Für eine umfassende Untersuchung der Phylogenie der Decapoda wurden von mir die mitochondrialen Genome von 13 Dekapoden sequenziert. Zusammen mit den in der GenBank verfügbaren Sequenzen von 31 Dekapoden und dem von der Universität Bonn zur Verfügung gestellten mitochondrialen Genom von Dromia personata deckt dieser Datensatz alle großen Teilgruppen der Decapoda ab. Maximum likelihood (ML)-Analysen und Bayesian inference (BI)-Analysen der Nucleotidsequenzen und Aminosäuresequenzen ergaben bezüglich der Verwandtschaft der hochrangigen Taxa ähnliche Topologien: (((((((Anomala, Brachyura), Thalassinida: Gebiidea) Thalassinida: Axiidea), Astacidea), Achelata), Stenopodidea), Caridea), Dendrobranchiata). Gleichwohl wurde mit den Polychelida ein problematisches Taxon mit ungewissen Verwandtschaftsbeziehungen identifiziert. Auf der Eben der Unterordnungen sind die Thalassinida paraphyletisch, was mit einigen morphologischen und einigen jüngeren molekularen Studien konsistent ist, alle anderen gebräuchlichen Taxa sind monophyletisch. Es handelt sich um eine Inversion, die sich vom S-E-F tRNA cluster bis zum I-Q-M tRNA cluster erstreckt und in Procambarus fallax f. virginalis und Homarus gammarus auftritt. Im Vergleich mit dem Genarrangement des Limulus polyphemus zeigen beide Astaciden in dieser Region exakt dieselbe Inversion wie der Priapulide Priapulus caudatus, die daher innerhalb der Ecdysozoa als konvergent angenommen werden muss. Auch neben dieser Inversion innerhalb der Astacidea zeigen die Genarrangements aller verfügbaren Dekapoden mehrere interessante Eigenschaften. Um die beobachteten einzigartigen genomischen Eigenschaften zu erklären, schlage ich mit dem „inversion triggered duplication“ Model ein neues Modell für Gen-Rearrangements vor. / For a comprehensive study of decapod phylogeny at the mitochondrial genome level, I have sequenced the mitochondrial genome of 13 decapods. Together with available sequences of 31 decapods from GenBank, and the mitochondrial genome of Dromia personata provided by the Bonn University, the dataset now cover all major decapod taxa. Maximum likelihood (ML) and Bayesian inference (BI) of the nucleotide and amino acid datasets reveal similar topologies at the higher level relationships: (((((((Anomala, Brachyura), Thalassinida: Gebiidea) Thalassinida: Axiidea), Astacidea), Achelata), Stenopodidea), Caridea), Dendrobranchiata). Nevertheless, one problematic taxon, Polychelida, with ambiguous affinities is recognized. At the lower level, most taxa are monophyletic, whereas the Thalassinida is paraphyletic, which is consistent with some morphological and molecular results. An inversion spanning from S-E-F tRNA cluster to the I-Q-M tRNA cluster occurred in Procambarus fallax f. virginalis, Homarus gammarus, and one priapulid Priapulus caudatus. Compared with the gene arrangement of the horseshoe crab Limulus polyphemus, both astacids and the priapulid exhibit the same inversion, which is therefore supposed to be a convergent event of the clade Astacidea and Priapulida among Ecdysozoa. Other than this notable feature observed in astacids, the gene arrangements in all available decapods show some interesting characters. To explain these unique genomic features observed here, a new gene rearrangement model is proposed, which is called the “inversion triggered duplication” model.

Bewegungen von prozessiven molekularen Motoren des Zytoskeletts sind durch ein Wechselspiel von gerichteter Bewegung entlang von Filamenten und Diffusion in der umgebenden Lösung gekennzeichnet. Diese eigentümlichen Bewegungen werden in der vorliegenden Arbeit untersucht, indem sie als Random Walks auf einem Gitter modelliert werden. Ein weiterer Gegenstand der Untersuchung sind Effekte von Wechselwirkungen zwischen den Motoren auf diese Bewegungen. <br /> <br /> Im einzelnen werden vier Transportphänomene untersucht: <br /> (i) Random Walks von einzelnen Motoren in Kompartimenten verschiedener Geometrien, <br /> (ii) stationäre Konzentrationsprofile, die sich in geschlossenen Kompartimenten infolge dieser Bewegungen einstellen,<br /> (iii) randinduzierte Phasenübergänge in offenen röhrenartigen Kompartimenten, die an Motorenreservoirs gekoppelt sind, und <br /> (iv) der Einfluß von kooperativen Effekten bei der Motor-Filament-Bindung auf die Bewegung. Alle diese Phänomene sind experimentell zugänglich, und mögliche experimentelle Realisierungen werden diskutiert. / Movements of processive cytoskeletal motors are characterized by an interplay between directed motion along filament and diffusion in the surrounding solution. In the present work, these peculiar movements are studied by modeling them as random walks on a lattice. An additional subject of our studies is the effect of motor-motor interactions on these movements. <br /> <br /> In detail, four transport phenomena are studied: <br /> (i) Random walks of single motors in compartments of various geometries, <br /> (ii) stationary concentration profiles which build up as a result of these movements in closed compartments, <br /> (iii) boundary-induced phase transitions in open tube-like compartments coupled to reservoirs of motors, and <br /> (iv) the influence of cooperative effects in motor-filament binding on the movements. All these phenomena are experimentally accessible and possible experimental realizations are discussed.

In biological cells, the long-range intracellular traffic is powered by molecular motors which transport various cargos along microtubule filaments. The microtubules possess an intrinsic direction, having a 'plus' and a 'minus' end. Some molecular motors such as cytoplasmic dynein walk to the minus end, while others such as conventional kinesin walk to the plus end. Cells typically have an isopolar microtubule network. This is most pronounced in neuronal axons or fungal hyphae. In these long and thin tubular protrusions, the microtubules are arranged parallel to the tube axis with the minus ends pointing to the cell body and the plus ends pointing to the tip. In such a tubular compartment, transport by only one motor type leads to 'motor traffic jams'. Kinesin-driven cargos accumulate at the tip, while dynein-driven cargos accumulate near the cell body. We identify the relevant length scales and characterize the jamming behaviour in these tube geometries by using both Monte Carlo simulations and analytical calculations. A possible solution to this jamming problem is to transport cargos with a team of plus and a team of minus motors simultaneously, so that they can travel bidirectionally, as observed in cells. The presumably simplest mechanism for such bidirectional transport is provided by a 'tug-of-war' between the two motor teams which is governed by mechanical motor interactions only. We develop a stochastic tug-of-war model and study it with numerical and analytical calculations. We find a surprisingly complex cooperative motility behaviour. We compare our results to the available experimental data, which we reproduce qualitatively and quantitatively. / In biologischen Zellen transportieren molekulare Motoren verschiedenste Frachtteilchen entlang von Mikrotubuli-Filamenten. Die Mikrotubuli-Filamente besitzen eine intrinsische Richtung: sie haben ein "Plus-" und ein "Minus-"Ende. Einige molekulare Motoren wie Dynein laufen zum Minus-Ende, während andere wie Kinesin zum Plus-Ende laufen. Zellen haben typischerweise ein isopolares Mikrotubuli-Netzwerk. Dies ist besonders ausgeprägt in neuronalen Axonen oder Pilz-Hyphen. In diesen langen röhrenförmigen Ausstülpungen liegen die Mikrotubuli parallel zur Achse mit dem Minus-Ende zum Zellkörper und dem Plus-Ende zur Zellspitze gerichtet. In einer solchen Röhre führt Transport durch nur einen Motor-Typ zu "Motor-Staus". Kinesin-getriebene Frachten akkumulieren an der Spitze, während Dynein-getriebene Frachten am Zellkörper akkumulieren. Wir identifizieren die relevanten Längenskalen und charakterisieren das Stauverhalten in diesen Röhrengeometrien mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen und analytischen Rechnungen. Eine mögliche Lösung für das Stauproblem ist der Transport mit einem Team von Plus- und einem Team von Minus-Motoren gleichzeitig, so dass die Fracht sich in beide Richtungen bewegen kann. Dies wird in Zellen tatsächlich beobachtet. Der einfachste Mechanismus für solchen bidirektionalen Transport ist ein "Tauziehen" zwischen den beiden Motor-Teams, das nur mit mechanischer Interaktion funktioniert. Wir entwickeln ein stochastisches Tauzieh-Modell, das wir mit numerischen und analytischen Rechnungen untersuchen. Es ergibt sich ein erstaunlich komplexes Motilitätsverhalten. Wir vergleichen unsere Resultate mit den vorhandenen experimentellen Daten, die wir qualitativ und quantitativ reproduzieren.

Cargo transport by molecular motors is ubiquitous in all eukaryotic cells and is typically driven cooperatively by several molecular motors, which may belong to one or several motor species like kinesin, dynein or myosin. These motor proteins transport cargos such as RNAs, protein complexes or organelles along filaments, from which they unbind after a finite run length. Understanding how these motors interact and how their movements are coordinated and regulated is a central and challenging problem in studies of intracellular transport. In this thesis, we describe a general theoretical framework for the analysis of such transport processes, which enables us to explain the behavior of intracellular cargos based on the transport properties of individual motors and their interactions. Motivated by recent in vitro experiments, we address two different modes of transport: unidirectional transport by two identical motors and cooperative transport by actively walking and passively diffusing motors. The case of cargo transport by two identical motors involves an elastic coupling between the motors that can reduce the motors’ velocity and/or the binding time to the filament. We show that this elastic coupling leads, in general, to four distinct transport regimes. In addition to a weak coupling regime, kinesin and dynein motors are found to exhibit a strong coupling and an enhanced unbinding regime, whereas myosin motors are predicted to attain a reduced velocity regime. All of these regimes, which we derive both by analytical calculations and by general time scale arguments, can be explored experimentally by varying the elastic coupling strength. In addition, using the time scale arguments, we explain why previous studies came to different conclusions about the effect and relevance of motor-motor interference. In this way, our theory provides a general and unifying framework for understanding the dynamical behavior of two elastically coupled molecular motors. The second mode of transport studied in this thesis is cargo transport by actively pulling and passively diffusing motors. Although these passive motors do not participate in active transport, they strongly enhance the overall cargo run length. When an active motor unbinds, the cargo is still tethered to the filament by the passive motors, giving the unbound motor the chance to rebind and continue its active walk. We develop a stochastic description for such cooperative behavior and explicitly derive the enhanced run length for a cargo transported by one actively pulling and one passively diffusing motor. We generalize our description to the case of several pulling and diffusing motors and find an exponential increase of the run length with the number of involved motors. / Lastentransport mittels Motorproteinen ist ein grundlegender Mechanismus aller eukaryotischen Zellen und wird üblicherweise von mehreren Motoren kooperativ durchgeführt, die zu einer oder zu verschiedenen Motorarten wie Kinesin, Dynein oder Myosin gehören. Diese Motoren befördern Lasten wie zum Beispiel RNAs, Proteinkomplexe oder Organellen entlang Filamenten, von denen sie nach einer endlichen zurückgelegten Strecke abbinden. Es ist ein zentrales und herausforderndes Problem zu verstehen, wie diese Motoren wechselwirken und wie ihre Bewegungen koordiniert und reguliert werden. In der vorliegenden Arbeit wird eine allgemeine theoretische Herangehensweise zur Untersuchung solcher Transportprozesse beschrieben, die es uns ermöglicht, das Verhalten von intrazellularem Transport, ausgehend von den Transporteigenschaften einzelner Motoren und ihren Wechselwirkungen, zu verstehen. Wir befassen uns mit zwei Arten kooperativen Transports, die auch kürzlich in verschiedenen in vitro-Experimenten untersucht wurden: (i) gleichgerichteter Transport mit zwei identischen Motorproteinen und (ii) kooperativer Transport mit aktiv schreitenden und passiv diffundierenden Motoren. Beim Lastentransport mit zwei identischen Motoren sind die Motoren elastisch gekoppelt, was eine Verminderung ihrer Geschwindigkeit und/oder ihrer Bindezeit am Filament hervorrufen kann. Wir zeigen, dass solch eine elastische Kopplung im Allgemeinen zu vier verschiedenen Transportcharakteristiken führt. Zusätzlich zu einer schwachen Kopplung, können bei Kinesinen und Dyneinen eine starke Kopplung und ein verstärktes Abbinden auftreten, wohingegen bei Myosin Motoren eine verminderte Geschwindigkeit vorhergesagt wird. All diese Transportcharakteristiken, die wir mit Hilfe analytischer Rechnungen und Zeitskalenargumenten herleiten, können durch Änderung der elastischen Kopplung experimentell untersucht werden. Zusätzlich erklären wir anhand der Zeitskalenargumente, warum frühere Untersuchungen zu unterschiedlichen Erkenntnissen über die Auswirkung und die Wichtigkeit der gegenseitigen Beeinflussung der Motoren gelangt sind. Auf diese Art und Weise liefert unsere Theorie eine allgemeine und vereinheitlichende Beschreibung des dynamischen Verhaltens von zwei elastisch gekoppelten Motorproteinen. Die zweite Art von Transport, die in dieser Arbeit untersucht wird ist der Lastentransport durch aktiv ziehende und passiv diffundierende Motoren. Obwohl die passiven Motoren nicht zum aktiven Transport beitragen, verlängern sie stark die zurückgelegte Strecke auf dem Filament. Denn wenn ein aktiver Motor abbindet, wird das Lastteilchen immer noch am Filament durch den passiven Motor festgehalten, was dem abgebundenen Motor die Möglichkeit gibt, wieder an das Filament anzubinden und den aktiven Transport fortzusetzen. Für dieses kooperative Verhalten entwickeln wir eine stochastische Beschreibung und leiten explizit die verlängerte Transportstrecke für einen aktiv ziehenden und einen passiv diffundierenden Motor her. Wir verallgemeinern unsere Beschreibung für den Fall von mehreren ziehenden und diffundierenden Motoren und finden ein exponentielles Anwachsen der zurückgelegten Strecke in Abhängigkeit von der Anzahl der beteiligten Motoren.

This work describes the realization of physically crosslinked networks based on gelatin by the introduction of functional groups enabling specific supramolecular interactions. Molecular models were developed in order to predict the material properties and permit to establish a knowledge-based approach to material design. The effect of additional supramolecular interactions with hydroxyapaptite was then studied in composite materials. The calculated properties are compared to experimental results to validate the models. The models are then further used for the study of physically crosslinked networks. Gelatin was functionalized with desaminotyrosine (DAT) and desaminotyrosyl-tyrosine (DATT) side groups, derived from the natural amino acid tyrosine. These group can potentially undergo to π-π and hydrogen bonding interactions also under physiological conditions. Molecular dynamics (MD) simulations were performed on models with 0.8 wt.-% or 25 wt.-% water content, using the second generation forcefield CFF91. The validation of the models was obtained by the comparison with specific experimental data such as, density, peptide conformational angles and X-ray scattering spectra. The models were then used to predict the supramolecular organization of the polymer chain, analyze the formation of physical netpoints and calculate the mechanical properties. An important finding of simulation was that with the increase of aromatic groups also the number of observed physical netpoints increased. The number of relatively stable physical netpoints, on average zero 0 for natural gelatin, increased to 1 and 6 for DAT and DATT functionalized gelatins respectively. A comparison with the Flory-Rehner model suggested reduced equilibrium swelling by factor 6 of the DATT-functionalized materials in water. The functionalized gelatins could be synthesized by chemoselective coupling of the free carboxylic acid groups of DAT and DATT to the free amino groups of gelatin. At 25 wt.-% water content, the simulated and experimentally determined elastic mechanical properties (e.g. Young Modulus) were both in the order of GPa and were not influenced by the degree of aromatic modification. The experimental equilibrium degree of swelling in water decreased with increasing the number of inserted aromatic functions (from 2800 vol.-% for pure gelatin to 300 vol.-% for the DATT modified gelatin), at the same time, Young’s modulus, elongation at break, and maximum tensile strength increased. It could be show that the functionalization with DAT and DATT influences the chain organization of gelatin based materials together with a controlled drying condition. Functionalization with DAT and DATT lead to a drastic reduction of helical renaturation, that could be more finely controlled by the applied drying conditions. The properties of the materials could then be influenced by application of two independent methods. Composite materials of DAT and DATT functionalized gelatins with hydroxyapatite (HAp) show a drastic reduction of swelling degree. In tensile tests and rheological measurements, the composites equilibrated in water had increased Young’s moduli (from 200 kPa up to 2 MPa) and tensile strength (from 57 kPa up to 1.1 MPa) compared to the natural polymer matrix without affecting the elongation at break. Furthermore, an increased thermal stability from 40 °C to 85 °C of the networks could be demonstrated. The differences of the behaviour of the functionalized gelatins to pure gelatin as matrix suggested an additional stabilizing bond between the incorporated aromatic groups to the hydroxyapatite. / Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung von durch spezifische physikalische Wechselwirkungen quervernetzten Gelatine-basierten Materialien. Dazu wurden zunächst Computermodelle entwickelt, mit denen Eigenschaften der Materialien vorhergesagt werden sollten, um so eine wissensbasierte Entwicklung zu ermöglichen, um dann die Ergebnisse mit experimentellen Daten zu vergleichen und die Materialien und Modelle als Grundlage für weitere Entwicklungen zu nutzen. Gelatine wurde mit Desaminotyrosin (DAT) und Desaminotyrosyltyrosin (DATT) funktionalisiert, die sich von der natürlichen Aminosäure Tyrosin ableiten. Diese Gruppen können potentiell π-π Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen auch unter physiologischen Bedingungen eingehen. Es wurden Computersimulationen der Materialien mittels Moleküldynamik durchgeführt, wobei Modelle mit 0.8 Gew.-% und 25 Gew.-% Wassergehalt betrachtet wurden. Die Validierung der Modelle erfolgte durch Vergleich der errechneten mit experimentellen Daten wie z.B. der Dichte, Bindungswinkeln sowie Röntgenstreuungsspektren. Die Modelle wurden dann zur Vorhersage der molekularen Organisation der Polymerketten, Formierung physikalischer Netzpunkte und Berechnung der mechanischen Eigenschaften eingesetzt. Die Funktionalisierung der Gelatine mit DAT bzw. DATT führten wie gewünscht zur Ausbildung physikalischer Netzpunkte durch π-π Wechselwirkungen und Wasserstoffbrücken¬bindungen. Ein Schlüsselergebnis der Simulationen war, dass mit zunehmender Zahl an aromatischen Gruppen auch eine Zunahme der physikalischen Netzpunkte beobachtet werden konnte. Die funktionalisierten Gelatinen konnten durch chemoselektive Reaktion der Aminogruppen der Gelatine mit den freien Carboxylgruppen von DAT und DATT hergestellt werden. Materialien mit 25 Gew.-% Wassergehalt hatten in der Simulation und im Experiment mechanische Eigenschaften derselben Größenordnung (z.B. E-Moduln im unteren GPa-Bereich). Der Quellungsgrad der Materialien im Experiment nahm mit zunehmender Zahl an aromatische Gruppen ab (von 2800 Vol.-% auf 300 Vol.-%), wobei der Elastizitätsmodul, die Bruchdehnung sowie die Zugfestigkeit zunahmen. Die Funktionalisierung der Gelatine ist eine chemische Methode, um die Kettenanordnung auf molekularer Ebene zu beeinflussen, während die genaue Kontrolle der Trocknungs¬bedinguungen von Gelatine-basierten Materialien eine physikalische Methode mit demselben Ziel ist. Es konnte gezeigt werden, dass die Funktionalisierung von Gelatine mit DAT oder DATT zu einer stark verminderten Helixausbildungstendenz, die jedoch durch Variation der Trocknunsgbedingungen noch fein abgestimmt werden konnte. Somit konnten die mechanischen Eigenschaften von Filmen aus funktionlisierter Gelatine mit zwei unabhängigen Methoden eingestellt werden. Komposite der mit DAT oder DATT funktionalisierten Gelatine und Hydroxyapatit (HAp) zeigten deutlich verringerter Quellung. In Zugdehnungsexperimenten und rheologischen Untersuchungen zeigten die Komposite im Gleichgewichtsquellungszustand erhöhte Elastizitätsmoduln (von 200 kPa auf bis zu 2 MPa) und Zugfestigkeit (von 57 kPa auf bis zu 1.1 MPa). Darüber hinaus konnte die Übergangstemperatur Tc deutlich gesteigert werden (von ca. 40 °C auf > 85 °C). Dieses Verhalten ließ sich auf stabilisierende Bindungen zwischen den aromatische Gruppen und dem HAp zurückführen.

Advances in biotechnologies rapidly increase the number of molecules of a cell which can be observed simultaneously. This includes expression levels of thousands or ten-thousands of genes as well as concentration levels of metabolites or proteins. <br><br> Such Profile data, observed at different times or at different experimental conditions (e.g., heat or dry stress), show how the biological experiment is reflected on the molecular level. This information is helpful to understand the molecular behaviour and to identify molecules or combination of molecules that characterise specific biological condition (e.g., disease). <br><br> This work shows the potentials of component extraction algorithms to identify the major factors which influenced the observed data. This can be the expected experimental factors such as the time or temperature as well as unexpected factors such as technical artefacts or even unknown biological behaviour. <br><br> Extracting components means to reduce the very high-dimensional data to a small set of new variables termed components. Each component is a combination of all original variables. The classical approach for that purpose is the principal component analysis (PCA). <br><br> It is shown that, in contrast to PCA which maximises the variance only, modern approaches such as independent component analysis (ICA) are more suitable for analysing molecular data. The condition of independence between components of ICA fits more naturally our assumption of individual (independent) factors which influence the data. This higher potential of ICA is demonstrated by a crossing experiment of the model plant <i>Arabidopsis thaliana</i> (Thale Cress). The experimental factors could be well identified and, in addition, ICA could even detect a technical artefact. <br><br> However, in continuously observations such as in time experiments, the data show, in general, a nonlinear distribution. To analyse such nonlinear data, a nonlinear extension of PCA is used. This nonlinear PCA (NLPCA) is based on a neural network algorithm. The algorithm is adapted to be applicable to incomplete molecular data sets. Thus, it provides also the ability to estimate the missing data. The potential of nonlinear PCA to identify nonlinear factors is demonstrated by a cold stress experiment of <i>Arabidopsis thaliana</i>. <br><br> The results of component analysis can be used to build a molecular network model. Since it includes functional dependencies it is termed functional network. Applied to the cold stress data, it is shown that functional networks are appropriate to visualise biological processes and thereby reveals molecular dynamics. / Fortschritte in der Biotechnologie ermöglichen es, eine immer größere Anzahl von Molekülen in einer Zelle gleichzeitig zu erfassen. Das betrifft sowohl die Expressionswerte tausender oder zehntausender Gene als auch die Konzentrationswerte von Metaboliten oder Proteinen. <br><br> Diese Profildaten verschiedener Zeitpunkte oder unterschiedlicher experimenteller Bedingungen (z.B. unter Stressbedingungen wie Hitze oder Trockenheit) zeigen, wie sich das biologische Experiment auf molekularer Ebene widerspiegelt. Diese Information kann genutzt werden, um molekulare Abläufe besser zu verstehen und um Moleküle oder Molekül-Kombinationen zu bestimmen, die für bestimmte biologische Zustände (z.B.: Krankheit) charakteristisch sind. <br><br> Die Arbeit zeigt die Möglichkeiten von Komponenten-Extraktions-Algorithmen zur Bestimmung der wesentlichen Faktoren, die einen Einfluss auf die beobachteten Daten ausübten. Das können sowohl die erwarteten experimentellen Faktoren wie Zeit oder Temperatur sein als auch unerwartete Faktoren wie technische Einflüsse oder sogar unerwartete biologische Vorgänge. <br><br> Unter der Extraktion von Komponenten versteht man die Reduzierung dieser stark hoch-dimensionalen Daten auf wenige neue Variablen, die eine Kombination aus allen ursprünglichen Variablen darstellen und als Komponenten bezeichnet werden. Die Standard-Methode für diesen Zweck ist die Hauptkomponentenanalyse (PCA). <br><br> Es wird gezeigt, dass - im Vergleich zur nur die Varianz maximierenden PCA - moderne Methoden wie die Unabhängige Komponentenanalyse (ICA) für die Analyse molekularer Datensätze besser geeignet sind. Die Unabhängigkeit von Komponenten in der ICA entspricht viel besser unserer Annahme individueller (unabhängiger) Faktoren, die einen Einfluss auf die Daten ausüben. Dieser Vorteil der ICA wird anhand eines Kreuzungsexperiments mit der Modell-Pflanze <i>Arabidopsis thaliana</i> (Ackerschmalwand) demonstriert. Die experimentellen Faktoren konnten dabei gut identifiziert werden und ICA erkannte sogar zusätzlich einen technischen Störfaktor. <br><br> Bei kontinuierlichen Beobachtungen wie in Zeitexperimenten zeigen die Daten jedoch häufig eine nichtlineare Verteilung. Für die Analyse dieser nichtlinearen Daten wird eine nichtlinear erweiterte Methode der PCA angewandt. Diese nichtlineare PCA (NLPCA) basiert auf einem neuronalen Netzwerk-Algorithmus. Der Algorithmus wurde für die Anwendung auf unvollständigen molekularen Daten erweitert. Dies ermöglicht es, die fehlenden Werte zu schätzen. Die Fähigkeit der nichtlinearen PCA zur Bestimmung nichtlinearer Faktoren wird anhand eines Kältestress-Experiments mit <i>Arabidopsis thaliana</i> demonstriert. <br><br> Die Ergebnisse aus der Komponentenanalyse können zur Erstellung molekularer Netzwerk-Modelle genutzt werden. Da sie funktionelle Abhängigkeiten berücksichtigen, werden sie als Funktionale Netzwerke bezeichnet. Anhand der Kältestress-Daten wird demonstriert, dass solche funktionalen Netzwerke geeignet sind, biologische Prozesse zu visualisieren und dadurch die molekularen Dynamiken aufzuzeigen.

Der probiotische Stamm E. coli Nissle 1917 ist ein Fäkalisolat, das in der Medizin traditionell zur Behandlung verschiedener gastrointestinaler Erkrankungen eingesetzt wird. Durch erfolgversprechende klinische Studien zur Remissionserhaltung bei Colitis ulcerosa, bei denen EcN als therapeutische Alternative zur Standardmedikation eingesetzt wird, ist das Interesse an den Wirkmechanismen von Probiotika stark gestiegen. EcN gehört derzeit zu den am besten untersuchten Probiotika. Einige Wirkmechanismen konnten dadurch schon aufgeklärt werden. So sind vermutlich Strukturkomponenten und stammspezifische Syntheseleistungen an der Ausprägung des probiotischen Phänotyps von EcN beteiligt. Schlüssige Konzepte, die über Gene, Genprodukte und molekulare Mechanismen den probiotischen Effekt von EcN erklären, fehlen bislang. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Genom von EcN analysiert und auf der Basis der Genomsequenz mit anderen E. coli-Stämmen verglichen. Mit Hilfe einer Promotor-Reporter-Fusionsbibliothek (Promotorbank) werden intestinal in vivo regulierte Gene identifiziert und dadurch neue Ansätze zur Untersuchung der probiotischen Eigenschaften von EcN geschaffen. Die Grundlage für die molekulare Analyse von EcN ist die manuelle Nachannotation seines sequenzierten Genoms. Die EcN-Sequenz wird mit 13 weiteren annotierten E. coli-Sequenzen verglichen. Nach dieser Analyse kodiert EcN derzeit 121 stammspezifische Gene. Die Genomstruktur ist mit den enthaltenen genomischen Inseln und Prophagen dem Genom des uropathogenen E. coli CFT073 sehr ähnlich. Mit wenigen Ausnahmen kodiert EcN alle in E. coli CFT073 vorhandenen Virulenz- und Fitnessfaktoren, so dass auf der Nukleotidebene die nahe Verwandschaft dieser beiden Stämme bestätigt werden kann. Zudem kann gezeigt werden, dass EcN in artifiziellen Systemen wie der Zellkultur oder gnotobiotischen Mäusen ein pathogenes Potenzial hat, obgleich die Kolonisierungsfähigkeit pathogener Bakterien durch Inkubation mit EcN herabgesetzt wird. Eine wichtige Rolle bei der Besiedlung des Intestinaltrakts und der Immunstimulation von Darmepithelzellen spielt auch die globale Regulation der Genaktivität bei EcN durch den alternativen Sigma-Faktor RpoS, der im Gegensatz zu rpoS-Deletionsmutanten zu einer gesteigerten mRNA-Expression des Tight-junction Proteins ZO-1 führt. Des Weiteren führte die Untersuchung von EcN-Deletionsmutanten zu der Schlussfolgerung, dass einige genomische Inseln für Eigenschaften, die das probiotische Verhalten erklären können, eine Rolle spielen. Durch den Einsatz einer Promotorbank von EcN in konventionellen und gnotobiotischen Mäusen werden erstmalig Sequenzen von intestinal in vivo aktiven Promotoren identifiziert. Der Aufbau eines Promotor-Reportergen-Assays mit dem Biolumineszenz erzeugenden luxCDABE-Operon ermöglichte die Untersuchung ausgewählter Promotoren in vitro. Mit einem In Vivo Imaging System (IVIS) kann in weiteren Experimenten die Aktivität dieser Promotoren in lebenden Mäusen untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass EcN kein vollkommen harmloser probiotischer Stamm ist. Weitere Informationen über EcN sind dehalb wichtig für eine optimierte Anwendung als Therapeutikum. Die molekulare Analyse ist somit eine unbedingt notwendige Grundlage für weiterführende Untersuchungen der Eigenschaften von EcN, die für seinen probiotischen Charakter verantwortlich sind. / The probiotic E. coli Nissle 1917 is a fecal isolate which is traditionally used for treatment of various gastrointestinal disorders. In clinical trials where EcN was used as therapeutic alternative for remission maintenance of ulcerative colitis compared to standard medication, promising results led to an increased interest in probiotics. Today, EcN is one of the best studied probiotics. Therefore, several mechanisms of action could be enlightened. Structural components and strain-specific products are responsible for its probiotic effects. But conclusive concepts about genes, gene products and molecular mechanisms that really contribute to the probiotic character of EcN have not been offered so far. In order to create new possibilities to elucidate the probiotic traits of EcN the genome is analysed by taking this as a basis for comparison to other E. coli genomes and identification of intestinal in vivo regulated genes using a promoter-trap-library. The sequenced EcN genome is annotated and compared to 13 other so far annotated E. coli genomes. Concerning these analyses EcN encodes 121 strain-specific genes. The genome structure including the genomic islands and prophages is highly homolog to the uropathogenic E. coli CFT073. EcN encodes most of the virulence and fitness factors that are present in E. coli CFT073. Therefore, the close relationship of these two strains is confirmed at nucleotide level. Furthermore, it is shown that in artificial systems like cell culture assays and gnotobiotic mice EcN reveals a pathogenic potential although EcN is able to decrease colonization efficiency of pathogenic bacteria. The alternative sigma factor RpoS that is responsible for global regulation and activity of several genes seems to play an important role during colonization of EcN in the intestine and its immunostimulatory effects on intestinal epithelial cells. Investigation of EcN-deletion mutants lacking genomic islands and prophages lead to the conclusion that some genomic islands may play a role for specific probiotic traits. This is the first time where a promoter-trap-library was used in conventional and gnotobiotic mice for collection of intestinal in vivo active promoters. Constructing and establishing a promoter-reporter gene assay with the bioluminescent luxCDABE operon made the investigation of selected promoters in vitro possible as well as establishing a bioluminescence assay using an In Vivo Imaging System (IVIS) for investigation of promoter activity in living mice. In this research project was shown that EcN is not a completely harmless probiotic. The genome structure and regulatory mechanisms of gene expression are the strain’s molecular traits that lead to probiotic activity and immunostimulatory effects. Therefore, the molecular analyses presented here, together with the complete genome sequence, are a basis for further investigations of mechanisms that are responsible for the probiotic effects of EcN.

Kohlenstoffnanoröhren (engl. carbon nanotubes, CNT) verfügen über eine Vielzahl von herausragenden und möglicherweise nutzbringenden Eigenschaften. Die kontrollierte Integration von CNT in technische Systeme stellt noch immer eine große Herausforderung dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden neue Methoden für den Aufbau von Strukturen und Bauelementen aus CNT entwickelt, die auf Selbstorganisation bzw. bottom-up assembly basieren. Dabei kamen sowohl biochemische als auch physikalische Verfahren zum Einsatz. Einzelsträngige DNA wurde verwendet um CNT in wässrigen Medien zu suspendieren und zu vereinzeln. Beides sind wichtige Voraussetzungen, um die günstigen elektronischen Eigenschaften der CNT zugänglich zu machen. DNA-CNT-Suspensionen wurden sowohl spektroskopisch in ihrer Gesamtheit als auch kraftmikroskopisch auf molekularer Ebene untersucht. So konnten wesentliche Parameter des Herstellungsprozesses optimiert werden, um Suspensionen mit einem hohen Gehalt an langen, sauberen, vereinzelten CNT zu erhalten. Durch die Verwendung von funktionalisierten DNA-Molekülen ist es gelungen, Halbleiterquantenpunkte und Goldkolloide an CNT anzubinden. Im Fall der Quantenpunkte gelang dies mit Hilfe der Biotin-Streptavidin Bindung unter Anwendung des Prinzips der molekularen Erkennung. Die Anbindung dieser Nanopartikel kann als Prototyp für den DNA-vermittelten Strukturaufbau aus CNT angesehen werden. Zur Deposition von CNT in Elektrodenstrukturen wurde ein auf Dielektrophorese beruhendes Verfahren eingesetzt. Dabei ist es gelungen, die wesentlichen Parameter zu identifizieren, die für die Morphologie der abgeschiedenen CNT entscheidend sind. So konnte die Dichte der CNT-Verbindungen zwischen Elektroden von einzelnen Verbindungen über wenige bis hin zu sehr vielen parallel assemblierten CNT eingestellt werden. Durch ein sich selbst steuerndes Hintereinanderlagern von CNT war es möglich auch Elektroden zu verbinden, deren Abstand größer war als die Länge der verwendeten CNT. Durch gezieltes Eliminieren metallischer CNT-Strompfade nach der Deposition ist es gelungen, CNT-Feldeffekttransistoren (CNT-FETs) mit Schaltverhältnissen von bis zu sieben Dekaden herzustellen. Auch dieses Verfahren ist skalierbar und unkompliziert, da es sich selbst steuert. Es ist skalierbar und deshalb auch für technische Anwendungen geeignet. An Hand des Beispiels der Detektion von Ethanoldampf konnte gezeigt werden, dass die über Dielektrophorese aufgebauten CNT-FETs auch als Sensoren eingesetzt werden können. Durch eine Kombination der dielektrophoretischen Deposition von CNT und dem dielektrophoretisch gesteuerten Wachstum metallischer Nanodrähte konnte eine neuartige Hybridstruktur aus CNT und Palladium-Nanodrähten erzeugt werden. Ein solches Verfahren ist eine Voraussetzung für den Aufbau integrierter nanoskaliger Schaltkreise. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen zahlreiche Möglichkeiten auf, verschiedenartige nanoskopische Objekte miteinander integrieren, um neue Anwendungen zu ermöglichen.

Evolution of Piperales – matK gene and trnK intron sequence data reveal lineage specific resolution contrast. Piperales are one of the largest basal angiosperm orders with a nearly worldwide distribution. The order includes three species rich genera, Piper (ca. 1,000 species), Peperomia (ca. 1,500-1,700 species), and Aristolochia s. l. (ca. 500 species). Sequences of the matK gene and the non-coding trnK group II intron are analysed for a dense set of 105 taxa representing all families (except Hydnoraceae) and all generic segregates (except Euglypha within Aristolochiaceae) of Piperales. A large number of highly informative indels are found in the Piperales trnK/matK dataset. Within a narrow region approximately 500 nt downstream in the matK coding region (CDS), a length variable simple sequence repeat (SSR) expansion segment occurs, in which insertions and deletions have led to short frame-shifts. These are corrected shortly afterwards, resulting in a maximum of 6 amino acids being affected. Furthermore, additional non-functional matK copies were found in Zippelia begoniifolia, which can easily be discriminated from the functional open reading frame (ORF). The trnK/matK sequence data fully resolve relationships within Peperomia, whereas they are not effective within Piper. The resolution contrast is correlated with the rate heterogenity between those lineages. Parsimony, Bayesian and likelihood analyses result in virtually the same topology, and converge on the monophyly of Piperaceae and Saururaceae. Lactoris gains high support as sister to Aristolochiaceae subf. Aristolochioideae, but the different tree inference methods yield conflicting results with respect to the relationships of subfam. Asaroideae. In Piperaceae, a clade formed by the monotypic genus Zippelia and the small genus Manekia (=Sarcorhachis) is sister to the two large genera Piper and Peperomia. Systematics of pipevines – Combining morphological and fast-evolving molecular characters to investigate the relationships within subfamily Aristolochioideae (Aristolochiaceae) A combined phylogenetic analysis of the Aristolochioideae was conducted based on 72 morphological characters and molecular datasets (matK gene, trnK intron, trnL intron, trnL-trnF spacer). The analysis sampled 33 species as the ingroup, including two species of Thottea and 30 species of Aristolochia and the monotypic genus Euglypha, which represent all the infrageneric taxa formally described; Saruma henryi and Asarum caudatum were used as the outgroup. The results corroborate a sister-group relationship between Thottea and Aristolochia, and the paraphyly of Aristolochia with respect to Euglypha that consequently should be included into Aristolochia. Two of the three subgenera within Aristolochia (Isotrema and Pararistolochia) are shown to be monophyletic, whereas the signal obtained from the different datasets about the relationships within subg. Aristolochia is low and conflicting, resulting in collapsed or unsupported branches. The relationship between the New World and the Old World species of subgenus Aristolochia is conflictive because morphological data support these two groups as monophyletic, whereas molecular data show the monophyletic Old World species of Aristolochia nested within the New World species. A sister group relationship is proposed between A. lindneri and pentandrous species, which suggests that a group of five species from central and southern South America (including A. lindneri) could be monophyletic and sister to Aristolochia subsection Pentandrae, a monophyletic taxon consisting of about 35 species from southern USA, Mesoamerica, and the West Indies. Colonisation, phylogeography and evolution of endemism in Mediterranean Aristolochia (Aristolochiaceae). This study provides evidence for a multiple colonisation of the western Old World from Asian ancestors within Aristolochia section Diplolobus (subsection Aristolochia and Podanthemum). Within subsection Podanthemum it is assumed, that the colonisation of the African continent happened at least two times independently. In contrast, for subsection Aristolochia, a rapid morphological radiation in the Near East (or close to this area) with subsequent star like colonisation of the different current distribution areas, which is not paralleled on the molecular level, appears to be more likely. Phylogenetic tree reconstruction is unsupported for these clades, but most clades are highly supported as monophyletic. Interestingly the Mediterranean and temperate Eurasian species, which are morphologically distinct (A. pistolochia, A. clematitis) are not clustering within the main clades, but are independent lineages. Analogue, A. rigida a species from Somalia is well-supported sister to the subsection Aristolochia. Within subsection Podanthemum the colonisation event from an Asian ancestor is clearly traceable, whereas in subsection Aristolochia the path is not traceable, since the ancestors are extinct or not present in the connecting areas. Within the Mediterranean, Near East and Caucasian species of subsection Aristolochia two morphologically and biogeographically well supported groups can be identified: the Near East/Caucasian species and the West Mediterranean species. The previous groupings for the latter, based on morphological characters, could be substantiated only partly by our results. This study provides the first phylogeny of all West Mediterranean species. In addition an independent complex is established including some micro endemic species. The phylogenetic results are discussed with respect to biogeography, and morphology, to give a first insight into the radiation and colonisation of the genus Aristolochia in the Mediterranean region. Universal primers for a large cryptically simple cpDNA microsatellite region in Aristolochia. We provide a new and valuable marker to study species relationships and population genetics in order to trace evolutionary, ecological, and conservational aspects in the genus Aristolochia. Universal primers for amplification and subsequent sequencing of a chloroplast microsatellite locus inside the trnK intron are presented. Utility of the primers has been tested in 32 species representing all clades of Aristolochia, including population studies within the A. pallida complex, A. clusii and A. rotunda. The microsatellite region is characterized as a (AnTm)k repeat of 22–438 bp containing a combination of different repeats arranged as ‘cryptically simple’. Trapped! Pollination of Aristolochia pallida Willd. in the Mediterranean A first study of the pollination biology of a Mediterranean Aristolochia species in its natural habitat is presented. 183 flowers of Aristolochia pallida were investigated, which in total contained 73 arthropods, dominated by two groups of Diptera, Sciaridae (37%) and Phoridae (19%). However, only Phoridae are regarded as potential pollinators, since pollen has been found exclusively on the body surfaces of these insects. All Phoridae belong to the genus Megaselia and are recognised as four undescribed species. The measurements of flower and insect dimensions suggest that size is an important constrain for successful pollination: 1) the insects must have a definitive size for being able to enter the flower and 2) must be able to get in touch with the pollen. Only very few insect groups found in Aristolochia pallida fulfil these size requirements. However, size alone is not a sufficient constrain as too many fly species of the same size might be trapped but not function as pollinators. Instead, specific attraction is required as otherwise pollen is lost. Since all trapped Phoridae are males, a chemical attraction (pheromones) is proposed as an additional constrain. Since A. pallida flowers are protogynous, the record of Megaselia loaded with pollen found in a flower during its female stage proves that this insect must have been visited at least one different flower during its male stage before. Further on, this observation provides strong evidence that the flowers are cross-pollinated. All these factors indicate a highly specialised pollination of Aristolochia pallida by Megaselia species.

Major progress has been made during the last twenty years towards a better understanding of the evolution of angiosperms. Early molecular-phylogenetic analyses revealed three major groups, with eudicots as well as monocots being monophyletic, arisen from a paraphyletic group of dicotyledonous angiosperms (= basal angiosperms). Consistently, numerous phylogenetic studies based on sequence data have recovered the eudicot-clade and increased confidence in its existence. Furthermore this clade, which contains about 75% of angiosperm species diversity, is characterized by the possession of tricolpate and tricolpate-derived pollen and has thus also been called the tricolpate clade. Based on molecular-phylogenetic investigations several lineages, such as Ranunculales, Proteales (= Proteaceae, Nelumbonaceae, Platanaceae), Sabiaceae, Buxaceae plus Didymelaceae, and Trochodendraceae plus Tetracentraceae were shown as belonging to a early-diverging grade (early-diverging or “basal” eudicots), while larger groups like asterids, Caryophyllales, rosids, Santalales, and Saxifragales were identified as being members of a highly supported core clade, the so called “core eudicots”. Nevertheless, phylogenetic relationships among several lineages of the eudicots remained difficult to resolve. This thesis is mainly concentrated on fully resolving the branching order among the different clades of the early-diverging eudicots as well as on clarifying phylogenetic and systematic conditions within several lineages, based on phylogenetic reconstructions using sequence data of rapidly-evolving and non-coding molecular regions, such as spacers and introns. Commonly, fast-evolving and non-coding DNA was used to infer relationships among species and genera, as practised in chapter 3, due to the assumption of being inapplicable caused by putative high levels of homoplasy through multiple substitutions and frequent microstructural changes resulting in non-alignability. However, during the last few years numerous molecular-phylogenetic studies were able to present well resolved angiosperm trees on the basis of rapidly-evolving and non-coding regions from the large single copy region of the chloroplast genome comparable to multi-gene analyses concerning topology and statistical support. Mutational dynamics in spacers and introns was revealed to follow complex patterns related to structural constraints like the introns secondary structure. Therefore extreme sequence variability was always confirmed to mutational hotspots that could be excluded from calculations. Moreover it became clear that combining these non-coding regions with the fast-evolving matK gene can lead to further resolved and statistical supported trees. Chapter 1 deals with the placement of Sabiales inside the early-diverging eudicot grade, while investigating mutational dynamics as well as the utility of different kinds of non-coding and rapidly-evolving DNA within deep-level phylogenetics. It was done by analyzing a combination of nine regions from the large single copy region of the chloroplast genome, including spacers, the sole group I intron, three group II introns and the coding matK for a sampling of 56 taxa. The presented topology is in mainly congruence with the hypothesis on phylogenetic relationships among early-branching eudicots that was gained through the application of a reduced set of five non-coding and fast-evolving molecular markers, including the plastid petD (petB-petD spacer, petD group II intron) plus the trnL-F (trnL group I intron, trnL-F spacer) region and the matK gene. It showed a grade of Ranunculales, Sabiales, Proteales, Trochodendrales and Buxales. The current study differs in showing Sabiales as sister to Proteales in all phylogenetic analyses, in contrast to a second-branching inside early-diverging eudicots and a Bayesian tree displaying Sabiales branching after Proteales. All three hypotheses were tested concerning their likelihood. None of them was shown as being significantly declinable. Thus, albeit the number of characters and informative sites was doubled in comparision to the five-region investigation, the exact position of the Sabiales remained to be resolved with confidence. However, the advanced analyses of the phylogenetic structure of the three different non-coding partitions in comparison to coding genes resulted in the recognition of a significantly higher mean phylogenetic signal per informative character within spacers and introns than in the frequently applied slowly-evolving rbcL gene. The fast-evolving and well performing matK gene is shown to be nested within the non-coding partitions in this respect. Interestingly, the least constrained spacers displayed considerably less phylogenetic structure than both, the group I intron and the group II introns. Molecular evolution is again shown to follow certain patterns in angiosperms, as indicated by the occurrence of mutational hotspots and their connection to structural and functional constraints. This is especially shown for the group II introns studied where highly dynamic sequence parts were rather found in loops than stems. The aim of chapter 2 was to present a comprehensive reconstruction of the phylogenetic relationships inside the order of Ranunculales, the first-branching clade of the early-diverging eudicots, with an emphasis on the evolution of growth forms within the group. Currently, the order comprises seven families (Ranunculaceae, Berberidaceae, Menispermaceae, Lardizabalaceae, Circaeasteraceae – not included due to lacking plant material, Eupteleaceae, Papaveraceae) containing predominantly herbaceous groups as well as trees and lianescent/shrubby forms. A surprising result that emerged due to the increased use of molecular data within systematics during the last twenty years is the inclusion of the woody Eupteleaceae into Ranunculales. Because of its adaptation to wind pollination it was previously placed next to Hamamelididea. Although phylogenetic hypotheses agreed in the exclusion of Eupteleaceae and the predominantly herbaceous Papaveraceae from a core clade the branching order within early-diverging Ranunculales remained a question to be answered. Thus phylogenetic reconstructions based on molecular data of 50 taxa (including outgroup), applying the well-performing non-coding petD and trnL-F as well as the trnK/matK-psbA region including the coding matK, were carried out. The comprehensive sampling resulted in fully resolved and highly supported phylogenies in both, maximum parsimony and model based approaches, with family relations within the core clade being identical and Euptelea appearing as first branching lineage. However, the relationships among the early-diverging Ranunculales could not be resolved with confidence, a result in line with the finding made in chapter 1. The topology was further resolved as Lardizabalaceae being sister to the remaining members of the order, followed by Menispermaceae, Berberidaceae and Ranunculaceae, the latter sharing a sistergroup relationship. Inside the mainly lianescent Lardizabalaceae the shrubby Decaisnea was clearly depicted as first-branching. The systematic controversial Glaucidium and Hydrastis are shown to be early-diverging members of the Ranunculaceae. A central goal of chapter 3 was to test phylogenetic relationships among the members of the ranunculaceous tribe Anemoneae. Currently it consists of the subtribes Anemoninae including Anemone, Hepatica, Pulsatilla and Knowltonia, and Clematidinae, consisting of Archiclematis, Clematis and Naravelia. Furthermore the position and taxonomic rank of several lineages inside the subtribe Anemoninae were examined. Since recent comprehensive molecular-phylogenetic investigations have been carried out for the members of Clematidinae or Anemoninae, 63 species representing all major lineages of the two subtribes were included into analyses. Calculations were carried out on the basis of molecular data of the nuclear ribosomal ITS1&amp;amp;2 and the plastid atpB-rbcL intergenic spacer region. Phylogenetic reconstructions resulted in the recognition of two distinct clades within the tribe, thus corroborating the formation of the two subtribes. Within the subtribe Anemoninae the traditional genera Knowltonia, Pulsatilla and Hepatica are confidently shown to be nested within the genus Anemone. The preliminary classification of the genus, currently consisting of the two subgenera Anemone and Anemonidium, is complemented by the subgenus Hepatica.