Cyanobakterien zŠhlen zu den Šltesten Lebewesen auf der Erde. Diese Bakterien, auch Blaualgen genannt, trugen wesentlich zur Sauerstoffanreicherung der Erde bei, da sie eine ausgeprŠgte FŠhigkeit zur Photosynthese besitzen. Der produzerte Sauerstoff der Photosynthese hemmt jedoch eine weitere AktivitŠt von Cyanobakterien, die Stickstofffixierung. Um die Hemmung zu vermeiden, werden diese AktivitŠten zeitlich getrennt und optimal dem tŠglichen Hell-Dunkel-Rhythmus angepasst. Ein evolutionŠrer Vorteil wird erzielt, wenn der Organismus diesen Rhythmus antizipiert und sich darauf vorbereitet. Aus diesem Grund haben Cyanobakterien eine innere Uhr entwickelt, deren Rhythmus zirkadian ist, ãzirka diemÒ bedeutet ãungefŠhr ein TagÒ. Cyanobakterien der Spezies Synechococcus elongatus PCC 7942 haben sich als Modellorganismus etabliert, weil in ihnen die ersten bakteriellen zirkadianen Oszillationen auf molekularer Ebene entdeckt worden sind. Ihre zirkadiane Uhr entspringt dreier, auf der DNS beieinanderliegenden, Gene (kaiA, kaiB, kaiC) und ihrer dazugehšrigen Proteine. Phosphorylierte KaiC-Proteine Ÿben eine RŸckkopplung auf die Transkription von kaiB und kaiC aus, wodurch die AktivitŠt des kaiBC-Promotors zirkadian oszilliert. Eines der wichtigsten Experimente der letzten Jahre hat gezeigt, dass dieser Transkriptions-Translations-Oszillator mit einem weiteren Oszillator gekoppelt ist, der nicht von Transkription und Translation abhŠngt. Das Experiment des Kondo Labors rekonstruiert zirkadiane Oszillationen mit nur drei Proteinen KaiA, KaiB, KaiC und ATP. Die Proteine bilden Komplexe verschiedener Stoichiometrie, die durchschnittliche Phosphorylierung des Proteins KaiC zeigt stabile Oszillationen mit einer zirkadianen Periode. Da ein Entfernen von einem der Proteine zum Verlust der Oszillationen fŸhrt, wird dieser Post-Translations-Oszillator auch als Kernoszillator bezeichnet. Der Phosphorylierungszyklus von KaiC wird bestimmt durch fortlaufende Phosphorylierung und Dephosphorylierung an zwei Positionen des Proteins, den AminosŠuren Serin 431 und Threonin 432. Die Phase des Kernoszillators kann an der Verteilung der vier PhosphorylierungszustŠnde (nicht-, serin-, threonin- und doppeltphosphoryliert) abgelesen werden. KaiC wechselwirkt mit KaiA und KaiB, damit verschieden phosphorylierte KaiC synchronisieren und die Uhr Ÿber mehrere Tage konstante Oszillationen zeigt. Die Details dieser Wechselwirkung sind jedoch unbekannt. In dieser Dissertation erstelle ich ein mathematisches Modell des Kernoszillators und simuliere die vorliegenden Experimente des O''Shea Labors. Die Simulation reproduziert den KaiC Phosphorylierungszyklus der Uhr quantitativ. Um die wichtigsten experimentellen Nebenbedingungen zu erfŸllen, muss das theoretische Modell zwei molekulare Eigenschaften von KaiC berŸcksichtigen, wodurch ich wichtige Vorhersagen treffe. Die erste Nebenbedingung ist durch die Robustheit des Systems gegeben. Die KaiC-Phosphorylierung Šndert sich nicht, wenn die Gesamtkonzentrationen der drei Proteine in gleicher Weise variiert werden. Um diese Bedingung zu erfŸllen, muss das Modell zwei verschiedenartige Komplexe von KaiA und KaiC berŸcksichtigen. ZusŠtzlich zu einem KaiAC Komplex, der die Autophosphorylierung von KaiC unterstŸtzt, muss KaiC den grš§ten Teil von KaiA unabhŠngig vom Phosphorylierungszustand sequestrieren. Diese zweite Bindestelle ist meine erste theoretische Vorhersage. Die zweite Nebenbedingung ist durch das Ÿbergangsverhalten nach Hinzugabe von KaiB gegeben. KaiB induziert eine Dephosphorylierung von KaiC, die abhŠngig vom Phosphorylierungsniveau ist. Ein Umschalten zwischen phosphoylierendem und dephosphorylierendem KaiC ist deshalb nur in bestimmten Zeitfenstern mšglich. Um die gemessenen Zeitfenster in der Simulation zu reproduzieren, postuliere ich im Modell, dass sechsfach Serin phosphorylierte KaiBC Komplexe KaiA inaktivieren. Diese hochgradig nichtlineare RŸckkopplung ist meine zweite theoretische Vorhersage. Die beiden Vorhersagen werden anschlie§end experimentell ŸberprŸft. HierfŸr werden aufgereinigte Kai-Proteine mit ATP gemischt. Proben an ausgewŠhlten Zeitpunkten werden mit der nativen Massenspektrometrie untersucht. Diese ist eine neuartige Methode, die es erlaubt, intakte Proteinkomplexe zu untersuchen. Die Spektren bestŠtigen sowohl die zweite KaiAC-Bindestelle als auch die nichtlineare RŸckkopplung. Das mathematische Modell erlaubt es au§erdem, die drei definierenden Prinzipien von zirkadianen Uhren fŸr den Kernoszillator zu erklŠren. Erstens sichern konstante Phosphorylierungs- und Dephosphorylierungsraten von KaiC und ein pŸnktliches Umschalten zwischen beiden Phasen den Freilauf des Oszillators. Dieser Freilauf bewirkt, dass die zirkadiane Uhr auch unter konstanten Bedingungen, vor allem gleichbleibenden LichtverhŠltnissen, weiterlaufen kann. Zweitens muss die Periodendauer des Oszillators zu unterschiedlichen Šu§eren Bedingungen erhalten bleiben (Temperaturkompensation). Diese Bedingung wird realisiert, indem temperaturabhŠngige Dissoziationskonstanten von KaiAC und KaiBC Komplexen Phasenverschiebungen erzeugen, die sich gegenseitig kompensieren. Drittens muss die Phase des Oszillators sich dem Tagesrhythmus anpassen kšnnen. Diese Anpassung folgt aus einem Šu§eren Warm-Kalt-Rhythmus, der die drei temperaturabhŠngigen Phasenverschiebungen nur zum Teil einschaltet und damit die Kompensation verhindert. Eine in silico Evolutionsanalyse zeigt, dass eine zweite phosphorylierbare AminosŠure einen evolutionŠren Vorteil bringt und die Verteilung der PhosphorylierungszustŠnde optimiert ist, um eindeutig die Zeit zu bestimmen. Das Ergebnis weist darauf hin, dass diese Verteilung die physiologisch wichtige Ausgangsgrš§e der Uhr ist und die vier PhosphroylierungszustŠnde die Funktionen der zirkadianen Uhr von Cyanobakterien sichern. / Biological activities in cyanobacteria are coordinated by an internal clock. The rhythm of the cyanobacterium Synechococcus elongatus PCC 7942 originates from the kai gene cluster and its corresponding proteins. In a test tube, the proteins KaiA, KaiB and KaiC form complexes of various stoichiometry and the average phosphorylation level of KaiC exhibits robust circadian oscillations in the presence of ATP. The characteristic cycle of individual KaiC proteins is determined by phosphorylation of serine 431 and threonine 432. Differently phosphorylated KaiC synchronize due to an interaction with KaiA and KaiB. However, the details of this interaction are unknown. Here, I quantitatively investigate the experimentally observed characteristic phosphorylation cycle of the KaiABC clockwork using mathematical modeling. I thereby predict the binding properties of KaiA to both KaiC and KaiBC complexes by analyzing the two most important experimental constraints for the model. In order to reproduce the KaiB-induced dephosphorylation of KaiC a highly non-linear feedback loop has been identified. This feedback originates from KaiBC complexes, which are exclusively phosphorylated at the serine residue. The observed robustness of the KaiC phosphorylation level to concerted changes of the total protein concentrations demands an inclusion of two KaiC binding sites to KaiA in the mathematical model. Besides the formation of KaiAC complexes enhancing the autophosphorylation activity of KaiC, the model accounts for a KaiC binding site, which constantly sequestrates a large fraction of free KaiA. These theoretical predictions have been confirmed by the novel method of native mass spectrometry, which was applied in collaboration with the Heck laboratory. The mathematical model elucidates the mechanism by which the circadian clock satisfies three defining principles. First, the highly non-linear feedback loop assures a rapid and punctual switch to dephosphorylation which is essential for a precise period of approximately 24 h (free-running rhythm). Second, the dissociation of the protein complexes increases with increasing temperatures. These perturbations induce opposing phase shifts, which exactly compensate during one period (temperature compensation). Third, a shifted external rhythm of low and high temperature affects only a part of the three compensating phase perturbations, which leads to phase shifts (phase entrainment). An in silico evolution analysis shows that the existing second phosphorylatable residue of KaiC is not necessary for the existence of sustained oscillations but provides an evolutionary benefit. The analysis demonstrates that the distribution of four phosphorylated states of KaiC is optimized in order for the organism to uniquely distinguish between dusk and dawn. Consequently, this thesis emphasizes the importance of the four phosphorylated states of KaiC, which assure the outstanding performance of the core oscillator.

Schwefellost (SM) ist ein verbotener chemischer Kampfstoff. Nach Aufnahme über die Haut führt SM zu einer Reihe von Symptomen. Auf der molekularen Ebene beruht die Toxizität von SM auf der Reaktion mit DNA und Proteinen. Diese kovalenten Addukte eignen sich zum forensischen Nachweis und können über Flüssigkeitschromatographie gekoppelte Massenspektrometrie (LC-MS) detektiert werden. Ein Hauptziel war es in vitro zu untersuchen ob chemisches Scavenging von N-Acetylcystein (NAC) und Glutathion (GSH) Einfluss in der Behandlung von SM-Vergiftungen hat. Es konnte geklärt werden, dass NAC und GSH a) die Alkylierung von Cys34 in humanen Serum Albumin (HSA) durch SM nicht unterbinden kann und b) den Abbau von SM in gepufferter Lösung nicht beschleunigt. Somit ist Scavenging von SM durch NAC und GSH vernachlässigbar. Trotzdem konnte die Stabilität und die Zuverlässigkeit des Testsystems gezeigt werden. Das zweite Hauptziel war es neue peptidische Biomarker für den Nachweis von SM-Vergiftungen zu finden. Es wurde eine Methode entwickelt, um SM-alkylierte Aminosäurereste in HSA zu finden. Somit konnten 42 SM-alkylierte Peptide gefunden werden. Insgesamt wurden 27 Alkylierungsstellen identifiziert, von denen 24 noch nicht in der Literatur beschrieben wurden. Die vielversprechendste der neue Alkylierungsstellen war das Met329 in HSA. Durch Proteolyse mittels Pepsin wurde das LGM(-HETE)F Tetrapeptid freigeschnitten. Probenvorbereitung und LC-MS Bedingungen wurden optimiert. Allerdings gelang der Nachweis von LGM(-HETE)F in Patientenplasma nicht, was möglicherweise an einer geringeren Stabilität der SM-Alkylierung von Met329 lag. Trotzdem kann sich LGM(-HETE)F als Kurzzeitmarker eignen. Der beobachtete Transfer der HETE-Modifikation vom Met329 zu Glu und Cys Seitenketten stellt einen neuen Einblick in den molekularen Wirkmechanismus von SM dar. Basierend auf diesen Erkenntnissen konnte in Nachfolgestudien die Hemmung von Enzymen durch Alkylierung von Met durch SM gezeigt werden. / Sulfur mustard (SM) is a banned chemical warfare agent. After incorporation, SM may cause tremendous symptoms. On the molecular level, SM reacts with DNA and proteins. These covalent adducts may be useful for forensic or analytical purposes. After adducting SM, proteins can be proteolyzed forming peptides with a SM-modified amino acid residue. These peptide biomarkers can be detected using liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS). One major aim was to develop an in vitro assay to clarify the impact of chemical scavenging of N-acetylcysteine (NAC) and glutathione (GSH) in the treatment of SM. It was found that NAC and GSH had no relevant influence on a) the extent of alkylation of Cys34 in human serum albumin (HSA) and b) the degradation velocity of SM in buffered solution. Accordingly, it was concluded that chemical scavenging of SM by NAC or GSH is negligible. Nevertheless, the robustness and reliability of the developed in vitro assay was shown. The second major aim was to identify novel peptide biomarkers of SM poisoning. An untargeted method to identify SM-alkylated amino acid residues in HSA was developed. Application of this method revealed 42 SM-modified peptides alkylated at 27 different positions. 24 of these positions were not described in the literature so far. A highly interesting target, Met329 in HSA, was investigated in more detail. After pepsin mediated proteolysis, the covalently modified tetrapeptide LGM( HETE)F was generated. Sample preparation and LC-MS conditions were optimized. However, when applying this novel marker to real samples, it could not be detected likely due to its limited stability. Nevertheless, LGM( HETE)F still represents a suitable short term biomarker. The observed transfer of the HETE-moiety from Met329 to Glu and Cys side chains represents a novel insight into the molecular toxicology of SM. Based on these results follow-up studies proved the enzyme inhibitory effect of SM-alkylation of Met residues in keratin kinase.

Die Vorverarbeitung und Analyse von spektrometrischen und spektroskopischen Daten von Pflanzengewebe sind in den unterschiedlichsten Forschungsbereichen wie der Pflanzenbiologie, Agrarwissenschaften und Klimaforschung von großer Bedeutung. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der optimierten Nutzung von Daten von Pflanzengeweben, insbesondere der Daten gewonnen durch Matrix–Assistierte Laser–Desorption–Ionisierung Massenspektrometrie, Raman-Spektroskopie und Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie. Die Klassifizierungsfähigkeit mit diesen Methoden wird insbesondere nach Kombination der Daten untereinander und mit zusätzlichen chemischen und biologischen Informationen verglichen. Die diskutierten Beispiele befassen sich mit der Untersuchung und Einordnung innerhalb einer bestimmten Pflanzenart, beispielsweise der Unterscheidung von Proben aus unterschiedlichen Populationen, Wachstumsbedingungen oder Gewebeunterstrukturen. Die Daten wurden mit sowohl mit explorativen Werkzeugen wie der Hauptkomponentenanalyse und der hierarchischen Clusteranalyse, als auch mit Methoden des maschinellen Lernens wie die Diskriminanzanalyse oder künstliche neuronale Netzwerke umfassten. Konkret zeigen die Ergebnisse, dass die Kombination der Methoden mit zusätzlichen pflanzenbezogenen Informationen in einer Konsensus-Hauptkomponentenanalyse zu einer umfassenden Charakterisierung der Proben führt. Es werden verschiedene Strategien zur Datenvorbehandlung diskutiert, um nicht relevante spektrale Information zu reduzieren, z.B. aus Karten von Pflanzengeweben oder eingebetteten Pollenkörnern. Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen auf die Relevanz der gezielten Nutzung spektrometrischer und spektroskopischer Daten hin und lassen sich nicht nur auf pflanzenbezogene Themen, sondern auch auf andere analytische Klassifizierungsprobleme übertragen. / The pre-processing and analysis of spectrometric and spectroscopic data of plant tissue are important in a wide variety of research areas, such as plant biology, agricultural science, and climate research. The focus of the thesis is the optimized utilization of data from plant tissues, which includes data from Matrix-Assisted-Laser Desorption/Ionization time of flight mass spectrometry, Raman spectroscopy, and Fourier transform infrared spectroscopy. The ability to attain a classification using these methods is compared, in particular after combination of the data with each other and with additional chemical and biological information. The discussed examples are concerned with the investigation and classification within a particular plant species, such as the distinction of samples from different populations, growth conditions, or tissue substructures. The data were analyzed by exploratory tools such as principal component analysis and hierarchical cluster analysis, as well as by predictive tools that included partial least square-discriminant analysis and machine learning approaches. Specifically, the results show that combination of the methods with additional plant-related information in a consensus principal component analysis leads to a comprehensive characterization of the samples. Different data pre-treatment strategies are discussed to reduce non-relevant spectral information, e.g., from maps of plant tissues or embedded pollen grains. The results in this work indicate the relevance of the targeted utilization of spectrometric and spectroscopic data and could be applied not only to plant-related topics but also to other analytical classification problems.

Inositolpyrophosphate (PP-InsP) sind eine Gruppe sekundärer Signalmoleküle, die in einer Vielzahl zellulärer Prozesse, von Phosphathomeostase über Insulinsignalisierung bis Apoptose eine Rolle spielen. Die Art und Weise, wie PP-InsPs ihre Funktion ausführen, noch weitgehend unbekannt. Deshalb wurden zwei neue analytische Methoden basierend auf Kernspinresonanzspektroskopie und Flüssigchromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung (LCMS) entwickelt. Um die limitierende Sensitivität der Kernresonanzspektroskopie zu umgehen, wurde die Synthese von kernspinresonanzaktivem, 13C-markiertem Inositol optimiert. Des Weiteren wurde eine chemoenzymatische Synthese für alle Säugetier-PP-InsP-Isomere entwickelt, die auf der skalierbaren Ausfällung mittels Mg2+ Ionen basiert. Menschliche Zellen wurden mit 13C-Inositol isotopenmarkiert und in den Spektren der Zellextrakte wurde, basierend auf den PP-InsP-Standards, Fingerabdrucksignale identifiziert mit denen die Konzentrationen der dazugehörigen Moleküle bestimmt werden konnte. Die LCMS basierte Methode wurde auf dem Prinzip der Umsetzung von hochgeladenen Inositolpyrophosphaten zu ihren korrespondieren Methylestern mittels Trimethylsilyldiazomethan geplant. Die ungeladenen, permethylierten PP-InsPs wären geeignet für LC-Auftrennungen und MS-Messungen und sollten eine von Kernspinresonanzspektroskopie nicht erreichbare Sensitivität ermöglichen. Die Methode wurde mittels Inositolhexakisphosphat (InsP6), einem einfacheren PP-InsP-Analog, etabliert und methyliertes InsP6 konnte in Mengen von 10 femtomol detektiert werden. Die Adaption der Methode für die PP-InsPs gestaltete sich jedoch herausfordernd, da der Analyt während der Reaktion zersetzt wurde. Ein Wechsel zu Diazomethan als Methylierungsagens zeigte vielversprechende Resultate. / Inositol pyrophosphates (PP-InsPs) are a well conserved group of second messengers that are involved in a plethora of cellular processes including phosphate homeostasis, insulin signaling, and apoptosis. Despite much effort, it is still mostly unknown how PP-InsPs exert their diverse functions. In order to decipher the mechanisms, researchers have relied either on metabolic labeling with radioactive inositol or on electrophoretic separation on polyacrylamide gels but these methods either lack ease of use or sensitivity. Therefore, two new analytical tools, based on nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, and liquid chromatography coupled mass spectrometry (LCMS), were developed. To overcome the limited sensitivity provided by NMR spectroscopy, a high yielding synthesis of NMR-active 13C-labeled inositol was designed and optimized. Furthermore, a chemoenzymatic synthesis of all mammalian PP-InsPs isomers was developed that relied on a scalable purification strategy utilizing precipitation with Mg2+ ions. Human cells were metabolically labeled with 13C-inositol and the prepared PP-InsPs were used as standards to identify peaks in the NMRspectra. These fingerprint signals enabled the quantification of the corresponding molecules. The LCMS-based method was based on the derivatization of the highly charged inositol pyrophosphates to their corresponding methyl esters by trimethylsilyldiazomethane. The permethylated InsPs and PP-InsPs were suitable for LC separation and MS measurement, and provide a sensitivity unmatched by NMR spectroscopy. The method was established using inositol hexakisphosphate, a simpler analog of PP-InsPs, and methylated InsP6 could be detected at quantities as low as 10 femtomole. However, the adaptation of the derivatization for PP-InsPs proved challenging as the reaction caused degradation of the analyte but strategies to circumvent the decay by changing the derivatization agent to diazomethane were promising.

Post-translationale Modifikationen (PTMs) sind wesentlich für die Regulierung von zellulären Mechanismen. Um diese Prozesse besser zu verstehen, ist es essentiell Methoden für deren Erforschung zu entwickeln. In dieser Arbeit wurden zwei chemoproteomische Ansätze entwickelt, um die PTMs, Proteinphosphorylierung und Proteinpyrophosphorylierung zu untersuchen. Die Proteom-weite Erforschung von Proteinphosphorylierungen beruht gewöhnlich auf der LC-MS/MS-Analyse von enzymatisch verdauten Proteomen und da die Phosphorylierung von niedriger Abundanz ist, wird ein Phosphopeptid-Anreicherungsschritt benötigt. Die Identifizierung von bestimmten Phosphopeptiden ist allerdings abhängig von der gewählten Anreicherungsmethode. Die Entwicklung von neuen Prozeduren ist daher bedeutsam, um neue Phosphorylierungsstellen zu identifizieren. Im ersten Projekt wurde eine milde und selektive Phosphopeptid-Anreicherungsmethode entwickelt und optimiert. Die Methode zeigte die Fähigkeit Phosphopeptide anzureichern und somit das Potential, das Repertoire der vorherigen Methoden zu erweitern, um neue Phosphorylierungsstellen zu identifizieren. Proteinpyrophosphorylierung ist eine unlängst identifizierte PTM, die nicht-enzymatisch an Proteine angefügt wird und es ist nur wenig ist über ihre Funktion bekannt. Vorherige Studien wiesen darauf hin, dass diese Modifikation enzymatisch entfernt wird, allerdings sind die verantwortlichen Enzyme („Proteinpyrophosphatasen“) nicht bekannt. Hier wurde eine Peptidaffinitätsmethode entwickelt, um potentielle Pyrophosphatasen und weitere interagierende Proteine aus humanen Zellen zu identifizieren. Damit wurden 6 Phosphatasen als potentielle Pyrophosphatase-Kandidaten identifiziert und weitere interagierende Proteine gaben Aufschlüsse über die Funktion der Proteinpyrophosphorylierung. Dadurch wurde das Potential der Methode aufgezeigt, interagierende Proteine der Proteinpyrophosphorylierung zu identifizieren, um die zelluläre Rolle zu verstehen. / Post-translational modifications (PTMs) are crucial for the regulation of cellular mechanisms. To better understand these processes, the development of chemical tools to investigate them is of high importance. In this thesis, two chemoproteomics approaches were established to investigate the PTMs protein phosphorylation and protein pyrophosphorylation. The proteome-wide study of protein phosphorylation usually relies on LC-MS/MS analysis of enzymatically digested proteomes, requiring a phosphopeptide enrichment step, due to the low abundance of phosphorylation. However, the identification of certain sets of phosphopeptides is dependend on the choice of enrichment method. Therefore, the development of new workflows is important to identify new phosphorylation sites. In the first project, a mild and selective phosphopeptide enrichment method was developed and optimized. The method was able to enrich phosphopeptides and therefore, showed the potential to complement the repertoire of current methods to identify new phosphorylation sites. Protein pyrophosphorylation is a recently discovered PTM, which is non-enzymatically attached to proteins and there is only sparse knowledge about the function. Previous studies have indicated the enzymatic removal of this modification, but the responsible enzymes (‘protein pyrophosphatases’) are unknown. Here, a peptide affinity capture method was developed to identify potential pyrophosphatases and further interacting proteins from human cells. Therewith, 6 phosphatases were identified as potential pyrophosphatase candidates and further interacting proteins gave insights into the function and mechanisms of protein pyrophosphorylation. Thereby, the potential of this method was demonstrated to identify interacting proteins of protein pyrophosphorylation to understand the cellular role.

In anti-doping science, the knowledge of drug metabolism is a prerequisite to identify analytical targets for the detection of misused prohibited substances. As the most obvious way to study xenobiotic metabolism, the administration to human volunteers, faces ethical concerns, there is a need for model systems. In the present study, we investigated whether Oryzias latipes (medaka) embryos might be an alternative, non-animal test model to study human-like metabolism. In the present study, we exposed medaka embryos at the morula stage to the anabolic steroid metandienone (10 µM or 50 µM) for a period of 2 or 8 days. According to the fish embryo toxicity test (OECD test), we assessed the developmental status of the embryos. We further investigated metandienone metabolites by high-performance liquid chromatography- and gas chromatography-mass spectrometry. Medaka embryos produced three mono-hydroxylated and one reduced metabolite known from human biotransformation. Developmental malformations were observed for the exposition to 50 µM metandienone, while a significant elevation of the heart beat was also present in those individuals exposed to the lower dose for 8 days. The present study demonstrates that the medaka embryo represents a promising model to study human-like metabolism. Moreover, the judgement of developmental parameters of the fish embryos enables for the simultaneous assessment of toxicity.

In der vorliegenden Arbeit werden Möglichkeiten der Stabilisierung und die photokatalytische Aktivität von Polymorphen des Bismut(III)-oxids, synthetisiert ausgehend von nanoskaligen, polynuklearen Bismutoxidoclustern, beschrieben. Hydrolyse- und Kondensationsstudien werden mit dem Ziel der Aufklärung von Bildungsprozessen von Bismutoxidoclustern ausgehend von bismutnitrat- und bismutsilanolathaltigen Lösungen durchgeführt. Basierend auf polynuklearen Modellverbindungen wird durch deren Hydrolyse und anschließende thermische Behandlung die Darstellung von Nanopartikeln von verschiedenen Polymorphen des Bismut(III)-oxids erreicht. Die Reaktivität der synthetisierten β Bi2O3 Nanopartikel wird zur Synthese von Verbindungen vom Sillenit-Strukturtyp ausgenutzt. Diese Verbindungen sind isostrukturell zum metastabilen γ-Bi2O3. Die isolierten oxidischen Materialien weisen eine hohe photokatalytische Aktivität gegenüber wässrigen Rhodamin B Lösungen bei der Bestrahlung mit sichtbarem Licht auf. Für die β Bi2O3 Nanopartikel wird ebenso die photokatalytische Aktivität gegenüber wässrigen Farbstofflösungen von Indigokarmin, Orange G, Methylorange und Methylenblau sowie wässrigen Schadstofflösungen von Phenol, 4-Chlorphenol, 2,4-Dichlorphenol, 4-Nitrophenol, Triclosan und Ethinylestradiol beschrieben. Die Charakterisierung der synthetisierten Verbindungen erfolgte unter anderem mittels Einkristall-Röntgenstrukturanalyse, Röntgenpulverdiffraktometrie, NMR-Spektroskopie, FTICR-ESI-Massenspektrometrie, UV/Vis-, Infrarot- und Ramanspektroskopie sowie thermischen Analysemethoden. / The present essay describes the stabilization and photocatalytic activity of different polymorphs of bismuth(III) oxide which were prepared starting from nanoscaled, polynuclear bismuth oxido clusters. Hydrolysis and condensation processes of bismuth nitrate as well as bismuth silanolates in solution were performed to provide an insight into the formation process of bismuth oxido clusters. Nanoparticles of different polymorphs of bismuth(III) oxide were obtained by hydrolysis, followed by annealing steps at temperatures of 370 °C and 600 °C starting from polynuclear bismuth compounds, respectively. The high reactivity of the as-prepared β-Bi2O3 nanoparticles was used to synthesize sillenite-type compounds at rather low temperatures which are isostructural to metastable γ-Bi2O3. The isolated oxidic materials show promising photocatalytic activities exemplified by the degradation of aqueous Rhodamine B solutions under visible light irradiation. Additionally, the β- Bi2O3 nanoparticles were tested in photodegradation processes of aqueous solutions containing different dyes such as indigo carmine, orange G, methyl orange and methylene blue as well as typical organic pollutants such as phenol, 4-chlorophenol, 2,4-dichlorophenol, 4-nitrophenol, triclosan and ethinyl estradiol. The characterization of the as-prepared materials was performed using single crystal X-ray diffraction, powder X-ray diffraction analysis, NMR spectroscopy, FTICR- electrospray ionization mass spectrometry, UV/Vis-, IR- and Raman spectroscopy, electron microscopy, nitrogen physisorption as well as thermal analyses.

Natural resins have been in use for a long time and for manifold purposes resulting in a long and complex terminological history. The investigation of this history has so far been based on the connection between nomenclature and chemical composition. Because resin chemistry and the botanical classification of source plants are connected as well, the investigation of natural resins can be enhanced by adding taxonomy as an additional dimension, providing a more complex and complete picture of resin chemistry and resin use. The Vigani Cabinet, a collection of 300-year-old pharmaceutical and chemical materials owned by Queens’ College, Cambridge (UK), allows doing just that. A wide range of historical literature provides information about contemporary terminology, botanical and geographical origin, manufacture, trade and properties of resinous materials from the 18th century. This contemporary context is a particular feature of the Cabinet, which allows adding a historical dimension to the correlations between terminology, chemical composition and taxonomy. The dissertation thesis presented here provides an investigation of 17 botanical, 80 reference materials and samples from 24 natural resins from the Vigani Cabinet, studying these complex correlations and changes over time. The analytical method employed in this study was gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) with and without methylation with trimethylsulfoniumhydroxide. This technique provided detailed molecular compositions of the studied materials. Analysed botanical samples are taken from Pinaceae, Cupressaceae and Pistacia resins, commerical references from Araucariaceae, Copaifera, Fabaceae, Myroxylon and Burseraceae. Additionally, the soluble fraction of Baltic amber was analysed. Materials from the Vigani Cabinet analysed in this work were labelled as "turpentines", "pix burgundica", "sandaracha", "copaiba", "balsamum peruvianum and tolutanum", "mastiche", "anime", "copal", "elemi", "tacamahaca" and "succinum". Historical nomenclature of natural resins has not always been unequivocally associated with a botanical origin. The availability of natural resins changed throughout the centuries. Lack of knowledge, in particular about resins from over-seas, or adulterations resulting from changing harvesting methods, led to changes in trade names or variations in the composition of products traded under the same name. Generic names were used for resins with similar properties but different botanical (and geographical) origin. The thesis shows that a chemotaxonomic reference system is suitable for the identification of unknown resinous materials, and a number of new insights into the nomenclature of natural resins from the 17th and 18th century is obtained. The study of historical literature contributed in a significant way to the historico-cultural and archeometric research of the samples from the Vigani Cabinet and of natural resins in general and provided a basis for the interpretation of the chemical data from the Vigani samples. / Naturharze werden schon lange für sehr unterschiedliche Zwecke verwendet. Dies hat zu einer oft komplizierten Terminologie geführt, deren Untersuchung sich bisher auf den Zusammenhang zwischen dem Namen des Harzes und seiner chemischer Zusammensetzung stützte. Letztere ist aber auch mit der botanischer Herkunft und damit der Biochemie der Stammpflanze verknüpft, weshalb man chemotaxonomische Aspekte für die systematische Untersuchung von Naturharzen als zusätzliche Variablen nutzen kann. Dadurch erhält man, wie die gezeigt werden soll, ein vollständigeres und komplexeres Bild der Chemie und Nutzung von Naturharzen. Die hier präsentierte Untersuchung beschäftigt sich mit dem Vigani-Kabinett, einer 300 Jahre alten pharmazeutischen Materialiensammlung, die sich im Queens‘ College, Cambridge (UK), befindet. In der Literatur des ausgehenden 17. und des 18. Jahrhunderts finden sich zahlreiche Informationen zu Terminologie, botanischer und geographischer Herkunft, Verarbeitung, Handel und Eigenschaften von Naturharzen. Dadurch wird die historische Dimension des oben beschriebenen Zusammenhangs zwischen Terminologie, chemischer Zusammensetzung und Taxonomie erfahrbar. In der Arbeit werden 17 botanische Proben, 80 moderne Referenzmaterialien und 24 Proben aus dem Vigani-Kabinett im Hinblick auf diese Zusammenhänge und Veränderungen untersucht.Die chemischen Analysen wurden mit gekoppelter Gaschromatografie-Massenspektrometrie mit und ohne Methylierung mit Trimethylsulfoniumhydroxid durchgeführt. Damit konnte die molekulare Zusammensetzung der Proben detailliert untersucht werden. Die untersuchten botanischen Proben stammten von Pinaceae, Cupressaceae und Pistaciaharzen, kommerzielle Referenzen von Araucariaceae, Copaifera, Fabaceae, Myroxylon und Burseraceaeharzen. Zusätzlich wurde noch die lösliche Fraktion von Baltischem Bernstein untersucht. Die untersuchten Proben aus dem Vigani-Kabinett waren sowohl englisch als auch Latein mit "turpentines", "pix burgundica", "sandaracha", "copaiba", "mastiche", "anime", "copal", "elemi", "tacamahaca", "balsamum peruvianum and tolutanum" und "succinum" beschriftet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die historische Nomenklatur von Naturharzen nicht immer eindeutig mit ihrem botanischen Ursprung verknüpft war. Zusätzlich veränderte sich die Erhältlichkeit der Harze im Laufe der Jahrhunderte. Durch fehlendes Wissen, insbesondere für Materialien und Pflanzen aus Übersee, oder Verfälschungen aufgrund von veränderten Fördermethoden veränderten sich die Handelsnamen dieser Materialien oder die Zusammensetzung von Materialien, die unter demselben Namen gehandelt wurden. Harze mit ähnlichen Eigenschaften aber unterschiedlichen botanischen (und geographischen) Ursprungs trugen generische Namen. Die Arbeit zeigt jedoch, dass ein chemotaxonomisches Bezugssystem die Identifizierung von unbekannten Harzen ermöglicht, und zeigt eine Reihe neuer Erkenntnisse über die Nomenklatur von Naturharzen des 17. und 18. Jahrhunderts. Die Untersuchung historischer Quellen trug dabei sehr zur Erhellung des historisch-kulturellen und archeometrischen Hintergrundes und zur Interpretation der chemischen Daten der Vigani-Proben bei.

Functional characterization of biochemically-isolated proteins is a central task in the biochemical and genetic description of the biology of cells and tissues. Protein identification by mass spectrometry consists of associating an isolated protein with a specific gene or protein sequence in silico, thus inferring its specific biochemical function based upon previous characterizations of that protein or a similar protein having that sequence identity. By performing this analysis on a large scale in conjunction with biochemical experiments, novel biological knowledge can be developed. The study presented here focuses on mass spectrometry-based proteomics of organisms with unsequenced genomes and corresponding developments in biological sequence database searching with mass spectrometry data. Conventional methods to identify proteins by mass spectrometry analysis have employed proteolytic digestion, fragmentation of resultant peptides, and the correlation of acquired tandem mass spectra with database sequences, relying upon exact matching algorithms; i.e. the analyzed peptide had to previously exist in a database in silico to be identified. One existing sequence-similarity protein identification method was applied (MS BLAST, Shevchenko 2001) and one alternative novel method was developed (MultiTag), for searching protein and EST databases, to enable the recognition of proteins that are generally unrecognizable by conventional softwares but share significant sequence similarity with database entries (~60-90%). These techniques and available database sequences enabled the characterization of the Xenopus laevis microtubule-associated proteome and the Dunaliella salina soluble salt-induced proteome, both organisms with unsequenced genomes and minimal database sequence resources. These sequence-similarity methods extended protein identification capabilities by more than two-fold compared to conventional methods, making existing methods virtually superfluous. The proteomics of Dunaliella salina demonstrated the utility of MS BLAST as an indispensable method for characterization of proteins in organisms with unsequenced genomes, and produced insight into Dunaliella?s inherent resilience to high salinity. The Xenopus study was the first proteomics project to simultaneously use all three central methods of representation for peptide tandem mass spectra for protein identification: sequence tags, amino acids sequences, and mass lists; and it is the largest proteomics study in Xenopus laevis yet completed, which indicated a potential relationship between the mitotic spindle of dividing cells and the protein synthesis machinery. At the beginning of these experiments, the identification of proteins was conceptualized as using ?conventional? versus ?sequence-similarity? techniques, but through the course of experiments, a conceptual shift in understanding occurred along with the techniques developed and employed to encompass variations in mass spectrometry instrumentation, alternative mass spectrum representation forms, and the complexities of database resources, producing a more systematic description and utilization of available resources for the characterization of proteomes by mass spectrometry and advanced informatic approaches. The experiments demonstrated that proteomics technologies are only as powerful in the field of biology as the biochemical experiments are precise and meaningful.

Die vorliegende Arbeit stellt die Ergebnisse der methodologischen Entwicklung räumlich aufgelöster Analyse mittels Scanning Laserablation-ICP-Massenspektrometrie dar. Eine neue Behandlung zur Quantifizierung transienter analytischer Signale wurde für die Wiederherstellung von Konzentrationsprofilen vorgeschlagen. Die Anwendung der entwickelten Modelle auf die räumlich aufgelöste Analyse mittels LA-ICP-MS ermöglicht verbesserten Informationsgewinn und lässt dadurch eine höhere räumliche Auflösung erreichen. Die Anwendbarkeit der LA-ICP-MS für die räumlich aufgelöste Bestimmung der Stöchiometrie in supraleitenden Borokarbiden wurde untersucht. Der Einfluss apparativer Größen auf das analytische Signal wurde aufgeklärt, um die Messbedingungen zu optimieren. Zusätzlich wurden Fraktionierungseffekte untersucht, um die Ursache und deren Auswirkung auf die Analyse supraleitender Borokarbiden zu erklären. / This work represents the results of the methodological development of spatially resolved analysis by scanning laser ablation ICP mass spectrometry. A new approach to the quantification of transient analytical signals was proposed to reveal the concentration profile. An application of the developed models on spatially resolved analysis by LA-ICP-MS allows to gain more information from experimental data and hence to achieve better spatial resolution. The applicability of LA-ICP-MS to the spatially resolved determination of the stoichiometry of superconducting borocarbides was investigated. The effect of experimental parameters on analytical signals was elucidated in order to optimize the experimental conditions. In addition, fractionation effects were investigated to identify the causes for fractionation and their influence on the analysis of superconducting borocarbides.