Die Ladungsinjektion (-extraktion) an einer Schnittstelle spielt in der organischen Elektronik eine entscheidende Rolle, da sie die Leistung des Bauelements stark beeinflusst. Eine der effizientesten Methoden zur Optimierung der Energiebarrieren für die Injektion ist die Modifikation der Austrittsarbeit der Elektroden. In dieser Dissertation untersuchen wir die Modifikation der Austrittsarbeit von Au(111) durch dithiol-terminiertes Polyethylenglykol (PEG(thiol)) sowie deren Abhängigkeit von der Anzahl der PEG-Wiederholungseinheiten. In beiden Fällen beobachten wir, dass die Austrittsarbeit des Au(111) durch eine Monoschicht PEG(thiol)-Moleküle reduziert wird. Unsere Berechnungen zeigen, dass diese Änderung der Austrittsarbeit hauptsächlich durch (i) die Ladungsumlagerung aufgrund der Chemisorption und (ii) das intrinsische Dipolmoment der PEG(thiol)-Monoschicht verursacht wird. Die Größe des letzteren Beitrags hängt spürbar von der Anzahl der Wiederholungseinheiten ab und bewirkt somit eine Variation in der Reduktion der Austrittsarbeit. Das oszillatorische Verhalten spiegelt einen ausgeprägten Odd-Even-Effekt wider. Dadurch kann die Austrittsarbeit der Metallelektrode unter Berücksichtigung des Odd-Even-Effekts gesteuert werden. Die Konvergenz der selbstkonsistenten Felditeration für unsere Systeme ist nicht garantiert. Um die Konvergenz zu verbessern, schlagen wir die Verwendung eines speziell auf die FP-LAPW-Methode zugeschnittenen Mischalgorithmus vor. In einem auf Ag(111) basierenden System zeigt sich, dass eine Struktur mit drei Leerstellen in der Substratschicht besonders stabil ist. Dabei ist eine kontinuierliche Abnahme der Austrittsarbeit des Ag(111) feststellbar. Ähnlich wie beim Au(111) manifestiert sich der Odd-Even-Effekt, der auf das Dipolmoment der Molekularschicht zurückzuführen ist. / Charge injection (extraction) at an interface plays a crucial role to organic electronics because this injection (extraction) heavily affects the device performance. One of the most efficient way to optimize energy barriers of the injection (extraction) is modifying the work function of electrodes. In this dissertation, we investigate the modification of work function of Au(111) and Ag(111) induced by the dithiol-terminated polyethylene glycol (PEG(thiol)) as well as a dependence of the work function change on different numbers of PEG repeat units. We find that the work function of the Au(111) is reduced by a monolayer of PEG(thiol) molecules. Overall, our calculations indicate that the work function change is mainly induced by (i) the charge rearrangement due to chemisorption and (ii) the intrinsic dipole moment of the PEG(thiol) monolayer. The magnitude of the latter contribution noticeably depends on the number of repeat units and, thus, causes a variation in the reduction of the work function. The oscillatory behavior reflects a pronounced odd-even effect. As a result, the work function of the metal electrode would be controlled by considering the odd-even effect. Unfortunately, the convergence of the self-consistent field iteration is not guaranteed for our investigated systems. To make the smooth convergence, a mixing algorithm, which is applicable to FP-LAPW method, is devised. We add the Kerker preconditioner as well as further improvements to Pulay’s direct inversion in the iterative subspace. Using this method, one can avoid charge sloshing and noise in the exchange-correlation potential. This method is also implemented in the exciting code. We find the decrease of the work function of the Ag(111) surface is always presented. Similar to the Au(111) case, the odd-even effect is revealed, arising from the dipole moment of the molecular layer.

Ein Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Aufarbeitung zur anatomischen und chemischen strukturellen Zusammensetzung von vorrangig einheimischen Hölzern, um schließlich die physikalischen Eigenschaften bzw. deren Differenzen, auch im Unterschied zwischen Laub- und Nadelholz phänomenologisch im Sinne der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zu verstehen. Die Verbesserung von holzphysikalischen Defiziten wird im Rahmen der Arbeit hauptsächlich mithilfe von physikalischen Verfahren erläutert. Dazu erfolgen ausführliche Beschreibungen zum mechanischen Verdichten quer zur Faserrichtung des Holzes, der thermischen Modifikation sowie der Kombination aus beiden Verfahren. Dazu werden sowohl jeweils die verfahrenstechnischen Parameter und Vorgehensweisen als auch die resultierenden anatomischen, chemischen und den damit verbundenen physikalischen Eigenschaftsänderungen erläutert, insbesondere in Abhängigkeit der Parameteranwendung sowie im Unterschied zwischen Laub- und Nadelholz. Darüber hinaus werden bereits durchgeführte Studien zur physikalischen, chemischen und biologischen Holzmodifikation zur Verbesserung der akustischen Eigenschaften von Hölzern und deren möglicher Eignung für den Musikinstrumentenbau vorgestellt, zusammengefasst und jeweils bewertet. Schließlich werden zwei ausgewählte Fallbeispiele beschrieben, welche die Zielsetzung verfolgten, einheimische Holzarten mithilfe der physikalischen Holzmodifikation als Tropenholzersatz in Konzertgitarren und Elektro-Bassgitarren bauteilspezifisch zu verwenden. Der jeweilige Lösungsansatz wurde einerseits durch Einsatz der thermischen Modifikation und andererseits mithilfe einer Kombination aus dem Plastifizieren, mechanischen Verdichten quer zur Faserrichtung und der anschließenden thermischen Modifikation verfolgt. Zur Material- und Instrumentencharakterisierung wurden hierbei verschiedene Testmethoden verwendet und bewertet.:1 Einleitung 1 1.1 Hintergrund und Motivation 1 1.2 Aufbau und Vorgehensweise 5 2 Struktureller Aufbau und relevante Eigenschaften von Holz 6 2.1 Anatomie des Holzes 6 2.2 Chemie des Holzes 18 2.3 Physik des Holzes 39 3 Holzmodifikation 91 3.1 Allgemeines 91 3.2 Verdichten quer zur Faserrichtung 95 3.3 Thermische Modifikation 119 3.4 Kombination: Querverdichten und thermische Behandlung 167 4 Holzmodifikation im Musikinstrumentenbau 185 5 Thermische Modifikation am Beispiel von Klassikgitarren 221 5.1 Grundlagen und Erwartungen 221 5.2 Technologische Umsetzung 230 5.3 Prüfmethoden und Bewertungskriterien 233 5.4 Ergebnisse und Diskussion 247 5.4.1 Allgemeines 247 5.4.2 Optik, Rohdichte und Sorption 248 5.4.3 Mechanische Kennwerte 254 5.4.4 Akustische Kennwerte 262 5.4.5 Objektives Klangverhalten (Anzupftests) 271 5.4.6 Subjektives Klangverhalten (Spieltests) 276 6 Kombination von Querverdichten und thermische Behandlung am Beispiel des Griffbrettbaus für Elektro-Bassgitarren 285 6.1 Grundlagen und Erwartungen 285 6.2 Technologische Umsetzung 291 6.3 Prüfmethoden und Bewertungskriterien 294 6.4 Ergebnisse und Diskussion 296 6.4.1 Allgemeines 296 6.4.2 Optik, Rohdichte, Sorption 298 6.4.3 Mechanische Kennwerte 312 6.4.4 Akustische Kennwerte 315 6.4.5 Objektives Klangverhalten (Anzupftests) 323 6.4.6 Subjektives Klangverhalten (Spieltests) 327 7 Zusammenfassung 330 8 Ausblick 338 Literaturverzeichnis 340 Abbildungsverzeichnis 379 Tabellenverzeichnis 394 / One part of the thesis deals with the processing of the anatomical and chemical structural composition of primarily native woods in order to finally understand the physical properties and their differences, also in the difference between hardwood and softwood phenomenologically in the sense of structure-property relationships. The improvement of wood-physical deficits is mainly explained within the scope of the work with the help of physical methods. Detailed descriptions are given of mechanical densification across the grain direction of the wood, thermal modification and the combination of both methods. The process parameters and procedures as well as the resulting anatomical, chemical and associated physical property changes are explained, in particular depending on the parameter application and the difference between hardwood and softwood. Furthermore, the work is dedicated to studies that have already taken place on physical, chemical and biological wood modification to improve the acoustic properties of woods and their possible suitability in musical instrument making, summarized and evaluated in each case. Finally, two selected case studies are described which pursued the objective of using native wood species as a component-specific substitute for tropical wood in concert guitars and electric bass guitars with the aid of physical wood modification. The respective solution approach was pursued on the one hand by using thermal modification and on the other hand by using a combination of plasticizing, mechanical densification across the grain direction and subsequent thermal modification. Various test methods were used and evaluated for both material and instrument characterization.:1 Einleitung 1 1.1 Hintergrund und Motivation 1 1.2 Aufbau und Vorgehensweise 5 2 Struktureller Aufbau und relevante Eigenschaften von Holz 6 2.1 Anatomie des Holzes 6 2.2 Chemie des Holzes 18 2.3 Physik des Holzes 39 3 Holzmodifikation 91 3.1 Allgemeines 91 3.2 Verdichten quer zur Faserrichtung 95 3.3 Thermische Modifikation 119 3.4 Kombination: Querverdichten und thermische Behandlung 167 4 Holzmodifikation im Musikinstrumentenbau 185 5 Thermische Modifikation am Beispiel von Klassikgitarren 221 5.1 Grundlagen und Erwartungen 221 5.2 Technologische Umsetzung 230 5.3 Prüfmethoden und Bewertungskriterien 233 5.4 Ergebnisse und Diskussion 247 5.4.1 Allgemeines 247 5.4.2 Optik, Rohdichte und Sorption 248 5.4.3 Mechanische Kennwerte 254 5.4.4 Akustische Kennwerte 262 5.4.5 Objektives Klangverhalten (Anzupftests) 271 5.4.6 Subjektives Klangverhalten (Spieltests) 276 6 Kombination von Querverdichten und thermische Behandlung am Beispiel des Griffbrettbaus für Elektro-Bassgitarren 285 6.1 Grundlagen und Erwartungen 285 6.2 Technologische Umsetzung 291 6.3 Prüfmethoden und Bewertungskriterien 294 6.4 Ergebnisse und Diskussion 296 6.4.1 Allgemeines 296 6.4.2 Optik, Rohdichte, Sorption 298 6.4.3 Mechanische Kennwerte 312 6.4.4 Akustische Kennwerte 315 6.4.5 Objektives Klangverhalten (Anzupftests) 323 6.4.6 Subjektives Klangverhalten (Spieltests) 327 7 Zusammenfassung 330 8 Ausblick 338 Literaturverzeichnis 340 Abbildungsverzeichnis 379 Tabellenverzeichnis 394

In der vorliegenden Arbeit wird eine modulare Reaktionssequenz von zwei aufeinanderfolgenden chemoselektiven Umwandlungen vorgestellt: Es wird gezeigt, dass Vinyl- und Ethynylphosphonamidate chemoselektiv mit Cysteinen von Proteinen und Antikörpern reagieren. Weiterhin wird gezeigt, dass elektrophile Phosphonamidate durch eine vorhergehende chemoselektive Staudinger-Phosphonit Reaktion zwischen Aziden und ungesättigten Phosphoniten in das gewünschte Molekül eingebaut werden können. Hierbei wird ein elektronenreiches Phosphonit in ein elektronenarmes Phosphonamidat umgewandelt, welches somit für die nachfolgende Thiol-Addition aktiviert wird. Die beschriebene Methode erweitert das bestehende Repertoire von Biokonjugationen durch die Einführung eines neuen Konzepts: Eine chemoleselektive Reaktion, die Reaktivität für eine nachfolgende Biokonjugation induziert. Da Phosphonamidat-Konjugationen an Cysteine herausragende Eigenschaften, wie hohe Selektivität für Cysteine, saubere Reaktionsprodukte und eine hervorragende Stabilität mitbringen, wird im zweiten Teil beschrieben wie Phosphonamidate für die Anbindung von zytotoxischen Wirkstoffen an tumor-bindende Antikörper genutzt werden können um Antikörper-Wirkstoff-Konjugate (ADCs) herzustellen. Ein einfaches Syntheseprotokoll für die Herstellung, ausgehend von einem nicht gentechnisch veränderten Antikörper mit nur geringen Überschüssen des Wirkstoffs wird vorgestellt. Phosphonamidat-verbundene ADCs zeigen im direkten Vergleichen zum zugelassenen, Maleimid-verbundenen Adcetris überlegende Eigenschaften, wie eine erhöhte Stabilität in Serum und eine erhöhte in vivo Wirksamkeit in einem Tumor Mausmodel. Zusammenfassend verbindet die hier vorgestellte Methode einen einfachen synthetischen Zugang mit hoher Selektivität, überragender Konjugat-Stabilität und der Möglichkeit hochwirksame Wirkstoffkonjugate herzustellen und wird daher aller Voraussicht nach einen großen Beitrag zum Gebiet der zielgerichteten Therapie leisten. / The present work introduces a modular reaction sequence of two chemoselective manipulations in a row. It is shown that vinyl- and ethynylphosphonamidates react selectively with cysteine residues on proteins and antibodies. Most importantly, those electrophilic phosphonamidates can be incorporated into a given molecule in another preceding chemoselective Staudinger-phosphonite reaction (SPhR) from unsaturated phosphonites and azides. During this reaction, an electron-rich phosphonite is transformed into an electron-deficient phosphonamidate that is thereby activated for the subsequent thiol addition. The described technique thereby extends the existing repertoire of bioconjugations by introducing a new concept in protein synthesis: A chemoselective reaction that induces reactivity for a subsequent bioconjugation. Since phosphonamidate conjugations to cysteine hold outstanding features such as high selectivity for cysteine, clean reaction products and excellent stability of the protein adducts in biological environments, it is described in the second part of the present work how ethynylphosphonamidates can be employed for the conjunction of tumor-sensing antibodies and cytotoxic drugs to generate Antibody-Drug-Conjugates (ADCs). A simple synthetic protocol starting from unengineered antibodies, using only a slight excess of the desired drug in a one-pot synthesis protocol is introduced. In a direct comparison to the maleimide containing FDA-approved Adcetris, phosphonamidate linked ADCs show a superior behaviour in terms of linkage stability in serum, combined with an increased in vivo efficacy in a tumor xenograft mouse model. Taken together, the method described herein combines simple synthetic access with high selectivity, superior conjugate stability and the possibility to synthesize highly efficacious drug conjugates and is therefore likely to have a great contribution to the field of targeted therapeutics.

Protein-Protein-Wechselwirkungen steuern zelluläre Funktionen auf molekularer Ebene. Posttranslationale Proteinmodifikationen beeinflussen diese Wechselwirkungen und erlauben dynamische Regulierung. Tyrosinphosphorylierung ist eine besonders relevante Modifikation, weil sie eng mit interzellulärer Regulation von Wachstum und Enticklung in Vielzellern verbunden ist. Da falsche Regulierung dieser Prozesse zu Krebs oder Autoimmunerkrankungen führen kann, ist sie auch von großem medizinischen Interesse. In Hefe-Zwei-Hybrid- Untersuchungen mit Volllängen-Proteinen im Genommaßstab wurde ein umfassender Satz von 292 größtenteils neuen phosphotyrosinabhängigen Proteinwechselwirkungen erster Güte ermittelt. Damit wurde eine Wissenslücke im Bereich der phosphotyrosinabhängigen Signalübertragung, der bisher hauptsächlich auf Peptidbindungs- und Affinitätsaufreinigungs-gekoppelten Massenspektronomieexperimenten fußte. Die Güte der Interaktionen wurde experimentell und informatisch, in Coimmunpräzipitations- und Proteinkomplementierungs-, sowie in Überrepräsentationsanalysen und Literaturvergleichen, gezeigt. Bekannte lineare Bindesequenzmotive kommen zwar gehäuft vor, können die Mehrzahl der Interaktionen aber offensichtlich nicht erklären. Die Wechselwirkungen bilden ein dichtes, einheitliches Netzwerk und widerspiegeln phosphotyrosinabhängige KEGG-Signalwege. Es hat ein Herzstück aus acht Genen, von denen sieben fest etablierte Signalverarbeitungshauptknotenpunkte darstellen. Dem achten, SH2D2A, scheint eine deutlich wichtigere Rolle zuzukommen als bisher wahrgenommen. Schliesslich wurde für eine Auswahl von GRB2-Interaktionen unterschiedliche subzelluläre Verortung vorgenommen. Zusammengenommen legen diese Ergebnisse nah, dass die hier veröffentlichten Wechselwirkungen einen wesentlichen Schritt für das Verstehen von Wachstum und Entwicklung markieren und zur Verbesserung der Behandlungsmöglichkeiten in wichtigen Medizinbereichen beitragen werden. / Protein-protein interactions govern cellular functions on the molecular level. Post-translational modifications alter these interactions allowing highly dynamic regulation. Protein tyrosine phosphorylation is an especially relevant post-translational modification, because it is tightly linked to intercellular regulation of growth and development in metazoans. Diseases like cancer or autoimmune disorders arise from misregulation of these processes generating great medical interest in protein tyrosine phosphorylation and processes relating to it. This study provides a comprehensive set of 292 mostly novel, high-quality phosphotyrosine- dependent protein-protein interactions detected in genome-scale yeast two-hybrid screens using full-length proteins filling a gap in phosphotyrosine signaling knowledge, which has so far been based largely on peptide binding and affinity purification-coupled mass spectrometry experiments. The high quality was demonstrated experimentally and computationally, in co-immunoprecipitation and protein complementation assays, as well as over-representation analyses and comparison to prior knowledge. Previously reported linear peptide motifs are reflected in the binding partners, but clearly do not account for most of the interactions, emphasizing the relevance of full-length protein context. The interactions were further shown to form an unusually dense, monolithic network with a central core and reflect and expand phosphotyrosine-related KEGG pathways. Seven of the eight core proteins are well-established signaling hubs. The eighth core gene, SH2D2A, seems to play a more central role than currently appreciated. Finally, selected interactions involving GRB2 were shown to occur in different specific subcellular localizations. Together, these results strongly suggest that the interactions presented here represent an important step toward understanding growth and development and will benefit treatment of pressing medical issues substantially.

Der Actinomycet T. fusca KW3, isoliert aus Kompost, bildete während der Kultivierung im Mineralsalz-Spurenelement-Vitamin-Minimalmedium nach Zusatz von PET-Fasern eine 52 kDa Carboxylesterase (TfCa), welche effizient zyklische PET Trimere (CTR) hydrolysiert. Die TfCa besitzt einen pI von 4,8, eine Substratspezifität gegenüber kurzkettigen p-Nitrophenyl-Estern und wird durch Phenylmethylsulfonylfluorid (PMSF) und Tosyl-L-Phenylalanin-Chloromethylketon (TPCK) in der Aktivität gehemmt. Die Carboxylesterase hydrolysiert kein Cutin oder Poly-ε-caprolacton (PCL). CTR hingegen wurden durch die TfCa mit einem Km von 0,5 mM und einer Vmax von 9,3 μmol/min/mg bei optimalen Bedingungen (60°C, pH 6) hydrolysiert. Das aktive Zentrum der Carboxylesterase besteht aus den Aminosäuren Ser185, Glu319 und His415, wobei das Serin in das katalytische Motiv G-E-S-A-G eingebettet ist. Während der Reaktion setzte die TfCa auch Hydrolyseprodukte aus PET-Fasern und -Filmen frei. Der Nachweis der Hydrolyse erfolgte durch Umkehrphasen-Hochleistungsflüssigkeitschromatographie der Abbauprodukte und bei den PET-Filmen zusätzlich mittels Rasterelektronenmikroskopie. Dabei zeigte die Carboxylesterase verglichen mit anderen PET-Hydrolasen eine geringere Effizienz, was durch die Lage des aktiven Zentrums in einer Bindungstasche und der daraus folgenden schlechten Zugänglichkeit für polymere Substrate begründet werden kann. Bei der Hydrolyse der viel kleineren CTR war die TfCa deutlich effektiver, was auf eine höhere Spezifität gegenüber kurzkettigen PET Substraten hinweist.

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Es wird der Eigenschaftsbereich von thermisch modififizierter Kartoffelstärke erweitert und durch viele Proben sowie eine große Probenmenge verififiziert. Ziel ist es neue Möglichkeiten zur Optimierung der Stärke-Prozesskette zu erschließen und somit das industrielle Anwendungsspektrum für den Ausgangsstoff Stärke zu vergrößern. Native und konditionierte Kartoffelstärke werden auf neuartige Weise durch eine (Vakuum-)Mikrowellenbehandlung und durch eine konvektive Ofenbehandlung im Labormaßstab thermisch modififiziert. Um Einflussparameter auf die resultierende Eigenschaftsänderung zu identififizieren, werden das Quellungs- und Lösungsverhalten der Stärkeproben in wässriger Umgebung charakterisiert sowie das Stärkegel mikroskopisch untersucht. Eine Steigerung der variierten Behandlungsparameter (Behandlungsdauer und -temperatur bzw. -leistung) bewirkt unabhängig vom Behandlungsverfahren eine Zunahme der Quellung und der Löslichkeit. Die schlüssige grafifische Darstellung der Ergebnisse offenbart die Unterschiede zwischen den thermischen Verfahren. Bei der Mikrowellenbehandlung verursacht der ungehinderte Eintrag der Feldenergie in die Stärke eine erheblich schnellere Modififikation gegenüber der Ofenbehandlung. Bei der Vakuum-Mikrowellenbehandlung bewirkt der große Dampfdruck-Gradient eine intensivere Behandlung gegenüber der Mikrowellenbehandlung bei Atmosphärendruck. Mit den Verfahren können vorbestimmte Eigenschaften der Kartoffelstärke bewirkt werden, bspw. verursacht die Mikrowellenbehandlung eine geringere Löslichkeit als die Ofenbehandlung. Bei der Ofenbehandlung verringert eine Befeuchtung die Quellung und die Löslichkeit, was ähnlich dem Heat-Moisture-Effekt auf eine Modififikation der Stärkestruktur bei erhöhter Feuchte zusammen mit hoher Temperatur hindeutet. Die mikroskopische Geluntersuchung zeigt Unterschiede des Stärkegels für die verschiedenen Verfahren. Nach der Vakuum-Mikrowellenbehandlung brechen bei der Quellung einzelne Körner im Glasübergangsstadium auf und die Kornfragmente sind als Schlieren sichtbar.

A material to function as a molecular electronic device should have a strong coupling with electrodes through appropriate and well-defined anchoring groups and have to support an effective traveling of charges via a conjugated molecular backbone. Oligo(3-hexylthiophene)s are π-conjugated molecules having large applicability in several areas of organic electronics owing interesting semiconducting properties and they also hold great promises in the field of single-molecule electronics. Polymerization methods, in principle, allow construction of long conjugated systems in a single synthetic step, however, most of them lack precision. This work uses externally initiated chain-growth Kumada Catalyst - Transfer Polycondensation (KCTP) for the synthesis of semiconductive oligo(3-hexylthiophene) wires with controllable molecular weights, low polydispersities, high regioregularities as well as with well-defined starting and end groups. In such a way, the synthetic efforts were compromised to obtain relatively easy a series of very complex molecular wires with a reasonable structural precision. To modulate the electronic function of oligomer backbones, specific charge-transfer moieties (DMA-TCBD and Fc-TCBD) were inserted as side chains or end groups. In-situ termination of KCTP with ZnCl-functionalized electron rich alkynes followed by Diederich-type click reaction resulted in the synthesis of asymmetrical oligo(3-hexylthiophene)s having thiolate-functionalized starting groups and donor-functionalized end-groups with a high degree of end-group functionalizations. Side chains of double-thiolate functionalized oligo(3-hexylthiophene)s, on the other hand, were further modified with the insertion of charge-transfer groups by post-polymerization functionalization. While the facile synthesis and modification of oligo(3-hexylthiophene)s enable the control over the molecular backbone, the specific starting and end anchoring groups allow the control over the electrode oligomer interface. To assure the formation of alligator clips between oligomer backbone and Au electrode, the optimizations including proper end-group conversion into mild counterparts followed by in-situ deprotection into thiolates and the binding abilities on gold were investigated. Finally, the conductance of bis-end functionalized oligo(3-hexylthiophene)s was preliminarily studied through oligomer backbone by Mechanically Controllable Break Junctions (MCBJs) setup and through oligomer-attached DNA origami-templated gold nanowires by individual electrical contacts. The developed KCTP-based synthetic route, at the end, presents new opportunities for the facile synthesis, the ease of modification and the feasibility of asymmetrical and side chain functionalized oligo(3-hexylthiophene) wires for needs of molecular electronics.

Der Actinomycet T. fusca KW3, isoliert aus Kompost, bildete während der Kultivierung im Mineralsalz-Spurenelement-Vitamin-Minimalmedium nach Zusatz von PET-Fasern eine 52 kDa Carboxylesterase (TfCa), welche effizient zyklische PET Trimere (CTR) hydrolysiert. Die TfCa besitzt einen pI von 4,8, eine Substratspezifität gegenüber kurzkettigen p-Nitrophenyl-Estern und wird durch Phenylmethylsulfonylfluorid (PMSF) und Tosyl-L-Phenylalanin-Chloromethylketon (TPCK) in der Aktivität gehemmt. Die Carboxylesterase hydrolysiert kein Cutin oder Poly-ε-caprolacton (PCL). CTR hingegen wurden durch die TfCa mit einem Km von 0,5 mM und einer Vmax von 9,3 μmol/min/mg bei optimalen Bedingungen (60°C, pH 6) hydrolysiert. Das aktive Zentrum der Carboxylesterase besteht aus den Aminosäuren Ser185, Glu319 und His415, wobei das Serin in das katalytische Motiv G-E-S-A-G eingebettet ist. Während der Reaktion setzte die TfCa auch Hydrolyseprodukte aus PET-Fasern und -Filmen frei. Der Nachweis der Hydrolyse erfolgte durch Umkehrphasen-Hochleistungsflüssigkeitschromatographie der Abbauprodukte und bei den PET-Filmen zusätzlich mittels Rasterelektronenmikroskopie. Dabei zeigte die Carboxylesterase verglichen mit anderen PET-Hydrolasen eine geringere Effizienz, was durch die Lage des aktiven Zentrums in einer Bindungstasche und der daraus folgenden schlechten Zugänglichkeit für polymere Substrate begründet werden kann. Bei der Hydrolyse der viel kleineren CTR war die TfCa deutlich effektiver, was auf eine höhere Spezifität gegenüber kurzkettigen PET Substraten hinweist.:Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 1 1.1 Actinomyceten 1 1.1.1 Klassifizierung 1 1.1.2 Thermobifida (Thermomonospora) fusca 2 1.2 Biopolyester Cutin und Suberin 4 1.2.1 Bestandteile des Cutins 4 1.2.2 Bestandteile des Suberins 5 1.2.3 Struktur der Biopolymere 7 1.3 Hydrolasen 12 1.3.1 Struktur und katalytischer Mechanismus 12 1.3.2 Carboxylesterasen 16 1.3.3 Lipasen 19 1.3.4 Cutinasen 22 1.4 Polyethylenterephthalat 23 1.4.1 Konventionelle PET-Faserbehandlung 24 1.4.2 Charakterisierung von PET 26 1.4.3 Biofunktionalisierung von PET 30 1.4.4 PET-Hydrolasen 38 1.5 Zielsetzung 49 2 Material und Methoden 50 2.1 Materialien 50 2.1.1 Verwendete Mikroorganismen 50 2.1.2 Verwendete Enzyme 50 2.1.3 Größenstandards 51 2.1.3.1 Low Molecular Weight Marker (GE Healthcare) 51 2.1.3.2 Roti®-Mark Standard (Fa. Carl Roth GmbH) 51 2.1.3.3 SpectraTM Multicolor Broad range Protein Ladder (Fermentas) 51 2.1.3.4 PageRulerTM plus prestained protein ladder (Fermentas) 51 2.1.3.5 Kalibrierungskit für pI Bestimmung (pH 3-10, GE Healthcare) 52 2.1.3.6 Kalibrierungskit für die Größenausschlusschromatographie (LMW, GE Healthcare) 52 2.1.4 Chemikalien 53 2.1.5 Geräte und Materialien 55 VI 2.1.6 Software 58 2.1.7 Nährmedien 58 2.1.8 Suberin- und Cutin-Präparationen 60 2.1.9 PET-Substrate für die Abbauuntersuchungen 60 2.1.10 Puffer und Lösungen 60 2.2 Mikrobiologische Methoden 65 2.2.1 Stammhaltung und Kultivierung 65 2.2.2 Mikroskopische Untersuchungen 65 2.2.3 Trockengewichtsbestimmung 65 2.3 Proteinchemische Methoden 66 2.3.1 Proteinaufreinigung der Wildtyp TfCa 66 2.3.2 Proteinaufreinigung der rekombinanten TfCa, TfCut1 und TfCut2 67 2.4 Analytische Methoden 67 2.4.1 Esterase-Aktivitätsbestimmung 67 2.4.1.1 Bestimmung mittels Spektrophotometer 68 2.4.1.2 Bestimmung mittels Plattenleser 68 2.4.2 Cutinase-Aktivitätsbestimmung 68 2.4.3 PCL-Abbauuntersuchung 69 2.4.3.1 Bestimmung mittels Hofbildung 69 2.4.3.2 Bestimmung mittels Plattenleser 69 2.4.4 Quantitative Protein-Bestimmung nach Bradford (1976) 69 2.4.5 SDS Polyacrylamidgelelektrophorese (SDS-PAGE) 70 2.4.5.1 Esteraseaktivitäts-Färbung 70 2.4.5.2 Coomassie-Färbung 71 2.4.5.3 Silberfärbung der Proteine 71 2.4.6 Bestimmung des pI 71 2.4.7 Bestimmung der Molaren Masse 72 2.4.8 Bestimmung der Temperatur und pH-Wert Stabilität 72 2.4.9 Bestimmung der Stabilität gegenüber Inhibitoren 72 2.4.10 Bestimmung der kinetischen Konstanten für die Hydrolyse von p-NP Ester 72 2.4.11 Bestimmung der kinetische Konstanten für die Hydrolyse von CTR 73 2.4.12 Bestimmung optimaler Temperatur und pH-Wert für die Hydrolyse von CTR 73 2.4.13 N-terminale Sequenzierung 73 2.4.14 MALDI-TOF Sequenzierung 74 2.4.15 Abbaustudien 74 VII 2.4.16 Analytik der PET Abbauprodukte 75 2.4.17 Konzentrationabhängige CTR-Abbaustudien 75 2.5 Homologie-Modelling der TfCa und weitere PET-Hydrolasen 76 3 Ergebnisse und Diskussion 77 3.1 Screening nach PET-Hydrolasen aus T. fusca 77 3.1.1 Wachstum von T. fusca KW3 im Czapek-Medium 77 3.1.2 Wachstum von T. fusca KW3 im MSV-Medium 78 3.1.2.1 Esterasebildung mit verschiedenen synthetischen und natürlichen Polyestern 78 3.1.2.2 Esterasebildung mit einer Suberinpräparation 81 3.1.2.3 Esterasebildung mit PET-Fasern 83 3.1.3 Esterasebildung bei T. fusca KW3 DSM 6013, T. fusca DSM 43792 und DSM 43793 mit PET-Fasern und Diethylterephthalat 85 3.2 Charakterisierung der PET-Hydrolasen aus T. fusca KW3 95 3.2.1 Aufreinigung 95 3.2.1.1 Aufreinigung der TfCa 95 3.2.1.2 Aufreinigung der rekombinanten PET-Hydrolasen 105 3.2.2 pI der TfCa 113 3.2.3 Molare Masse der TfCa 113 3.2.4 Temperatur- und pH-Stabilität der TfCa 114 3.2.5 Wirkung von Inhibitoren auf die TfCa 117 3.2.6 Kinetik der Hydrolyse von verschiedenen Esterasesubstraten durch die TfCa 118 3.2.7 Optimale Temperatur und optimaler pH-Wert der CTR-Hydrolyse durch die TfCa 119 3.2.8 Cutinaseaktivität der TfCa 120 3.2.9 PCL-Abbau durch die TfCa 121 3.2.10 N-terminale Sequenz der TfCa 122 3.2.11 MALDI-TOF Sequenzierung der TfCa 123 3.2.12 Homologie-Modeling der TfCa und Vergleich der Struktur mit anderen Hydrolasen 126 3.2.13 Vergleich der TfCa mit bekannten PET-Hydrolasen 128 3.3 Hydrolyse von PET Substraten durch prokaryotische und eukaryotische Hydrolasen 138 3.3.1 Partielle Hydrolyse von APET-Filmen durch die PET-Hydrolasen 140 3.3.2 Partielle Hydrolyse von PET-Fasern durch die PET-Hydrolasen 148 3.3.3 Hydrolyse von PET-Trimeren durch die PET-Hydrolasen 151 4 Zusammenfassung 165 VIII 5 Literaturverzeichnis 166 6 Publikationen 181 7 Poster und Vorträge 182 8 Lebenslauf 183

A material to function as a molecular electronic device should have a strong coupling with electrodes through appropriate and well-defined anchoring groups and have to support an effective traveling of charges via a conjugated molecular backbone. Oligo(3-hexylthiophene)s are π-conjugated molecules having large applicability in several areas of organic electronics owing interesting semiconducting properties and they also hold great promises in the field of single-molecule electronics. Polymerization methods, in principle, allow construction of long conjugated systems in a single synthetic step, however, most of them lack precision. This work uses externally initiated chain-growth Kumada Catalyst - Transfer Polycondensation (KCTP) for the synthesis of semiconductive oligo(3-hexylthiophene) wires with controllable molecular weights, low polydispersities, high regioregularities as well as with well-defined starting and end groups. In such a way, the synthetic efforts were compromised to obtain relatively easy a series of very complex molecular wires with a reasonable structural precision. To modulate the electronic function of oligomer backbones, specific charge-transfer moieties (DMA-TCBD and Fc-TCBD) were inserted as side chains or end groups. In-situ termination of KCTP with ZnCl-functionalized electron rich alkynes followed by Diederich-type click reaction resulted in the synthesis of asymmetrical oligo(3-hexylthiophene)s having thiolate-functionalized starting groups and donor-functionalized end-groups with a high degree of end-group functionalizations. Side chains of double-thiolate functionalized oligo(3-hexylthiophene)s, on the other hand, were further modified with the insertion of charge-transfer groups by post-polymerization functionalization. While the facile synthesis and modification of oligo(3-hexylthiophene)s enable the control over the molecular backbone, the specific starting and end anchoring groups allow the control over the electrode oligomer interface. To assure the formation of alligator clips between oligomer backbone and Au electrode, the optimizations including proper end-group conversion into mild counterparts followed by in-situ deprotection into thiolates and the binding abilities on gold were investigated. Finally, the conductance of bis-end functionalized oligo(3-hexylthiophene)s was preliminarily studied through oligomer backbone by Mechanically Controllable Break Junctions (MCBJs) setup and through oligomer-attached DNA origami-templated gold nanowires by individual electrical contacts. The developed KCTP-based synthetic route, at the end, presents new opportunities for the facile synthesis, the ease of modification and the feasibility of asymmetrical and side chain functionalized oligo(3-hexylthiophene) wires for needs of molecular electronics.