Chromatin ist ein Makromolekül, dessen Genregulation innerhalb des räumlich eingeschränkten Zellkerns organisiert werden muss. Die Genomorganisation ist eng mit Genaktivierung und Genrepression verknüpft. In den vergangenen Jahren wurde gezeigt, dass die DNA hierarchisch organisiert ist. Die Faltung läuft in aufeinander folgenden Schritten ab, wobei jede Organisationsebene sowohl zur räumlichen Komprimierung, als auch zur Genregulation beiträgt. In dieser Dissertation wurden mit Hilfe von hochauflösender Mikroskopie verschiedene Ebenen der 3D Chromatinorganisation auf Einzelzell-Basis untersucht. Auf der kleinsten Organisationsebene wurde die Struktur zweier, nebeneinander liegender topologischer Domänen (TADs) am Sox9-Lokus erforscht. Mit Hilfe von Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) in 3D Zellen, sowie Cryoschnitten in embryonalen Stammzellen von Mäusen konnten Interaktionen zwischen den benachbarten TADs festgestellt werden. FISH in Zellen mit genomischen Duplikationen, zeigte das Entstehen von zwei unterschiedlichen, durch die Duplikation entstandenen, Konformationen. Unter Verwendung von FISH wurden long-range Kontakte, die zuvor mit GAM entdeckt wurden, untersucht und es zeigte sich, dass sie häufig zwischen TADs die regulatorischen Domänen enthalten auftreten. Zudem zeigte sich die Bildung von Clustern zwischen mehreren, weit auseinander liegenden, regulatorischen Elementen. Dies lässt unter Umständen auf das Entstehen von regulatorischen Zentren zwischen diesen Enhancer-reichen Regionen schließen. Weitere Untersuchungen zeigten Veränderung der sogenannten Super-Enhancer Cluster in unterschiedlichen Zelltypen. Des Weiteren sind Super-Enhancer TADs sehr dekondensiert und wurden häufig an Splicing-Speckle Regionen vorgefunden. / Chromatin needs to organize gene regulation whilst fitting into the confined space of the nucleus. Chromatin organization is therefore intertwined with gene activation and silencing. In recent years many advances in the field of chromatin architecture have been made showing that chromatin is organized hierarchically. Folding occurs in subsequent units, where each level of organization contributes to the spatial compaction of DNA and gene regulation. In this dissertation different levels of 3D chromatin organization were analysed using single-cell, high-resolution imaging. On the smallest scale, the 3D organization of two neighbouring Topologically Associating Domains (TADs) at the Sox9 locus was investigated. Performing Fluorescence in situ Hybridization (FISH) in 3D and cryosectioned mouse embryonic stem cells, extensive contacts between the two neighbouring TADs across the TAD boundary were detected. Applying FISH in a cell line bearing a genomic duplication within the Sox9 locus, the occurrence of two different conformations that result from the duplication was shown. Recent evidence from GAM showed the formation of long-range, multimer contacts between distal regulatory elements. Investigating the occurrence of long-range contacts between super-enhancer TADs in single cells by FISH, showed that they establish frequent interactions at close spatial distances. Furthermore the formation of clusters containing distal super-enhancer TADs could be demonstrated, indicating the possibility of higher-order regulatory hubs between these enhancer-rich regions. Further investigation showed that super-enhancer regions form different clusters in different cell types. Finally, it was shown that super-enhancers are highly decondensed and preferentially located at splicing speckles.

Marginale Parodontitis, die multikausale Erkrankung des Parodonts ist eine Infektionskrankheit, modifiziert durch Wirtsfaktoren und äußere Einflüße. Die als pathogene Mischflora bezeichnete Kombination kommensaler Mikroorganismen spielt die primäre Rolle in der Ätiopathogenese der Parodontitis. In der Aufstellung des Studienziels wurden einzelne Bakterienarten (T. forsythensis, P. gingivalis, A. actinomycetemcomitans, C. rectus, F. nucleatum, Fusobacterium spp., P. intermedia, E. corrodens, V. parvula und C. ochracea) ausgewählt, die eventuell als "Markerkeime" in der aggressiven Form der Parodontitis betrachtet werden können. Dazu wurde eine Kontrollgruppe untersucht, die eine gesunde parodontale Flora besitzt. Die angewandte Nachweismethode basiert auf der PCR-Amplifikation von 16S rDNA und darauffolgender dot-blot Hybridisierung mit Oligonukleotidsonden. Die entsprechenden Sonden wurden hergestellt, optimiert und evaluiert. Für die epidemiologische Untersuchung wurde subgingivale Plaque von vier Parodontaltaschen und einer Kontrollstelle von 45 Patienten mit aggressiver Parodontitis, sowie an fünf Stellen von 21 Senioren entnommen. Die Prävalenz der einzelnen Bakterienarten wurde mit Hilfe des Chi-Quadrat Test verglichen. Obgleich eine hohe interindividuelle Variabilität der Kolonisationsmuster zu beobachten war, konnten T. forsythensis, P. gingivalis, C. rectus und F. nucleatum signifikant häufiger in den Parodontaltaschen als an den gesunden Stellen nachgewiesen werden und können deswegen als "Leitkeime" der aggressiven Parodontitis angesehen werden. A. actinomycetemcomitans konnte nur bei einzelnen Patienten mit aggressiver Parodontitis festgestellt werden. Die Ergebnisse für P. intermedia und E. corrodens ließen keine eindeutige Assoziation sowohl mit der aggressiven Parodontitis als auch mit dem gesunden Parodontalzustand zu. Bei Senioren wurde C. ochracea besonders häufig nachgewiesen. Die Ergebnisse dieser Studie bewiesen die erfolgreiche Einsetzbarkeit der hergestellten Oligonukleotidsonden. / A multifactorial risk pattern of periodontitis has been recognized, where in addition to host and environmental factors, a pathogenic microbiota plays a primary role. The purpose of the current research was to analyze the prevalence of periodontitis-associated microorganisms in patients with aggressive periodontitis and periodontally healthy elders by using molecular-biologic detection methods like eubacterial PCR-amplification of 16S rDNA in combination with dot-blot hybridization. The oligonucleotide probes for the detection of T. forsythensis, P. gingivalis, A. actinomycetemcomitans, C. rectus, F. nucleatum, Fusobacterium spp., P. intermedia, E. corrodens, V. parvula and C. ochracea were designed and evaluated. The PCR products of 42 cultivated target and closely related bacteria were used for the optimization of hybridization conditions. For the epidemiological study, subgingival plaque was sampled from four pockets and one healthy site of 45 aggressive periodontitis patients as well as from five sites of 21 elderly. The differences in the prevalence of bacterial species were analyzed by the chi-square test. The data revealed frequent colonization by T. forsythensis, P. gingivalis, F. nucleatum and C. rectus in patients with aggressive periodontitis, however individual variations were obvious. These species could be predominantly identified in periodontal pockets, but were significantly less common in the healthy sites of the periodontitis patients and in the elderly. These putative pathogens can be conclusively determined as the key-bacteria in patients with aggressive periodontitis. No direct association for P. intermedia and E. corrodens with aggressive periodontitis or periodontal health could be seen. A. actinomycetemcomitans could be detected in only a few patients, reducing its suspected importance in the etiology of aggressive periodontitis. C. ochracea was highly prevalent in the well-maintained elderly, suggesting its association with healthy flora. The results of the study confirmed the reliability of the oligonucleotide probes in a specific and sensitive detection of the respective oral species.

Thin films of a ternary alloys between aluminum, manganese and copper (AlMnCu), prepared at low temperature, are reported in the present work. It is a study along two binary edges (Al100−xMnx and Al100−xCux (from literature)), the first almost along the entire range of concentrations, and two different cuts through the ternary system. The first cut begins at amorphous Al50Mn50 and adds Cu step by step (from literature). The second cut begins at amorphous Al60Cu40 and varies Al and Mn such that the Cu-content stays constant. There is a wide amorphous range, purely amorphous or with additional quasi-crystalline local features, and there are ranges where mixtures between amorphous and nano- or partially crystalline phases with a high content of lattice defects exist. The work exclusively deals with the development of the static structure and its thermal stability, as well as the development of its electronic transport properties. The ternary AlMnCu is a model for a deeper understanding of different scenarios of structure stabilization and their interaction, with consequences on the emergence of physical properties. The analysis focuses on self-organizing spherical-periodic, global resonance effects between two global subsystems of the alloy under consideration, the Fermi gas as one and the forming static structure of ions as the other. The global resonances are self organizing by i.e. an exchange of characteristic momenta and energy between the subsystems and trigger, besides a particular structure, particle-density anomalies and/or hybridization effects. The work shows strong evidence of a combined action of the particle-density anomalies with the effective valence of the atoms involved, in order to maintain the resonance condition under all circumstances. Whereas at high Al-content, additionally, local features of quasi-crystallinity arise, closer to pure Mn phase separations arise, causing mixtures of amorphous with nano-crystalline phases or crystals with a high content of lattice distortions. Reports on density anomalies, hybridization effects, and angular correlations, have been published quite often. In the present work, besides similar effects in a ternary system, first indications for phase separations and lattice defects as additional scenarios of stabilizing condensed matter are reported. The resonance, seen as spherical-periodic-order at short- and medium-range distances in real space, causes in reciprocal space a resonance maximum (analogous to a Bragg peak in crystals). Its location on the axis of the scattering vector is defined by the electron system and a pseudo-gap in the electronic density of states arise at the Fermi energy. The origin of the structural order and its thermal stability, the pseudo-gap at the Fermi energy, as well as the transport properties with its anomalies, all are attributed to the resonance. The spherically-periodic atomic order in an amorphous phase is analogous to the planar order in a crystal. The interatomic distances between the nearest neighboring shells at short- and medium range distances coincide with half the Fermi wavelength, also called Friedel-wavelength. / In der vorliegenden Arbeit wird über bei niedriger Temperatur hergestellte dünne Schichten aus einem ternären Legierungssystem zwischen Aluminium, Mangan und Kupfer (AlMnCu) berichtet, über zwei binäre Randlegierungen (Al100−xMnx und Al100−xCux (aus der Literatur)) und über zwei verschiedene Schnitte durch den ternären Bereich. Ein Schnitt durch den ternären Bereich beginnt bei amorphem Al50Mn50 und fügt schrittweise Cu zur Legierung (aus der Literatur). Der zweite Schnitt beginnt bei amorphem Al60Cu40 und fügt schrittweise Al und Mn so zu, dass der Cu-Gehalt konstant bleibt. Es gibt amorphe Bereiche, teilweise mit weiteren lokal quasi-kristallinen zusätzlichen Merkmalen, sowie Bereiche, in denen Mischungen aus amorphen mit nano oder teilkristallinen Phasen auftreten. Die Arbeit behandelt die Entwicklung der statischen Struktur und deren thermische Stabilität, sowie die Entwicklung elektronischer Transporteigenschaften. Das ternäre AlMnCu ist ein Modellsystem für ein tieferes Verständnis der verschiedenen Szenarien struktureller Stabilisierung und deren Interaktion, mit Auswirkungen auf ein tieferes Verständnis der mit der Struktur sich entwicklenden physikalischen Eigenschaften. Die Analyse konzentriert sich auf sich selbstorganisierende sphärisch-periodische, globale Resonanzeffekte zwischen zwei globalen Untersystemen des gewählten Materialsystems, der Fermi-Kugel als einem und der sich bildenden statischen Struktur der Ionen als dem anderen. Die globalen Resonanzen bilden sich u.a. durch einen Austausch von charakteristischen Impulsen und Energie zwischen den Untersystemen, die neben einer bestimmten Struktur zunächst auch Teilchendichteanomalien und/oder Hybridisierungseffekte erzeugen. Die vorliegende Arbeit zeigt dabei starke Anzeichen für eine kombinierte Wirkung dieser Effekte um die Resonanzbedingung unter allen Umständen beizubehalten. Bei hohen Al-Anteilen treten zusätzlich lokale Merkmale von quasi-Kristallinität, mit 5-facher Winkelkorrelation auf, um auch diesen Bereich strukturell zu stabilisieren. Bei hohen Mn-Anteilen sind es lokale Phasentrennung in amorphe und nano-kristalline Phasen oder hohe Anteile von Gitterdeffekten, die zusätzlich auftreten. Über Dichteanomalien, Hybridisierungseffekte und Winkelkorrelationen wurde in der Vergangenheit bereits mehrfach berichtet. In der vorliegenden Arbeit sind es, neben der modellhaften Behandlung dieser im ternären System, die Hinweise zu Phasentrennung und Gitterdeffekten als zusätzliche Szenarien zur Stabilisierung kondensierter Materie, über die erstmalig berichtet wird. Die auf dem Austausch von Impuls beruhende Resonanz, als sphärisch-periodische-Ordnung im nahen und mittleren Abstandsbereich des Ortsraumes zu sehen, verursacht im reziproken Raum ein Resonanzmaximum (analog zu einem Bragg-peak in kristallinen Systemen), dessen Lage auf der Achse der Streuvektoren vom Elektronensystem definiert wird, und eine Pseudolücke in der elektronischen Zustandsdichte der Elektronen an der Fermi-Energie. Letztendlich werden die Entstehung der strukturellen Ordnung selbst, ihre thermische Stabilität, als auch die Transporteigenschaften mit ihren Anomalien auf diese Pseudolücke und demzufolge auf die Resonanz zurückgeführt. Die sphärisch-periodische Ordnung der Atome in einer amorphen Phase ist analog zur planaren Ordnung in einem Kristall. Die Atomabstände zwischen den Nächstnachbarschalen im mittleren, aber auch nahen Abstandsbereich, stimmen über große Distanzen mit der halben Fermi-Wellenlänge überein, die man auch als Friedel-Wellenlänge bezeichnet.

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Brennstoffzellen stellen aufgrund ihrer Vielseitigkeit, ihres Wirkungsgrades und ihrer systembedingten Vorteile eine ausgezeichnete Lösung zur Erzeugung von elektrischer Energie bei Bedarf dar. Zahlreiche Projekte haben die prinzipielle Einsatzbereitschaft dieser Technologie für stationäre, maritime und mobile Anwendungen gezeigt. Der Markthochlauf steht jedoch derzeit vor einigen Hürden. Besonderes Augenmerk wird darauf gelegt, wie kleine und mittlere Unternehmen (KMU) diese überwinden können. Diese Hindernisse werden im Kontext der allgemeinen Marktsituation im Allgemeinen sowie in der Brennstoffzellenindustrie grundlegend analysiert. Möglichkeiten zur Kostensenkung bei steigenden Produktionsmengen und zur Sicherstellung der erforderlichen Produktqualität werden diskutiert. Die zu produzierenden Stückzahlen sind je nach Marktsegment sehr unterschiedlich. Daher ist es unerlässlich, dass die Produktionskapazitäten mit der tatsächlichen Nachfrage nach Brennstoffzellensystemen und -produkten wachsen. Ein universelles Brennstoffzellensystem, das nur einfache Anpassungen für verschiedene Anwendungen erfordert, kann hier eine Lösung sein. / Fuel cells represent an excellent solution for generating electrical power on demand because of their versatility, efficiency and system-related advantages. Numerous projects have shown the readiness of this technology for stationary, maritime and mobile applications. However the market ramp-up presently faces certain hurdles. Particular attention is paid to how small and medium sized enterprises (SMEs) can overcome them. These obstacles are put in context by an analysis of the general market Situation within the fuel cell industry. Opportunities for the reduction of costs as production quantities ramp up whilst assuring the necessary product quality are discussed. The quantities involved are vary between individual market segments. Therefore it is imperative that production capacities grow in line with the actual demand for fuel cell systems and products. A universal fuel ce/1 system design which only needs simple adaptations for different applications can be a solution here.

Ein Schlüsselfeld der gegenwärtigen Biomaterialforschung ist die Modifizierung von Oberflächen mit Bestandteilen der extrazellulären Matrix (EZM) oder Molekülen, die bestimmte Funktionen nachahmen. Trotz einer Reihe positiver Ergebnisse in vitro und in vivo ist es mit den gegenwärtig zur Verfügung stehenden Immobilisierungsmethoden nicht möglich, unterschiedliche Komponenten in einem Prozessschritt zu immobilisieren, definierte Freisetzungscharakteristika für gleiche und/oder unterschiedliche Moleküle zu realisieren und die Beschichtung der Oberflächen nach Sterilisation der Implantate vorzunehmen, um empfindliche bioaktive Substanzen, wie Proteine, vor Schädigung zu bewahren. An diesem Punkt setzt die vorliegende Arbeit mit dem Ziel an, ein nukleinsäurebasiertes Immobilisierungssystem für Titanwerkstoffe zu entwickeln. Es wird zunächst am Beispiel eines Peptids mit der Aminosäuresequenz Arginin–Glyzin–Asparaginsäure (RGD) nachgewiesen, dass an der Grenzfläche Passivschicht/Elektrolyt von Titanwerkstoffen vorliegende Moleküle in durch anodische Polarisation verdickte Oxidschichten partiell eingebaut werden können und dabei ihre Funktionalität erhalten bleibt. Diese Immobilisierungsmethode wird zum Immobilisierungssystem erweitert, indem Nukleinsäureeinzelstränge mit der beschriebenen Methode als Ankerstränge (AS) in anodisch formierte Oxidschichten fixiert und in einem zweiten Prozessschritt mit komplementären Gegensträngen (GS) hybridisiert werden. In der Arbeit wird gezeigt, dass das Peptid in einem weiten Parameterbereich der elektrochemischen Bedingungen immobilisiert werden kann. Demgegenüber führen im Falle des nukleinsäurebasierten Immobilisierungssystems die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies, die Photoaktivität der Oxidschicht sowie mehrfache Trocknungen und Wiederbenetzungen zu einer Schädigung gebundener AS bis hin zu einem vollständigen Verlust der Hybridisierbarkeit. Durch Zugabe von Ethanol in hoher Konzentration während des Immobilisierungsschritts, Arbeit unter Lichtausschluss sowie Vermeidung mehrerer Trocknungen und Wiederbenetzungen können die Nebenwirkungen soweit eingeschränkt werden, dass alle immobilisierten AS hybridisierbar sind. Nach dessen Etablierung im Rahmen dieser Arbeit ist es in nachfolgenden Projekten möglich, das nukleinsäurebasierte Immboilisierungssystem zu einem modularen, nukleinsäurebasierten Immobilisierungssystem zu erweitern, um die eingangs beschriebenen Grenzen etablierter Methoden zu umgehen. Dazu müssen im zweiten Prozessschritt Konjugate aus GS und bioaktiven Molekülen, wie z. B. Peptide oder Wachstumsfaktoren, eingesetzt werden. Weiterhin können durch die Nutzung verschiedener Längen und Basensequenzen die Hybridstabilität und damit die Freisetzungskinetik beeinflusst werden.:1 Einleitung 1 2 Grundlagen 7 2.1 Titanbasislegierungen als Implantatwerkstoff 7 2.2 Biochemische Modifizierung von Titanoberflächen 22 2.3 Modulares Immobilisierungssystem 38 3 Materialien und Methoden 45 3.1 Werkstoffe 45 3.2 Biologisch aktive Moleküle 46 3.3 Elektrochemische Versuchsanordnung 51 3.4 Untersuchungsmethoden 52 4 Experimentelle Ergebnisse 69 4.1 Immobilisierung des RGD-Peptids 69 4.2 Nukleinsäurebasiertes Immobilisierungssystem 118 5 Diskussion der Ergebnisse 143 5.1 Wechselwirkung zwischen Molekülen und Oberfläche 143 5.2 Fixierung adsorbierter Moleküle 155 6 Zusammenfassung und Ausblick 169 Literaturverzeichnis 175 Anhänge A Kodierung der Aminosäuren 209 B XPS-elementspektren ausgewählter Zustände 211 c Allgemeine Arbeitsvorschriften 215 D Geräte 221 / Surface functionalization with bioactive molecules is a main field in current biomaterial research. However, in vitro and in vivo results are heterogeneous. This may be at least partially attributed to the limits of the applied immobilization methods. With established immobilization methods possibilities are limited to immobilize different molecules in one step, to implement defined release kinetics for similar and/or different substances, or to carry out the immobilization after sterilization of the implant to save sensitive molecules from damage. Therefore in this thesis a nucleic acid based immobilization system for bioactive molecules is developed for titanium based materials. Using a peptide with the amino acid sequence arginine–glycine–aspartic acid (RGD) it is demonstrated at first, that small molecules, being present at the interface electrolyte/passive layer, can be immobilized by their partial incorporation in anodically formed oxide layers. The immobilization can be carried out in a wide range of electrochemical parameters and the peptide preserves its biological function under all conditions. This immobilization method is enhanced by utilizing single-stranded nucleic acids as anchor strands (AS), which can be hybridized by complementary strands (CS) in a second step. Contrary to the peptide, bound AS are damaged by the formation of reactive oxygen species during anodic polarization of the substrate, the photoyctivity of the titanium oxide layer and multiple drying and wetting cycles. These side effects must be constrained by adding ethanol in a high concentration to the electrolyte during the immobilization procedure, excluding light during preparation and avoiding multiple drying and wetting cycles. Applying these conutermeasures, a 100% hybridization of immobilized AS can be achieved. After establishing the nucleic acid based immobilization system it can be developed further to a modular, nucleic acid based immobilization system to overcome limitations of established immobilization methods. At first, conjugates of CS and bioactive molecules, such as peptides or growth factors, should be used in the hybridization step for a true functionalization of the surface. Furthermore, hybrid stability and thus release kinetics can be adjusted by using CS of different length and base sequences.:1 Einleitung 1 2 Grundlagen 7 2.1 Titanbasislegierungen als Implantatwerkstoff 7 2.2 Biochemische Modifizierung von Titanoberflächen 22 2.3 Modulares Immobilisierungssystem 38 3 Materialien und Methoden 45 3.1 Werkstoffe 45 3.2 Biologisch aktive Moleküle 46 3.3 Elektrochemische Versuchsanordnung 51 3.4 Untersuchungsmethoden 52 4 Experimentelle Ergebnisse 69 4.1 Immobilisierung des RGD-Peptids 69 4.2 Nukleinsäurebasiertes Immobilisierungssystem 118 5 Diskussion der Ergebnisse 143 5.1 Wechselwirkung zwischen Molekülen und Oberfläche 143 5.2 Fixierung adsorbierter Moleküle 155 6 Zusammenfassung und Ausblick 169 Literaturverzeichnis 175 Anhänge A Kodierung der Aminosäuren 209 B XPS-elementspektren ausgewählter Zustände 211 c Allgemeine Arbeitsvorschriften 215 D Geräte 221

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