bindung reaktiver Furan-Metabolite an Proteine zur Schädigung der Mitochondrien, Beeinträchtigung der zellulären Energieproduktion und verändertem Redox-Status führen und damit zum Zelltod beitragen könnte. Weiterhin befanden sich unter den möglichen Zielproteinen auch Proteine, die für die Regulation der Redox-Homöostase in der Zelle verantwortlich sind. Ein Funktionsverlust dieser Proteine durch die kovalente Bindung reaktiver Furan-Metabolite könnte eine verminderte Fähigkeit der Zelle oxidativen Stress abzuwehren zur Folge haben, was wiederum zum Zelltod führen könnte. Zusätzlich dazu, dass die kovalente Modifikation mehrerer Proteine aus dem gleichen Stoffwechselweg dessen Gesamtfunktion beeinträchtigen kann, ist es außerdem möglich, dass Adduktbildung an einzelnen Proteinen mit Schlüsselfunktionen in der Aufrechterhaltung der Zellhomöostase toxische Effekte auslösen kann. Ein Funktionsverlust dieser Proteine, die z.B. in Transportprozesse durch Mitochondrienmembranen, zelluläre Signalwege, DNA-Methylierung, Blutgerinnung und Gallensäuren-Transport involviert sind, könnte ebenfalls an den zytotoxischen und kanzerogenen Wirkungen von Furan beteiligt sein. Die kovalente Bindung reaktiver Furan-Metabolite an zelluläre Proteine kann zu einer Akkumulation großer Mengen an ungefalteten oder beschädigten Proteinen im endoplasmatischen Retikulum (ER) führen. Als Antwort auf diesen sogenannten ER-Stress kann die Zelle den Unfolded Protein Response (UPR) aktivieren, einen zellulären Signalweg um vermehrt beschädigte Proteine zu reparieren oder abzubauen. Um festzustellen, ob die Bindung reaktiver Furan-Metabolite an zelluläre Proteine eine Aktivierung des UPR auslöst, wurden semiquantitative PCR und Real-Time-PCR Analysen durchgeführt. Nach einer Aktivierung des UPR sollte...

n this work the synthesis and analysis of chromophore functionalized spherical gold nanoparticles is presented. The optical, electrochemical and spectroelectrochemical properties of these hybrid materials are furthermore studied. The work therefore is divided into two parts. The first part deals with triarylamine and PCTM-radical functionalized gold nanoparticles. The focus thereby was on the synthesis and on the investigations of chromophore-chromophore interactions and gold core-chromophore interactions. The chromopores, especially triarylamines, were attached to the gold core via different bridging units and were studied with optical and electrochemical methods. The purity and dimensions of the nanoparticles was determined by 1H-NMR spectroscopy, diffusion ordered NMR spectroscopy (DOSY), TGA, XPS and STEM. Furthermore a cyclic voltammetry technique was used to determine the composition of the particles via the Randles-Sevcik equation. An analysis of these parameters led to a model of a sea urchin-shaped nanoparticle. Optical measurements of the particles revealed an anisotropic absorption behavior of the triarylamine units due to gold core-chromophore interaction. However this behavior depends strongly on the relative orientation of the transition dipole moment of the chromophore to the gold surface and the distance of the chromophore to the surface. Hence, the anisotropic behavior was exclusively detected in the spectra of the Au-Tara1 particles. The short and rigid pi-conjugated bridging unit thereby facilitates this gold core-chromophore interaction. It was shown from electrochemical investigations that the triarylamine units can be chemically reversibly oxidized to the triarylamine monoradical cation. Furthermore, the measurements revealed a strong interligand triarylamine-triarylamine interaction which was only seen for the Au-Tara1 particles. The long pi-conjugated bridging units of the Au-Tara2 and Au-Tara3 particles as well as the aliphatic bridging unit of Au-Tara4 prevent any detectable interligand interactions. One may conclude that both the gold core-chromophore and the interligand triarylamine-triarylamine interaction depend on the length and the rigidity of the bridging unit. The electron transfer behavior of the triarylamine units adsorbed onto the gold core was additionally studied via spectroelectrochemical (SEC) measurements which are able to reveal weaker interactions. The investigations of Au-Tara1 and Au-Tara2 revealed a significant strong coupling between neighboring triarylamine units which is due to through-space intervalence interactions. This behavior was not detected for Au-Tara3 or for Au-Tara4. The SEC analysis also revealed that these observed interligand interactions depend on the length and the rigidity of the bridging unit. Thus, the systematic variation of the bridging unit gave a basic insight in the optical and electrochemical properties of triarylamines, located in the vicinity of a gold nanoparticle. The second part of this work aimed at the synthesis of new molecules, denoted as SERS-markers, for immuno SERS applications. For this purpose, the SERS-markers were designed to have a Raman-active unit and a thiol group for chemisorptions to Au/Ag nanoshells. In cooperation with the group of Schlücker (University of Osnabrück) the SERS-markers were absorbed onto Au/Ag nanoshells, denoted as SERS-labels, and characterized. The SERS spectra of the SERS-labels exhibited intense and characteristic SERS-signals for each marker. For immuno SERS investigations SEMA3 was functionalized with a hydrophilic end unit. This marker was adsorbed onto an Au/Ag nanoshell and encapsulated with silica. An anti-p63 antibody was bound to the silica surface in order to generate a SERS-labeled antibody for the detection of the tumor suppressor p63 in benign prostate. Immuno-SERS imaging of prostate tissue incubated with SERS-labeled anti-p63 antibodies demonstrated the selective detection of p63 in the basal epithelium. The results show the potential of the method for the detection of several biomolecules in a multiplexing SERS experiment. / In dieser Arbeit wurde die Synthese und Analyse von neuen Nanopartikel-Hybrid-Strukturen gezeigt. Darüber hinaus wurden die optischen, elektrochemischen und spektroelektrochemischen Eigenschaften dieser Materialien untersucht. Die Arbeit gliederte sich dabei in zwei Teile. Der erste Teil beschäftigt sich mit Triarylamin- und PCTM-Radikal-funktionalisierten Gold-Nanopartikeln. Im Zentrum dieser Untersuchung stand neben der Synthese vor allem die Untersuchung von Chromophor-Chromophor Wechselwirkungen und Goldkern-Chromophor Wechselwirkungen. Dazu wurden in erster Linie Triarylamine mit verschiedenen Brückeneinheiten an den Goldkern angeknüpft und mit optischen und elektrochemischen Methoden untersucht. Die Reinheit und die Abmessungen der Nanopartikel konnte mit 1H-NMR Spektroskopie, diffusion-ordered-NMR Spektroskopie-(DOSY), TGA, XPS und STEM genau bestimmt werden und die Zusammensetzung der Partikel mit einer elektrochemischen Analysemethode errechnet werden. Aus diesen Parametern wurde dann die Seeigel-artige Struktur der Partikel abgeleitet. Die optischen Untersuchungen der Partikel zeigte ein anisotropes Absorptionsverhalten der Triarylamine, welches eine Folge von Goldkern-Chromophor Wechselwirkungen ist. Dieses Verhalten war allerdings sehr stark von der Orientierung des Übergangdipolmoments des Chromophors zur Goldoberfläche abhängig und vom Abstand des Chromophors zur Goldoberfläche. So war das anisotrope Verhalten nur bei Au-Tara1 zu beobachten. Die kurze und starre pi-konjugierte Brückeneinheit begünstigte dabei die Chromophor-Goldkern Wechselwirkung. In elektrochemischen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Triarylamin-Einheiten chemisch reversibel zum Monoradikal-Kation oxidiert werden können. Darüber hinaus konnte in den Messungen eine starke Interligand-Triarylamin-Triarylamin-Wechselwirkung für die Au-Tara1 Partikel beobachtet werden. Die längeren Brückeneinheiten der Au-Tara2 und Au-Tara3 Partikel als auch die aliphatische Brücke des Au-Tara4 Partikels verhinderten eine elektronische Interligand-Wechselwirkung. Somit zeigt sich, dass nicht nur die Triarylamin-Goldkern-Wechselwirkung sondern auch die Interligand-Wechselwirkung sehr sensitiv auf die Länge und Starrheit der Brücke reagieren. In einer weiteren Untersuchung wurde das Elektronentransferverhalten der Triarylamin-Einheiten auf dem Partikel untersucht. In den dafür durchgeführten spektroelektrochemischen Untersuchungen wurde eine starke Kopplung zwischen benachbarten Triarylamin-Einheiten beobachtet. Dieses Verhalten wurde den Intervalenz-Wechselwirkungen durch den Raum zugeordnet und war weder für Au-Tara3 noch für Au-Tara4 zu beobachten. Diese Analyse zeigte, dass auch diese interligand Wechselwirkung stark von dem Abstand und der Orientierung der Triarylamin-Einheiten zueinander abhängt. Somit konnte durch die systematische Variierung der Brückeneinheit ein detailierter Einblick in die optischen und elektrochemischen Eigenschaften von Triarylaminen adsorbiert auf kleinen runden Gold-Nanopartikeln gegeben werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden neue Moleküle, sogenannte SERS-Marker, für den Einsatz in immuno-SERS-Mikroskopie Experimenten synthetisiert. Zu diesem Zweck wurden die Moleküle mit verschiedenen Raman-aktiven Einheiten und einer Thiol-Funktion ausgestattet. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. S. Schlücker (Universität Osnabrück) wurden die Marker mittels Thiol-Einheit auf Au/Ag-Hohlkugeln aufgebracht (SERS-Label) und dann untersucht. Die SERS-Spektren der SERS-Label zeigten intensive und für jeden Marker charakteristische SERS-Signale. Für immuno-SERS-Experimente wurde dann SEMA3 mit einer hydrophilen Schwanzeinheit versehen. Dieser Marker wurde wiederum auf eine Au/Ag-Hohlkugel aufgebracht und an den hydrophilen Schwanzeinheiten mit einer Silikatschicht überzogen. Anschließend wurde zusätzlich ein anti-p63 Antikörper aufgebracht, um den Tumorsuppressor p63 zu detektieren, der vor allem in gutartigen Prostata-Gewebe vorkommt. Mit dem SERS-markierten Antikörper konnte an Prostata-Gewebe p63 im Basal-Epithel nachgewiesen werden. Diese Untersuchungen zeigen das Potential dieser Methode zum gleichzeitigen Nachweis verschiedener Biomoleküle in einem Multiplexing Experiment.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde in Fortführung der Forschung unserer Arbeits-gruppe im Bereich der C/Si-Bioisosterie auf der Suche nach neuen Patchouli-Riechstoffen eine Reihe von neuartigen siliciumhaltigen Riechstoffen dargestellt. Als Vorbild für diese Strukturen diente eine ebenfalls dargestellte Überlagerungsstruktur von einem kürzlich ge-fundenen spirocyclischen Patchouli-Riechstoff und dem natürlichen Riechstoff (–)-Patchoulol. Darüber hinaus wurden von den beiden aus dieser Reihe besten Verbindungen auch die bis dato unbekannten Carba-Analoga synthetisiert. Die vorliegende Arbeit beschreibt außerdem die Synthese eines Germa-Analogons des Maiglöckchen-Riechstoffs Bourgeonal sowie die Versuche zur Synthese des Disila-Analogons eines bekannten holzigen Riechstoffs. Die ent-sprechenden Zielverbindungen sowie alle isolierten Zwischenstufen wurden durch NMR-Spektroskopie (1H, 13C, 29Si) und Elementaranalysen charakterisiert. In einigen Fällen erfolgte zusätzlich eine strukturelle Charakterisierung durch Einkristall-Röntgenstrukturanalyse. / This work describes the synthesis of novel silicon containing patchouli odorants that derive from a cis-decalol intersection structure of a recently found spirocyclic patchouli odorant, also reported within, and the natural compound responsible for the smell of patchouli,(–)-patchoulol. In addition, the hitherto unknown carbon analogues of the two best silicon containing patchouli odorants were prepared. Furthermore, a germa-analogue of the lily-of-the-valley odorant bourgeonal was synthesized. This thesis also deals with the synthesis of a disila-analogue of non-cyclic woody odorants. All the aforementioned target compounds and their intermediates were characterized by NMR studies (1H, 13C, 29Si), elemental analyses, and in some cases also by single-crystal X-ray diffraction.

Die vorliegende Arbeit präsentiert theoretische Untersuchungen zu Energie- und Ladungs-Transporteigenschaften in organischen Kristallen. Kapitel 4 behandelt Exzitonentransport in Anthracen bei dem der Fall einer schwachen Kopplung zwischen den π-Systemen vorliegt. Die elektronische Kopplung wird mit dem „monomer transition density“ (MTD) Ansatz berechnet. Aus den Kopplungen und Reorganisationsenergien werden mit der Marcus-Theorie Hüpfraten berechnet. Mit Kenntnis der Kristallstrukturen werden daraus in die experimentell zugänglichen Exzitonendiffusionslängen berechnet, deren isotroper Anteil im Rahmen der Streuung der experimentell zugänglichen Daten reproduziert werden. Auch die Anisotropie der Exzitonendiffusionslängen wird qualitativ und quantitativ im Rahmen der zu erwartenden Messgenauigkeit richtig wiedergegeben. Weiterhin enthält Kapitel 4 Untersuchungen zum Elektronen- und Lochtransport in den zwei verschiedenen Modifikationen (α und β) von Perylen. Reorganisationsenergien sowie Diffusionskonstanten wurden für beide beide Kristallstrukturen und Typen des Ladungstransports berechnet. Den besten Transport stellt dabei Lochtransport in β-Perylen dar, jedoch ist dieser stark isotrop. Die bevorzugte Transportrichtung is entlang der b-Achse der Einheitszelle mit elektronischen Kopplungen von größer als 100 meV. Allerdings gibt es hier keinerlei Lochtransport in Richtung der c-Achse. Die Diffusionskonstante in Richtung der b-Achse ist um zwei Größenordnungen größer als die in c-Richtung (62.7•10-6 m2/s vs. 0.4•10-6 m2/s). Der Ladungstransport wird sowohl für Löcher, als auch für Elektronen in beiden Perylenmodifikationen immer stark anisotrop berechnet. Um diese Resultate zu verifizieren wurden experimentelle Elektronenmobilitäten in α-Perylen mit den Simulationen verglichen. Es stellte sich eine sehr gute Übereinstimmung heraus mit Fehlern von nur maximal 27%. Wie oben gezeigt, ist es möglich Transporteigenschaften in zwischen schwach wechselwirkenden Systemen zu berechnen und zu messen. Allerdings ist es hier schwierig, die Güte der zu Grunde liegenden Kopplungsparameter genau anzugeben. Aus diesem Gunde wurde eine Zusammenarbeit über stark wechselwirkede Systeme zwischen uns sowie den Arbeitskreis von Prof. Ingo Fischer begonnen. Dort wurden [2.2]Paracyclophane und dessen Derivate untersucht um zu zeigen, wie Substitution mit Hydroxylgruppen deren Absorptionseigenschaften beeinflusst. Eine Kombination der SCS-MP2 und SCS-CC2-Methoden liefert hierbei insgesamt die besten Ergebnisse um die geometrischen und elektronischen Strukturen für Grund- und angeregte Zustände dieser Modellsysteme sowie deren Stammmolekülen Benzol und Phenol zu beschreiben. Strukturell weist nur [2.2]Paracyclophan im Grundzustand ein Doppelminimumspotenzial bzgl. Verschiebung und Verdrillung der Benzol/Phenol-einheiten untereinander auf. Alle anderen Systeme sind aufgrund ihrer Substitution weniger flexibel. Fast alle untersuchten [2.2]Paracyclophane zeigen nur geringe Strukturänderungen bei der Anregung in den S1 Zustand: Der Abstand zwischen den Ringen wird kürzer, aber qualitativ behalten sie ihre Verdrillung und Verschiebung bei, wenn auch das Ausmaß dieser Verzerrungen reduziert wird. Die Ausnahme hierbei ist p-DHPC, welches von einer verschoben Struktur im Grundzustand in eine verdrillte Struktur im angeregten Zustand übergeht. Dies hat zur Konsequenz, dass die Intensität des 0-0-Übergangs aufgrund der Franck-Condon Faktoren für p-DHPC experimentell nicht mehr beobachtet werden kann und von Verunreinigungen durch o-DHPC überdeckt wird. Die Strukturen der Paracyclophane und deren Änderung durch elektronische Übergänge werden in dieser Arbeit durch elektrostatische Potenziale sowie den antibindenen (bindenden) HOMO (LUMO) Orbitalen erklärt. Adiabatische Anregungsenergien wurden mit Nullpunktsschwingungsenergien korrigiert und liefern Genauigkeiten deren Fehler weniger als 0,1 eV beträgt. Hierbei ist zu beachten, dass eine Korrektur auf B3LYP Niveau die Ergebnisse verschlechtert und man die Berechnung der Schwingungsfrequenzen auf SCS-CC2 durchführen muss um diese Genauigkeit zu erhalten. Aufgrund dieser Rechnungen wurde eine Interpretation der experimentellen [1+1]REMPI Spektren möglich. Bandenprogressionen für die Schwingungen der Verschiebung, der Verdrillung und einer Atmung im [2.2]Paracyclophanskelett wurden identifiziert und zeigen gute Übereinstimmung zum Experiment. Diese Arbeiten zeigen, dass das Substitutionsschema von [2.2]Paracyclophanen eine erhebliche Auswirkung auf die spektroskopischen Eigenschaften haben kann. Da diese Eigenschaften direkt mit den Transporteigenschaften dieser Materialien verbunden ist, kann das hier gewonnene Verständnis der spektroskopischen Eigenschaften genutzt werden, um Materialien mit maßgeschneiderten Transporteigenschaften zu designen. Es konnte gezeigt werden, dass die SCS-CC2-Methode sehr gut geeignet ist, die zu Grunde liegende Wechselwirkung zwischen den π-Systemen vorherzusagen. / The present work presents investigations on energy and charge transport properties in organic crystals. Chapter 4 treats exciton transport in anthracene, which is an example for weakly coupled π-systems. The electronic coupling parameter is evaluated by the monomer transition density approach. With these and the reorganization energy hopping rates are calculated in the framework of the Marcus theory. Together with the knowledge of the crystal structure, these allow us to calculate the experimental accessible exciton diffusion lengths, whose isotropic part fits nicely within the scattering of experimental values found in the literature. Furthermore, the anisotropy of the exciton diffusion lengths is reproduced qualitatively and quantitatively correct. This chapter also contains studies about electron and hole transport in both polymorphs (α and β) of perylene. Reorganization energies as well as diffusion coefficients for both crystal structures and types of charge transport were calculated. The best transport is hole transport in β-perylene, but it is strongly isotropic. The preferred transport direction is along the b-axis of the unit cell with couplings of greater than 100 meV. However, there is no transport along the c-axis. The diffusion constant in b-direction is bigger by two orders of magnitude than in c-direction (62.7•10-6 m2/s vs. 0.4•10-6 m2/s). Charge transport is calculated to be strongly anisotropic for holes as well as electrons in both modifications. To verify these results experimental electron mobilities have been compared to the simulations. Good agreement was found with errors of less than 27%. As it was shown above, the calculation and measurement of transport properties between weakly coupled systems is possible. However, it is difficult to exactly determine the quality of the electronic coupling. For this reason a collaboration about strongly interacting π-systems was started between us and the research group of Prof. Ingo Fischer. There, [2.2]paracyclophanes and its derivates were investigated to show how hydroxyl substitution influences absorption properties. Overall, a combination of SCS-MP2 and SCS-CC2 performs best to address the description of geometric and electronic structures for both ground and excited states of these model systems as well as their parent compounds benzene and phenol. Only [2.2]paracyclophane shows a double minimum potential regarding a twist and shift motion between the benzene/phenol subunits towards each other. All other systems are less flexible due to their substitution pattern. Almost all [2.2]paracyclophanes display minor changes in their geometric structure upon excitation to the S1 state: The inter-ring distance shortens, but qualitatively they keep their shift and twist characteristics, although the extent of these deformations diminishes. The exception is p-DHPC, which turns from a shifted ground state structure into a twisted excited state structure. Consequently, the intensity of the 0-0 transition cannot be observed experimentally due to small Franck-Condon factors and impurities of o-DHPC. In the present thesis, the structures and their changes due to excitation are explained by electrostatic potentials as well as antibonding (bonding) HOMO (LUMO) orbitals. Adiabatic excitation energies have been corrected by ZPEs and result in accuracies with errors smaller than 0.1 eV. Note that corrections on the B3LYP level worsen the results and one has to apply SCS-CC2 to achieve this accuracy. These calculations allow an interpretation of the experimental [1+1]REMPI spectra. Band progressions of the twist, shift and breathing of the [2.2]paracyclophane skeleton vibrations have been identified and show good agreement to the experiment. This work shows that the substitution pattern in [2.2]paracyclophanes can have a significant impact on spectroscopic properties. Because these properties are directly linked to the transport properties of these materials, the hereby gained insight can be used to design materials with customized transport properties. It was shown that the SCS-CC2 method is very appropriate to predict the interaction between the π-systems

Bei SARS („Schweres akutes respiratorisches Syndrom“) handelt es sich um eine Infektionskrankheit des Menschen, welche im November 2002 erstmalig auftrat. Als Erreger dieser Krankheit wurde das SARS-assoziierte Coronavirus identifiziert. Dessen viruseigene Reproduktionsmaschinerie wird vor allem durch die katalytische Aktivität einer Cysteinprotease, der SARS-Coronavirus-Hauptprotease (SARS-CoV-Mpro), und die damit verbundene Prozessierung von viralen Polyproteinen, aufrechterhalten. Diese Schlüsselfunktion der SARS-CoV-Mpro macht sie zu einem vielversprechenden Zielobjekt bei der Entwicklung von spezifischen Inhibitoren für diese Protease, welche somit eine Vermehrung des Virus verhindern. In dieser Arbeit wurde die SARS-CoV-Mpro mit optimierten Methoden exprimiert und gereinigt. Mit der Methode der ESI-MS-Analyse konnte ein kovalentes, irreversibles Bindungsverhalten verschiedener Inhibitoren gezeigt werden und erstmals auch die Bindung von Fragmenten von Inhibitormolekülen an die Protease. So zeigten die SARS-CoV-Mpro-Inhibitoren MH211A und UK-VI-1g eine kovalente Bindung des kompletten Moleküls pro Enzym-Monomer: überraschenderweise hatten bis zu vier Moleküle MH211A bzw. zwei Moleküle UK-VI-1g an ein Proteasemolekül gebunden. Die Bindung von UK-VI-1g an die Protease wurde an zwei Peptiden im Bereich von den Aminosäuren 62 bis 76 bzw. 280 bis 298 nachgewiesen, wobei beide nicht in der Nähe der active site lokalisiert sind. Im Falle des Inhibitors Lit1 bindet der 2,6-Dinitro-4-trifluoromethyl-phenyl-Rest, bei TS48 das Zimtsäure-Thioester-Fragment kovalent an jedes Monomer im dimeren Enzym. Die SARS-CoV-Mpro wurde erstmals ohne Abtrennung des C-terminalen His-tag mit spezifischen Inhibitoren co-kristallisiert. Drei mögliche Orientierungen des Inhibitors TS174 wurden in der active site der Protease identifiziert. Aufgrund der schwachen Elektronendichte des Inhibitors konnten diese nicht weiter untersucht werden. Das Iod-Isatin-Derivat IISBT wurde ebenfalls mit der SARS-CoV-Mpro zusammen co-kristallisiert und es konnte erstmalig eine kovalente Bindung eines Isatin-Derivats an die SARS-CoV-Mpro anhand einer Röntgenstruktur klar gezeigt werden. Diese Struktur zeigte dann, dass früher veröffentlichte molekulare docking-Studien, die eine nicht-kovalente Bindung von IISBT und anderen Isatin-Derivaten veranschaulichen, nochmal überdacht werden sollten. Basierend auf einer ESI-MS-Analyse und früheren Ergebnissen von MALDI- und Dialyse-Experimenten, kann man sicher annehmen, dass IISBT in einer kombinierten kovalent-reversiblen Art und Weise an die SARS-CoV-Mpro bindet. / SARS („severe acute respiratory syndrome”), a respiratory disease in humans, appeared in November 2002 for the first time. The causative agent of this disease is the SARS-associated coronavirus. Its replication machinery is maintained by the catalytic activity of a cysteine protease, named SARS coronavirus main protease (SARS-CoV-Mpro) that processes the virus derived polyproteins. Based on this key role the SARS-CoV-Mpro is an attractive target for the development of specific inhibitors against this protease thereby inhibiting the reproduction of the virus. In this work, the SARS-CoV-Mpro was expressed and purified by optimized methods. Through ESI-MS analysis an irreversible covalent interaction of various inhibitors was detected but also for the first time the binding of fragments of the inhibitors to the protease. Accordingly the SARS-CoV-Mpro inhibitors MH211A and UK-VI-1g displayed a covalent binding of the complete molecule to the enzyme monomer: surprisingly up to four molecules of MH211A and two molecules of UK-VI-1g respectively bound to one protease molecule. The interaction of UK-VI-1g with the protease was detected for two peptides ranging from amino acids 62 to 76 and 280 to 298 both of which are not located near the active site. In case of inhibitor Lit1 the 2,5-dinitro-4-trifluormethlphenyl-fragment and in TS48 the cinnamic acid-thioester-fragment binds covalently to each monomer in the dimeric enzyme. For the first time the SARS-CoV-Mpro was co-crystallized with specific inhibitors without cleaving the C-terminal His-tag. Three possible orientations of the inhibitor TS174 were identified in the active site of the protease. They could not be further resolved due to the weak electron density for the inhibitor. The iodoisatin derivative IISBT was co-crystallized with SARS-CoV-Mpro as well and a covalent binding mechanism of an isatin derivative to the SARS-CoV-Mpro was clearly shown for the first time in an X-ray structure. This structure then indicates that the previously published molecular docking studies demonstrating a noncovalent binding mode of IISBT and other isatin derivatives should be reconsidered. Based on an ESI-MS analysis and previous results of MALDI and dialysis experiments it is safe to assume that IISBT binds to the SARS-CoV-Mpro in a combined covalent reversible manner.

Die kausalen Ursachen, die zur Auslösung der neurodegenerativen Erkrankung Morbus Parkinson führen, sind noch immer unklar. Man nimmt heute an, daß das Absterben dopaminerger Neurone im Mittelhirn von Parkinsonpatienten multifaktoriell ausgelöst wird. Genetische Prädisposition sowie endogene und exogene Umweltgifte wie etwa Substanzen, die strukturelle Ähnlichkeit mit dem bekanntesten dopaminergen Neurotoxin MPTP (1-Methyl-4-phenyl-1,2,3,5-tetrahydropyridin) besitzen, werden als Hauptursachen für die Entstehung des Parkinsonsyndroms diskutiert. Diese Arbeit beschäftigt sich mit einer neuen Klasse von neurotoxisch wirksamen Tetrahydro-b-carbolinen, die sich von Trichloracetaldehyd (Chloral) ableiten. Die wohl prominenteste Verbindung in dieser Reihe ist TaClo (1-Trichlormethyl-1,2,3,4-tetrahydro-b-carbolin), das im menschlichen Körper nach Aufnahme des Schlafmittels Chloralhydrat durch Pictet-Spengler-Kondensation mit dem endogen vorhandenen Tryptamin gebildet wird. Zusätzlich scheint die Bildung von TaClo aus dem Industrielösungsmittel TRI (Trichlorethylen), das im Organismus zu Chloral metabolisiert wird, möglich. Die über Chloral eingeführte große CCl3-Gruppe erhöht die Lipophilie von TaClo, die Passage der Blut-Hirn-Schranke ist erleichtert. In der Tat haben zahlreiche Untersuchungen in vitro und in vivo gezeigt, daß TaClo toxische Prozesse in dopaminergen und serotonergen Systemen zu induzieren vermag. Ein wesentliches Ziel dieser Arbeit bestand darin, die in-vivo-Entstehung und Metabolisierung von TaClo im Menschen sowie den Einfluß dieses Neurotoxins auf die DNA herauszuarbeiten und näher zu untersuchen. Im einzelnen wurden folgende Ergebnisse erzielt: TaClo schädigt die DNA, wie Versuche an zellfreier DNA und in-vitro-Experimente an PC12-Zellen belegen. Die endogene Bildung von TaClo in Chloralhydrat-behandelten Patienten und die in-vitro-Entstehung von TaClo aus Trichlorethylen wurde mittels HPLC-ESI-MS-MS-Analytik eindeutig bewiesen. Außerdem wurden erste Hinweise auf eine Anreicherung des Neurotoxins im menschlichen Körper erhalten. Stereostrukturelle Aspekte der Bildung und Verstoffwechslung von TaClo wurden aufgeklärt und TaClo-Metabolite in in-vitro- und in-vivo-Proben identifiziert. Das Tetrahydro-b-carbolin entsteht in racemischer Form, wird also nicht enzymatisch sondern spontan durch Pictet-Spengler-Reaktion gebildet. Zusätzlich wurden Hinweise auf eine enzymatische Metabolisierung von TaClo gefunden. Außerdem gelang es, eine etablierte Methode des oxidativen Abbaus zur Aufklärung der absoluten Konfiguration von Tetrahydropyridin-Heterocyclen [z.B. Eleagnin] auf Substanzen mit benzylischer Hydroxy- oder Metylether-Gruppe zu erweitern. Geringe Mengen (1-2 mg) an Substanzen, die in benzylischer Position eine chirale Sauerstoffunktion besitzen, wurden durch Ruthenium-katalysierte Oxidation zu GC-gängigen Säuren abgebaut, deren absolute Konfiguration nach Trennung an chiraler Phase durch Vergleich mit enantiomerenreinem Referenzmaterial bestimmt wurde. Diese Zuordnung erlaubte den Rückschluß auf die absolute Konfiguration einer Reihe Ausgangsverbindungen. / Causative factors responsible for nerve cell death in neurodegenerative diseases like Parkinson’s disease (PD) still remain unknown. The hypothesis that PD is the result of the interaction of multiple factors causing an age-related selective loss of dopaminergic neurons in the midbrain of patients suffering from PD has recently been challenged: genetic predisposition, endogenously formed compounds or environmental toxins structurally related to the well-known dopaminergic neurotoxin MPTP (1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydro-pyridine) may play an important role in the pathogenesis of Parkinson’s disease. Our research efforts focus on a new class of neurotoxic tetrahydro-b-carbolines which derive from trichloroacetaldehyde (chloral). The most prominent representative of this new class of highly halogenated heterocycles is TaClo (1-trichloromethyl-1,2,3,4-tetrahydro-b-carboline), which was found to occur in the human body after application of the hypnotic chloral hydrate. TaClo is speculated to be formed spontaneously in vivo by a Pictet-Spengler-type condensation from chloral and the endogenously present tryptamine. The formation of TaClo is also assumed to take place after exposure to the industrial solvent TRI (trichloroethylene) which is metabolized to chloral in the organism. Due to the high lipophilicity of the CCl3 group, TaClo was found to easily penetrate the blood-brain barrier. Several in vivo and in vitro studies revealed TaClo to be capable to induce toxicity to dopaminergic and serotonergic neurons. Major objectives of this work dealed with investigations concerning the in vivo occurrence of TaClo in man (e.g., after intake of chloral hydrate) and its metabolism in mammalian organisms. Furthermore, for the first time, the potential of TaClo to trigger DNA damaging processes was studied more closely. The following results were obtained: TaClo is able to damage the DNA as shown in experiments with cell-free plasmid DNA and in vitro experiments using PC12-cells. It has been proven by using HPLC-ESI-MS-MS-analysis that TaClo is formed in patients after application of chloral hydrate. TaClo formation from trichloroethylene was detected in in vitro after incubation of the solvent and tryptamine with liver microsomes. Furthermore first hints of an accumulation of the lipophilic TaClo in the human body were found. First results concerning the mechanism of the spontaneous formation of TaClo in man and the participation of enzymatically mediated pathways in the metabolic degradation of TaClo in mammalian organisms were achieved. Novel TaClo metabolites were identified in in vivo and in vitro. Furthermore an established method of oxidative degradation for the elucidation of the absolute configuration of tetrahydropyridine heterocycles [e.g. eleagnine] was extended to the degradation of compounds with benzylic hydroxy, or methyl ether groups. Small amounts (1-2 mg) of compounds with an chiral oxygen function in benzylic position were degradated by Ruthenium-catalyzed oxidation to volatile acids well-suited for GC analysis. The absolute configuration of the degradation products was assigned by comparison with enantiomerically pure reference material allowing a reliable conclusion with respect to the absolute configuration of the target molecules.

Aufbauend auf einen Datensatz von etwa 70 antimalaria-aktiven Verbindungen wurde mit Hilfe des CoMSIA-Verfahrens ein QSAR(Qantitative Structure Activity Relationship)-Modell erstellt, das in der Lage ist antiplasmodiale Aktivitäten von Verbindungen aus der Substanzklasse der Naphthylisochinolin-Alkaloide vorherzusagen. Da die behandelten Strukturen ein sehr kompliziertes konformatives Verhalten aufweisen, mussten für ein möglichst flexibles Alignment (unter Verwendung von FLEXS und GASP) eigene Abläufe entwickelt werden, die schließlich weitestgehend automatisiert werden konnten. Das erstellte Modell erlaubte es darüber hinaus, die für die Aktivität verantwortlichen strukturellen Merkmale zu identifizieren und so entscheidende Anregungen zur Vereinfachung des relativ komplizierten Grundgerüsts zu geben. Die Vorschläge wurden zu einem großen Teil bereits synthetisch verwirklicht, wobei die anschließend experimentell gefundenen Aktivitäten die vorher berechneten sehr gut bestätigten. Die neu entwickelten Substanzen befinden sich derzeit im Patentprüfungsverfahren. / Based on a dataset of about 70 antimalarially-active compounds a QSAR (Qantitative Structure Activity Relationship) model to predict antiplasmodial activities of aphthylisoquinoline alkaloids was developed, using the popular CoMSIA procedure. Since the structures under interest show a quite complicated conformational behaviour, the application of flexible alignment approaches (using FLEXS and GASP) hat to be developed and could be automated to the greatest possible extend. Additionally the QSAR made it possible to identify the structural features responsible for biological activity and decisive clues to simplify some of the quite complicated structural features of the substance class could be given. Some of the proposals made could already be synthetically realized and the experimental activities found confirmed the calculated ones quite satisfactorily.

Synthese und Charakterisierung (Einkristall-Röntgenstrukturanalyse, NMR-spektroskopische Untersuchung im Festkörper und/oder in Lösung, Elementaranalyse) von Verbindungen des fünffach- und sechsfach koordinierten Siliciums sowie einer Verbindung des sechsfach koordinierten Germaniums; Synthese und Charakterisierung (NMR-spektroskopische Untersuchung im Festkörper und/oder in Lösung, Massenspektrometrie, Elementaranalyse) von Silanen sowie Dihydroxamsäuren und deren Monokaliumsalzen. / Synthesis and caracterization (X-ray diffraction, NMR-spektroscopic study in the solid state and/or in solution, elemental analysis) of compounds of fivefold- and sixfold coordinate silicon as well as of one compound of sixfold coordinate germanium; synthesis and caracterization (NMR-spektroskopic study in the solid state and/or in solution, mass spectrometry, elemental analysis) of silanes as well as of dihydroxamic acids and their respective monopotassium salts.

Im Rahmen der Arbeit werden Ergebnisse zu Untersuchungen an Fumonisinen, einer erts seit 1988 bekannten Gruppe von kanzerogenen Fusarium-Mykotoxinen, vorgestellt. Die Schwerpunkte liegen auf den Aspekten: 1)Qualitative und quantitative Erfassung von NCM-FB1, einem rektionsprodukt von FB1, in maishaltigen Lebensmitteln. 2)Charakterisierung weiterer Reaktionsprodukte der Fumonisine 3)Vorkommen von Fumonisisnen in Gemüse 4)Zellkuturstudien zur biologischen Aktivität der Fumonisine 5)Modellstudien zum Metabolismus von FB1 beim Menschen / The work presents results of investigations on fumonisins, a class presents results of investigations on fumonisins, a class of carcinogenic Fusarium mycotoxins discovered in 1988. Studies focused on following aspects: 1) Qualitative und quantitative determination of N-(Carboxymethyl) fumonisin B1, a reaction product of fumonisin B1, in corn products 2) Characterisation of further fumonisin reaction products 3) Occurrence of fumonisins in vegetables 4) Cell culture studies on the biological activity of fumonisins 5) Model experiments on the metabolism of fumonisin B1 in humans

Sorbitol fermentierende (SF) Shiga Toxin-Produzierende Escherichia coli (STEC)-Stämme des Serotyps O157:H- stellen bedeutsame Auslöser für Durchfallerkrankungen und des lebensbedrohlichen Hämolytisch-Urämischen Syndroms (HUS) in Mitteleuropa dar. Die Virulenzfaktoren und Krankheitsbilder solcher Stämme ähneln denen von STEC O157:H7-Stämmen, welche weltweit am häufigsten innerhalb der O157-Serogruppe isoliert werden. Für zwei STEC O157:H7-Stämme ist die komplette Genomsequenz bereits veröffentlicht. Über SF STEC O157:H- sind hingegen nur einige genetische Unterschiede mit STEC O157:H7 bezüglich der Ausstattung an Virulenzfaktoren bekannt. Diese sind vorwiegend auf den Plasmiden beider Serotypen kodiert. In einem Modell, das die Entstehungsweise des O157-Komplexes zu erklären versucht, wird der nicht begeißelte, Sorbit fermentierende O157:H- -Serotyp als eigene phylogenetische Linie angesehen. Um einen tieferen Einblick in die genomische Diversität dieser beiden O157-Linien zu erhalten, wurden verschiedene molekularbiologische Methoden eingesetzt. Als Modellstamm für SF STEC O157:H- diente der Stamm 493/89, welcher von einem HUS-Patienten aus Deutschland isoliert wurde. Zum einen wurde eine Cosmid-Genbank des Stamms 493/89 sequenziert und mit dem STEC O157:H7-Referenzstamm EDL933 verglichen. Des weiteren wurde eine subtraktive suppressive Hybridisierung (SSH) mit beiden Stämmen des gleichen Serotyps durchgeführt. Ein Vergleich beider Genome mit dem kompletten Genom des apathogenen Laborstammes E. coli K-12 erfolgte über die Makroarraytechnik. Schließlich wurde der Stamm 493/89 mit Hilfe eines Makroarrays, auf dem bekannte Virulenz-assoziierte DNA-Sequenzen untergebracht sind (Pathoarray) untersucht. Nach Anwendung dieser Techniken konnten zwei weitere Gene in SF STEC O157:H- identifiziert werden, die für potentielle Virulenzfaktoren kodieren. Mit dem Gen für den ?EHEC factor for adherence? (Efa1), welcher gleichzeitig auch als Lymphostatin (LifA) beschrieben wird, ist in SF O157:H- ein multifunktionelles Gen vorhanden, welches nur fragmentiert in O157:H7 präsent ist. In 90 % der getesteten SF O157:H- -Stämme wurden außerdem die Gene für das ?Cytolethal Distending Toxin? (CDT) detektiert. Diese weisen die größte Ähnlichkeit zu cdt-III des E. coli O15:H21-Stammes S5 auf, welche dort auf einem Plasmid kodiert vorliegen. Im Gegensatz dazu sprechen die flankierenden Sequenzen von cdt in E. coli 493/89 für ein Gen, das durch einen temperenten Phagen aufgenommen wurde. So konnte cdt, wenn auch nur in geringem Ausmaß in STEC O157:H7-Stämmen durch PCR-Analyse gefunden werden. Die beiden Makroarrays lieferten für beide Serovare eine bemerkenswerte Anzahl spezifischer Sequenzen. Der E. coli K-12 Makroarray bekräftigt zudem die größere Ähnlichkeit des nicht pathogenen E. coli K-12 Genoms mit SF STEC O157:H- als mit STEC O157:H7. Mit Hilfe der Cosmid-Genbank wurde in SF STEC O157:H- eine 8,8 Kb große Sequenz ermittelt, die phagenhomologe Bestandteile der Shigella-Resistance Locus (SRL)-Pathogenitätsinsel (PAI) von Shigella flexneri 2a enthält. Diese Sequenz fehlt in STEC O157:H7 und deutet Gemeinsamkeiten für SF STEC O157:H- und Shigella flexneri 2a bezüglich ihrer Phagentransduktion an. Die Präsenz von efa1/lifA, cdt und der 8,8 Kb großen SRL-homologen Sequenz wurde auch bei E. coli O55:H- -Stämmen durch PCR überprüft. Diese werden als vermutliche Vorstufe des O157-Komplexes angesehen. Die Ergebnisse lassen erkennen, dass efa1/lifA bereits in diesem E. coli O55-Vorläufer vorhanden war, die SRL-homologe Sequenz aber erst vor und cdt nach der Abzweigung in die O157:H- -Linie erhalten wurde. In O157:H7 wurden efa1/lifA und der SRL-homologe Genbereich teilweise oder vollständig deletiert. Die Ergebnisse bestätigen in ihrer Gesamtheit SF STEC O157:H- als ein eigenständig entwickeltes Pathogen mit klar erkennbaren Unterschieden zu STEC O157:H7 und bekräftigen damit seine bedeutsame Position innerhalb der epidemiologisch relevanten STEC-Serogruppen. / Sorbitol-fermenting (SF) Shiga toxin-producing Escherichia coli (STEC) strains of serotype O157:H- (nonmotile) are important causes of diarrhea and the life-threatening hemolytic uremic syndrome (HUS) in Europe. The virulence characteristics of these strains are similar to those of STEC O157:H7, which is the most frequently isolated STEC serotype causing human diseases worldwide. Recently, the complete genome sequences of two STEC O157:H7 strains have been published. In contrast, the sequences of SF STEC O157:H- remain largely uncharacterized. Therefore, differences in virulence characteristics of the two O157 pathogens are poorly understood and have been till now limited to genes encoded on a large plasmid. In a stepwise evolutionary model proposed for the STEC O157 complex, SF STEC O157:H- strains are classified as a unique phylogenetic lineage. In this work, we used different molecular approaches to gain more insight into the genomic diversity of the two O157 lineages. First, a cosmid gene library of a SF STEC O157:H- strain 493/89, which was isolated from an HUS patient in Germany, was sequenced and compared to the genomic sequences of the STEC O157:H7 reference strain EDL933. Second, a subtractive suppressive hybridization (SSH) between these two strains was performed. Third, the genomes of both O157 pathogens were compared to that of E. coli strain K-12 using a macroarray. Finally, the SF STEC O157:H- strain 493/89 was analyzed for DNA sequences of major virulence genes using a pathoarray. Using these techniques, two genes encoding potential virulence factors, which are specific for SF STEC O157:H-, have been identified. These include i) a 9669-bp open reading frame (ORF) encoding a multifunctional gene efa1/lifA, which is only rudimentarily present in STEC O157:H7; ii) the gene cluster enoding the cytolethal distending toxin (CDT). The cdt cluster of SF STEC O157:H- demonstrates a high similarity to cdt-III of E. coli O15:H21 strain S5, which was reported to be plasmid-encoded. In contrast, the flanking regions of cdt in strain 493/89 indicate the acquisition of cdt via a temperate bacteriophage. In accordance with this hypothesis, cdt could be detected, using a PCR strategy, in 90% of SF STEC O157:H-, but also in STEC O157:H7 strains, even though with a low frequency. Both macroarray methods identified a remarkable amount of specific differences between both O157 serotypes. Moreover, the E. coli K-12 macroarray confirmed a higher similarity of nonpathogenic E. coli K-12 to SF STEC O157:H- than to STEC O157:H7. By sequencing the cosmid library, an 8,8 kb long sequence could be detected in SF STEC O157:H-, which contains elements of the Shigella resistance locus (SRL) pathogenicity island (PAI). These elements are also homologous to bacteriophage sequences. This 8,8 kb sequence is missing in STEC O157:H7 and suggests a common acquisition of bacteriophage elements in SF STEC O157:H- and Shigella flexneri 2a. The presence of efa1/lifA, cdt and the 8,8 kb SRL-homologue sequence was also tested by PCR in E. coli O55:H7 strains which are proposed to be ancestors of the O157 complex. The results indicate, that efa1/lifA was already present in the O157 precursor, but the SRL-homologue sequence was received shortly before branching off the O157:H- lineage. Both sequences were completely or partially deleted in O157:H7. Based on the PCR results, cdt was acquired by the SF STEC O157:H- serotype after this lineage diverged from E. coli O157:H7. In conclusion, all results confirm that SF STEC O157:H- represent a distinct pathogenic group of STEC O157 which demonstrates remarkable genomic, virulence and evolutionary differences from STEC O157:H7.