Einleitung: Eimeria (E.) spp. und Toxoplasma (T.) gondii sind intrazelluläre Protozoen aus dem Phylum Apicomplexa und stellen bedeutende Pathogene dar. Infektionen mit Eimeria spp. sind Auslöser der Kokzidiose, welche eine der ökonomisch bedeutsamsten Erkrankungen in der Geflügelproduktion darstellt. Die Toxoplasmose des Huhnes hingegen verläuft in der Regel subklinisch. Da beide Parasiten, Eimeria spp. und Toxoplasma gondii, weltweit verbreitet sind, können natürliche Koinfektionen auftreten. Prävalenzstudien mit Hilfe molekularer und serologischer Untersuchungsmethoden sind geeignet, um die Vorkommen, Verbreitung, und Speziesidentität von einzelnen Apicomplexa zu untersuchen, was zu besserer Diagnose, Kontrolle, und Bestandsüberwachung beiträgt. Trotz vorliegender Hinweise, dass bei Koinfektionen zu einer Interaktion zwischen Eimeria und Toxoplasma kommt, existieren Erkenntnislücken hinsichtlich der Häufigkeit und der Bedeutung von natürlichen Koinfektionen des Huhnes unter Feldbedingungen, insbesondere mit Augenmerk auf verschiedene Nutzungstypen, Produktions- und Haltungsbedingungen. Ziele der Untersuchungen: Die Ziele der Untersuchungen waren die Erhebung der Prävalenzen von verschiedenen Eimeria spp. und von T. gondii bei Hühnern, sowie die Häufigkeit ihres Auftretens als Einzel- und Koinfektionen unter Feldbedingungen unter Berücksichtigung verschiedener Nutzungstypen und Haltungsbedingungen in Griechenland. Tiere, Material und Methoden: Die Auswahl der für diese Feldstudie untersuchten Hühnerbestände erfolgte auf Basis der Anzahl von kommerziellen Hühnerhaltungen in drei Hauptregionen Griechenlands. Nach offiziellen Angaben des griechischen Ministeriums für Ländliche Entwickung und Lebensmittel konzentriert sich die griechische Geflügelindustrie hauptsächlich auf Epirus (im Nordwesten), Zentralmazedonien, und Zentralgriechenland. Die Probenentnahme erfolgte in kommerziellen und Hinterhofhaltungen, wobei die Probenanzahl proportional zur Anzahl entsprechender Haltungsformen in der jeweiligen Region gewählt wurde (n = 50). Es wurden Legehennen (n = 21), langsam wachsende Broiler (n = 15) und Hinterhofhühner beprobt (n = 14), welche verschiedenen Produktions- und Haltungsbedingungen zugeordnet waren (Haltung in ausgestalteten Käfigen, Bodenhaltung mit Einstreu und Biohaltung). Konventionelle intensive Broileraufzuchten wurden nicht berücksichtigt. Für die Erhebung der Häufigkeiten von Eimeria spp.-Infektionen wurden aus allen ausgewählten Beständen Einstreuproben gesammelt (n = 756). Die Broilerherden wurden zu einem Zeitpunkt bei der Schlachtung erneut beprobt, indem die Därme der Einzeltiere gesammelt wurden (n = 162). Die Einstreu-/Darminhaltsproben wurden quantitativ mittels McMaster-Verfahrens auf den Eimeria spp.-Oozystengehalt (als Oozysten pro Gramm Kot, OPG) untersucht. Die Eimeria-Oozysten aus positiven Proben wurden für weitere molekulare Analysen aufgereinigt und aufbewahrt. Die Eimeria-Speziesbestimmung erfolgte durch spezies-spezifische DNA-Nachweise, und die Quantifizierung der einzelnen Arten erfolgte semiquantitativ. Um die Häufigkeit von T. gondii-Infektionen zu bestimmen, wurden Blutproben (n = 1,021) von Einzeltieren zur serologischen Untersuchung mittels TgSAG1 ELISA entnommen, zeitgleich zur o. g. Beprobung der Bestände für die Einstreuproben. Für Hinterhofhaltungen mit Tieren variablen Alters wurden ältere Tiere bevorzugt beprobt, und in kommerziellen Legehennenhaltungen wurden die Tiere im Alter von ca. 10 Monaten beprobt. In beiden Fällen wurden von T. gondii-seropositiven Tieren bei der Schlachtung die Herzen gewonnen (n = 322). In Broilerhaltungen wurden ebenfalls Blutproben und das Herz während des Schlachtungsprozesses zum T. gondii-Nachweis entnommen. Das Herzgewebe wurde in einer magnetic capture Polymerasekettenreaktion (mc-PCR) sowie einem Mausbioassay auf Präsenz und Genotyp einzelner Isolate untersucht. Parallel zu den Laboruntersuchungen wurden Daten zu Haltungsbedingungen, Biosicherheitsmaβnahmen, Lage, Bestandsgröβe, Krankheitsgeschichte etc. mittels standardisierter Fragebögen erfasst, um potenzielle Risikofaktoren für Eimerien- und/oder T. gondii-Infektionen zu bestimmen. Die Datenanalyse erfolgte durch Multilevel-Modelling (generalized linear mixed modelling fit by maximum likelihood (Laplace approximation)) mittels dem R-Programm (https://www.r-project.org, Version 4.0.2, Paket lme4), dem Kruskal-Wallis-Test und bivariaten Spearman-Korrelationen im PSPP-Prgramm (GNU PSPP 1.3.0). Ergebnisse: Insgesamt lag die Nachweisrate für Eimeria spp.-Infektionen bei 85,7 %. Alle sieben Hühnereimerienspezies wurden identifiziert, wobei E. acervulina (79,3 %) und E. tenella (65,5 %) die höchste Prävalenz aufwiesen. Infektionen mit mehreren Eimeria-Arten (79,3 %) waren deutlich häufiger anzutreffen als Einzelinfektionen (20,7 %). Als Risikofaktoren wurden Herdengröβe, Art des Auslaufs und Produktionssystem identifiziert. Zwischen respiratorischen Erkrankungen und mittlerer OPG wurde in Broilerhaltungen eine sehr starke Korrelation beobachtet (P < 0.001). Biohaltungen zeigten eine höhere Prävalenz von E. tenella (P = 0,023). Nutzung einer bewachsenen Auslauffläche war stark mit der Präsenz von E. brunetti korreliert (P < 0,001). Die T. gondii-Seroprävalenz über alle untersuchten Tiere betrug 9,5 %. Dabei testeten 41,2 % aller Hinterhofhühner seropositive. In 70 % der Bio- und Freilaufhaltungen wurde mindestens ein Tier seropositiv getestet. Es wurden keine T. gondii-seropositiven Broiler gefunden, obwohl mit Hilfe der mc-PCR positive DNA-Nachweise erfolgten. Dies belegt die hohe Sensitivität der mc-PCR und ihre potenzielle Eignung für die Detektion früher Infektionen bei Hühnern. Die T. gondii-Isolate, welche im Mausbioassay gewonnen wurden, wurden als Typ II (ToxoDB#3) genotypisiert, was durch Mikrosatellitenanalyse bestätigt wurde. Für T. gondii-Infektionen wurden Produktionssystem und Futterautomatisierung als Risikofaktoren identifiziert, wobei Auslaufbeweidung die Wahrscheinlichkeit für T. gondii-Infektionen erhöht. Die Gegenwart von Katzen stellte hingegen keinen nachweisbaren Risikofaktor für T. gondii-Seropositivität auf Bestands- oder Einzeltierniveau dar. Koinfektionen mit beiden Protozoen wurden in 87% aller untersuchten Hühnerbestände nachgewiesen, wobei Hinterhof-, Bio-, und Freilandhaltungen am häufigsten betroffen waren. In den moisten Fällen von Koinfektionen wurde E. acervulina nachgewiesen. Schlussfolgerungen: Die Prävalenz sowohl von Eimeria spp. als auch von T. gondii war generell hoch und auf einem vergleichbaren Niveau mit den Ergebnissen früherer Studien in anderen Ländern. Faktoren wie Produktionssystem, Haltungs- und Managementbedingungen sind mit dem Risiko von Mono- oder Koinfektionen verbunden. Die gewonnenen Erkenntisse erlauben die gezielte Planung zukünftiger Studien hinsichtlich sich ändernder Haltungsbedingungen, z. B. dem Trend zur verstärkten Bio- und tierfreundlichen Hühnerhaltung uns dem Einsatz langsam wachsender Rassen. Es besteht auch in Griechenland ein Bedarf an nachhaltiger Kontrolle von Kokzidieninfektionen, einschlieβlich der Minimierung zoonotischer Erreger wie T. gondii in Nutztierbeständen. Die verwendeten serologischen und molekularen Methoden können nach den Studienerkenntnisse ausserdem zur frühzeitigen Überwachung von T. gondii–Infektionen in Hühnerbeständen beitragen.:Chapter 1 - Introduction Chapter 2 - Literature Review 2.1 Eimeria spp. 2.1.1 Life cycle 2.1.2 Diagnosis and control of Coccidiosis in chickens 2.1.3 Economic Impact of Coccidiosis 2.1.4 Prevalence of Eimeria spp. in chicken farms 2.1.5 Data of chicken coccidiosis from Greece 2.2 Toxoplasma gondii 2.2.1 Life cycle 2.2.2 Toxoplasmosis and Zoonotic Importance 2.2.3 Prevalence in poultry and risk factors 2.2.4 T. gondii data from Greece 2.3 Co-existence of Eimeria spp. and Toxoplasma gondii in chickens Chapter 3 - Overview of own scientific work 3.1 Aims 3.2 Presentation of own scientific work: Publications 3.2.1 Publication 1: Prevalence and molecular detection of Eimeria species in different types of poultry in Greece and associated risk factors. 3.2.2 Publication 2: Prevalence and molecular characterization of Toxoplasma gondii in different types of poultry in Greece, associated risk factors and co-existence with Eimeria spp. Chapter 4 - Overreaching Discussion Chapter 5 - Conclusions Chapter 6 - Summary Chapter 7 - Zusammenfassung Chapter 8 - References Acknowledgements / Introduction: Eimeria spp. and Toxoplasma gondii are intracellular Apicomplexan protozoa and represent important pathogens for chickens. Coccidiosis, caused by Eimeria spp. is one of the most notable diseases in chickens having a high economic impact on the poultry industry worldwide, while toxoplasmosis is usually subclinical in these hosts. As both Eimeria spp and Toxoplasma gondii have a broad worldwide distribution, natural co-infections in chickens can occur. Prevalence studies using molecular and serological techniques have proven a very useful approach to study the diversity and distribution of these parasites’ mono-infections, further contributing to more efficient diagnosis, control and monitoring. Despite existing indications that these two parasites interact when the host is infected simultaneously, there are still knowledge gaps regarding the frequency and impact of naturally occurring co-infections under field conditions, particularly in different types of poultry, production and housing systems. Objective: Determination of the level of occurrence of Eimeria spp. and Toxoplasma gondii mono- and co-infections under field conditions, in different types of chickens and farm profiles in Greece. Animals, materials and methods: Selection of poultry operations was based on the number of commercial farms in three major Greek regions, as poultry farms in Greece are highly concentrated in Epirus (in North-Western Greece), Central Macedonia, and Central Greece, based on the data from the Hellenic Ministry of Rural Development and Food. Sampling from both commercial operations and backyard farms was conducted proportionately to their frequency (n=50) and type of flocks included in the study were layers (n=21), slow-growing broilers (n=15) and backyard chickens (n=14), under different production and housing systems (enriched cages, floor-housed in litter, free-range and organic systems). Conventional intensively reared broilers were not included in the study. To record Eimeria spp. occurrence, faecal samples were collected from the litter of the chicken housing (n=756). Broiler flocks were followed up to the slaughterhouse for a second sampling where the whole gut was collected (n=162). Samples were quantitatively examined by a modified McMaster technique to calculate oocysts per gram (OPG) of faeces, followed by collection and purification of the oocysts for further molecular analysis. Species identification was performed by multiple PCR assays using species-specific primers and PCR bands were categorized by intensity semiquantitavely. To record Toxoplasma gondii infections, simultaneously to faecal sampling, blood samples (n=1,021) were also collected from individual animals for serological T. gondii detection via TgSAG1 ELISA. In our sampled broiler flocks, animals were sampled at slaughter, where blood samples and the heart were collected for T. gondii detection. In backyard flocks, blood samples were taken from the older animals and in layers from individual animals (at the age of approximately 10 months). Toxoplasma positive animals were followed up to slaughter to collect heart tissue (n=322), further processed for bioassay in KO mice and mc-PCR in order to characterize Toxoplasma gondii isolates. In parallel, potential risk factors and impact regarding mono- and co-infection of both parasites were investigated through an obtained questionnaire containing additional information about farm management, biosecurity status, location, production rate and diseases history. For the data analysis a multilevel-modelling (generalized linear mixed modelling fit by maximum likelihood (Laplace approximation)) was performed using R (https://www.r-project.org) version 4.0.2, by applying the package lme4, as well as Kruskal-Wallis tests and bivariate correlations in PSPP statistical program (GNU PSPP 1.3.0). Results: Overall Eimeria spp. positivity level was 85.7%. All seven Eimeria species were identified with E. acervulina (79.3%) and E. tenella (65.5%) being the most prevalent ones. Mixed infections (79.3%) were more common than single-species (20.7%) Significant identified risk factors were flock size, type of outdoor area, and production system. A very strong correlation (p < 0.001) was found between the presence of respiratory disease and the average OPG level in broiler farms. Organic flocks showed higher prevalence of E. tenella (p = 0.023), while presence of vegetation at the outdoor area correlated strongly with E. brunetti (p < 0.001). Toxoplasma gondii seroprevalence was 9.5%. 41.2% of the backyard chickens sampled were seropositive and 70% of the organic and free-range layer farms had at least one Toxoplasma gondii seropositive hen. No serologically positive broilers were found, however mc-PCR revealed positive samples, stressing out the high sensitivity and potential contribution of this method in early detection of the parasite. Toxoplasma gondii isolates obtained by mouse bioassay were genotyped and found to belong to type II (ToxoDB#3) as confirmed also by microsatellite typing. The most significant risk factors were production system and feeding system automation, with free-grazing practices increasing the likelihood for Toxoplasma infections. Presence of cats showed no association with Toxoplasma gondii seropositivity on a farm and individual animal level. The two protozoan parasites were found to co-exist in 87% of the studied poultry operations, with backyard, organic and free-range farms showing the highest occurrence. E. acervulina was the species identified in most of the co-existence cases. Conclusions: Prevalence of both Eimeria spp. and Toxoplasma gondii is overall high and comparable with findings from similar studies in other countries. Production system, husbandry and management conditions relate to increased risk of both mono- and co-infections, giving useful insights and indications for future studies, particularly in the light of increasing application of slow-growing, organic and “higher welfare” poultry farming practices. It could be shown that also in Greece there is a need for sustainable coccidiosis control, both in terms of Eimeria spp. infection control and of a minimization of T. gondii introduction to operations. A combination of the serological and molecular methods used in this study can contribute to earlier and more accurate diagnosis of Toxoplasma gondii infections in chickens, which is a crucial and sensitive subject for safeguarding transmission to humans.:Chapter 1 - Introduction Chapter 2 - Literature Review 2.1 Eimeria spp. 2.1.1 Life cycle 2.1.2 Diagnosis and control of Coccidiosis in chickens 2.1.3 Economic Impact of Coccidiosis 2.1.4 Prevalence of Eimeria spp. in chicken farms 2.1.5 Data of chicken coccidiosis from Greece 2.2 Toxoplasma gondii 2.2.1 Life cycle 2.2.2 Toxoplasmosis and Zoonotic Importance 2.2.3 Prevalence in poultry and risk factors 2.2.4 T. gondii data from Greece 2.3 Co-existence of Eimeria spp. and Toxoplasma gondii in chickens Chapter 3 - Overview of own scientific work 3.1 Aims 3.2 Presentation of own scientific work: Publications 3.2.1 Publication 1: Prevalence and molecular detection of Eimeria species in different types of poultry in Greece and associated risk factors. 3.2.2 Publication 2: Prevalence and molecular characterization of Toxoplasma gondii in different types of poultry in Greece, associated risk factors and co-existence with Eimeria spp. Chapter 4 - Overreaching Discussion Chapter 5 - Conclusions Chapter 6 - Summary Chapter 7 - Zusammenfassung Chapter 8 - References Acknowledgements

Soil nematodes play an important role in indication for assessing soil environments and ecosystems. Previous studies of nematode community analyses based on molecular identification have shown to be useful for assessing soil environments. Here we applied PCR-DGGE method for molecular analysis of five soil nematode communities (designed as S1 to S5) collected from four provinces in Southeastern Vietnam (Binh Duong, Ba Ria Vung Tau, Binh Phuoc and Dong Nai) based on SSU gene. By sequencing DNA bands derived from S5 community sample, our data show 15 species containing soil nematode, other nematode and non-nematode (fungi) species. Genus Meloidogyne was found as abundant one. The genetic relationship of soil nematode species in S5 community were determined by Maximum Likelihood tree re-construction based on SSU gene. This molecular approach is applied for the first time in Vietnam for identification of soil nematode communities. / Tuyến trùng đất đóng vai trò chỉ thị quan trọng trong công tác đánh giá môi trường và hệ sinh thái đất. Các nghiên cứu trước đây đã cho thấy lợi ích của việc phân tích cộng đồng tuyến trùng đất bằng định danh sinh học phân tử đối với việc đánh giá môi trường đất. Ở đây, chúng tôi ứng dụng phương pháp PCR-DGGE dựa trên gene SSU để phân tích năm (ký hiệu từ S1 đến S5) cộng đồng tuyến trùng đất thuộc các vùng trồng chuyên canh cây hồ tiêu ở miền nam Việt Nam (Bình Dương, Bà Rịa Vũng Tàu, Bình Phước và Đồng Nai). Bằng cách giải trình tự các vạch của mẫu tuyến trùng S5, kết quả cho thấy cộng đồng tuyến trùng này có 15 loài gồm nhóm tuyến trùng đất, nhóm các loại tuyến trùng khác và nhóm không phải tuyến trùng (nấm) và trong đó Meloidogyne là giống ưu thế. Mối quan hệ di truyền của các các loài tuyến trùng đất thuộc cộng đồng S5 được xác định bằng việc thiết lập cây phát sinh loài Maximum Likelihood dựa trên gene SSU. Đây là nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam sử dụng kỹ thuật PCR-DGGE để phân tích các cộng đồng tuyến trùng đất trồng hồ tiêu.

These are the abstracts of the oral presentations of the 8th PhD conference held on 7 June 2024 in Freiberg.

Die Mitwirkung bei dem Sonderforschungsbereich 1333 (SFB 1333) eröffnete die exklusive Gelegenheit, eingehende Kenntnisse über Theorie und Praxis der Röntgenabsorptions-spektroskopie (XAS) zu erwerben. Diese Expertise fand im Rahmen eigenständig geleiteter Kooperationsprojekte auf dem Gebiet der Rh- und Ru-Koordinationschemie vielseitige Anwendung: Neben der Untersuchung Lösungsmittel-bedingter Ligandensubstitutionen zählten auch mechanistische Studien homogen-katalysierter Transformationen sowie die spektroskopische Evaluierung verschiedener Immobilisierungsstrategien zu dem Anwendungs-Portfolio der XAS-Analyse. Für die Forschungsgruppe Plietker erwies sich XAS als ein geeignetes Instrument, um die Entwicklung des Konzepts der molekularen heterogenen Katalyse in definierten, dirigierenden Geometrien zu unterstützen. Das flexible Anwendungsspektrum dieser Spektroskopie-Methode gestattete, das positive Resultat der Immobilisierung eines Ru-basierten H2-Autotransfer¬katalysators auf spektroskopischem Niveau zu verifizieren. Eingehende XANES- und EXAFS-Analysen untermauerten dabei, dass dessen Fixierung innerhalb des Porensystems eines SBA-15-Materials lediglich mit einer marginalen strukturellen oder elektronischen Beeinflussung des Ru-Zentralatoms einherging. Außerdem ließen sich die chemischen Auswirkungen einer variierenden Distanz zwischen immobilisiertem Ru-Komplex und Porenwand auf das Zentralatom analysieren sowie die katalytisch aktive Spezies des recyclierten Ru-Komplexes mit hoher Wahrscheinlichkeit identifizieren. In der parallelen Untersuchung einer bis dato nur oberflächlich erforschten Kategorie kationischer Fe-Diazo-Komplexe erwies sich XAS zudem als Schlüsselmethode für die Veranschaulichung des Elektronendichte-abhängigen Equilibriums zwischen trigonal-bipyramidalem und oktaedrischem Bindungsisomer. Ferner wurden bei dieser Untersuchung deutliche Hinweise auf die Empfindlichkeit dieser Gleichgewichtslage gegenüber einer fortwährenden Exposition mit harter Röntgenstrahlung sowie der CLICK-Chemie-basierten Immobilisierung in mesoporösem Trägermaterial offensichtlich. Neben der Analyse homogener und immobilisierter Übergangsmetall-Komplexe wurde das Spektrum der in der Forschungsgruppe Plietker bisher einzig in Mikrowellen-Reaktoren praktizierten C H-Aminierungen um die bei Raumtemperatur stattfindende, TBA[Fe]-katalysierte Sultambildung erweitert. Deren Anwendungsbreite ließ sich durch die Erarbeitung eines synthetischen Zugangs zu verschiedenen o-monofunktionalisierten, aber auch asymmetrisch 2,6-difunktioanlisierten Arylsulfonylaziden, über das bisher in der Literatur bekannte Maß ausdehnen. Neben präparativen Untersuchungen, als Teil der für diese Insertionsreaktion durchgeführten Mechanismusstudie, erfolgten im Rahmen eines Forschungsaufenthaltes an der University of Rochester erste Mössbauer-Analysen des postulierten TBA[Fe]-Nitren-Intermediats. Darüber hinaus erwies sich der bereits in der homogenen H2-Autotransferkatalyse etablierte Ru(NNNN)-Komplex ebenfalls als ein wirkungsvoller Katalysator für die intramolekulare C H Aminierung aromatischer Sulfonylazide. Der Einsatz seines immobilisierten Analogons erlaubte schlussendlich die Kombination der Fachgruppen-intern bisher ausnahmslos homogen-katalysierten C-H-Aminierung mit dem neuartigen Konzept der molekularen heterogenen Reaktionsführung in definierten, dirigierenden Geometrien. / Participating in the Collaborative Research Center 1333 (CRC 1333) offered the exclusive opportunity to accumulate detailed knowledge in theory and application of X-ray Absorption Spectroscopy (XAS). This expertise was afterwards used in independently managed cooperation projects focusing on solvent-based ligand substitutions, mechanistic studies of homogeneously catalyzed transformations as well as the spectroscopic evaluation of different immobilization strategies. Within the Plietker research group, XAS became an adequate tool to support the development of the concept of molecular heterogeneous catalysis in confined geometries. XAS was applied to verify the successful immobilization of the Ru(NNNN)-based H2-autotransfer catalyst spectroscopically. XANES- and EXAFS analysis thereby proved the attachment of this complex in SBA-15 support with only small electronic and steric influence on the Ru-center. Furthermore, XAS provided valuable information about possible structural consequences for the ligand sphere caused by different distances between immobilized complex and pore wall as well as probably disclosed the catalytic active species that is immobilized in recycled solid support. In a parallel exploration of a so far only rudimentarily investigated category of cationic Fe-diazo complexes, XAS turned out to be the key method for visualizing the electron density dependent equilibrium between their trigonal-bipyramidal and octahedral coordination mode. In addition, this study also gathered information about the sensitivity of the underlying isomerization reaction to continuous exposition to hard X-rays as well as to the CLICK-chemistry based immobilization in mesoporous material. Beyond the analysis of these homogeneous and immobilized transition metal-complexes, the portfolio of the in the Plietker group so far only microwave-based C-H-amination reactions was expanded by a room temperature TBA[Fe]-catalyzed sultame formation. In order to increase its substrate scope, a new synthetic strategy for asymmetric 2,6-disubstituted arenesulfonyl azides was created guaranteeing the introduction of various carbon-based substituents. Next to preparative experiments as part of mechanistical studies for this insertion reaction, MÖSSBAUER analysis of the postulated TBA[Fe]-nitrene intermediate was performed during a research stay at the University of Rochester. Additionally, the homogeneous Ru(NNNN)-complex applied in H2-autotransfer reactions proved to efficiently catalyze the intramolecular C-H-amination of aromatic sulfonyl azides as well. The usage of its immobilized analogue finally culminated in the fusion of the group-intern only homogeneously catalyzed C-H-amination reactions with the novel concept of molecular heterogeneous catalysis in confined geometries.

Die vorliegende Arbeit untersucht ultraschnelle Rotations- und Translationsbewegungen in molekularen Flüssigkeiten. Dazu wurde deren Optischer Kerr-Effekt/Raman-Induzierter Kerr-Effekt (OKE/RIKE) zeitaufgelöst mithilfe der Pump/Probetechnik gemessen. Die erzielte Zeitauflösung betrug 30 fs. Langzeitschwankungen des Signals konnten zusätzlich mit einer Echtzeit-Meßtechnik eliminiert werden. In der transienten Doppelbrechung wurde so ein Signal/Rausch Verhältnis von 10^7 erreicht. Das Ziel war eine möglichst genaue Beschreibung der Responsfunktion für den Optischen Kerr-Effekt der Flüssigkeiten Chloroform, Acetonitril, Trichloracetonitril, Tetrachlorkohlenstoff, Methylchloroform und Fluoroform. Die Fourier-Transformation dieser Responsfunktion entspricht dem depolarisierten Raman Spektrum der Flüssigkeit. Die Responsfunktion wurde auf zwei Wegen aus dem gemessenen OKE Signal erhalten: a) in der Zeitdomäne durch Anpassung empirisch gewählter Terme und b) in der Frequenzdomäne durch Anpassung von Brownschen Oszillatormoden. Die Analyse bezieht den gesamten Datenumfang ein, ohne numerisch problematische Entfaltungsverfahren nutzen zu müssen. In den untersuchten Systemen erfolgt die elektronische Antwort instantan auf den anregenden Laserimpuls. Innerhalb der ersten halben Pikosekunde beobachtet man eine intermolekulare Dynamik, die auf Librationen und kollisionsinduzierte Translationsbewegungen zurückgeht. Diese nur schwer unterscheidbare Dynamik verschwindet typischerweise mit Zeitkonstanten bis 250 fs. Die Langzeitrelaxation in den isotropen Zustand wird der diffusiven Reorientierung zugeordnet. Es werden hierfür Zeitkonstanten tau zwischen 1.2 (Methylchloroform) und 3 ps (Chloroform) beobachtet. Durch die hohe Bandbreite des Laserimpulses werden außerdem niederfrequente Raman-Linien (bis ca. 750 cm^-1) angeregt. Diese äußern sich durch untergedämpfte Signaloszillationen (RIKE). Erstmals wird der OKE von flüssigem Fluoroform untersucht. Aufgrund seiner Eigenschaften kommt CHF3 der Modellvorstellung einer polaren harten Kugel sehr nahe. Das beobachtete Signal ist ca. 110 mal schwächer als in Chloroform. Die diffusive Reorientierung verläuft auß erdem deutlich schneller (tau = 0.8 ps). Der (intermolekulare) OKE wächst nun mit steigender Polarisierbarkeitsanisotropie, während der (intramolekulare) RIKE von der änderung der Polarisierbarkeitsanisotropie mit der Schwingungskoordinate des Moleküls abhängt. Durch vergleichende Messungen mit isotropen Tetrachlorkohlenstoff kann auch prinzipiell der Einfluß der kollisionsinduzierten Effekte (CI) in den untersuchten Flüssigkeiten abgeschätzt werden. Rotations- und Translationsbewegungen korrelieren allerdings miteinander. Die daraus resultierenden Kreuzterme sind dann aus den Responsfunktionen allein nicht mehr zu ermitteln. Sie sind nur aus weiterführenden moleküldynamischen Simulationen erhältlich. Für Acetonitril wird eine übereinstimmung zwischen experimenteller und theoretisch vorhergesagter OKE Responsfunktion gefunden. Die OKE Responsfunktionen sind mit den Relaxationsfunktionen der dielektrischen Relaxation und der Solvatation von polaren Sondenmolekülen verknüpft. Die Messungen des zeitaufgelösten Optischen Kerr-Effektes sollen hier künftig dazu dienen, die reinen Flüssigkeitsbeiträge zur polaren und nichtpolaren Solvatation zu erkennen. / Within this work the ultrafast rotational and translational motions of molecular liquids are investigated. Therefore their Optical Kerr effect/Raman induced Kerr effect (OKE/RIKE) was measured time-resolved with the pump/probe technique. Achieved time resolution was 30 fs. Long-time fluctuations of the signal might be eliminated by an additional realtime measurement technique. Hence a signal/noise ratio of ca. 10^7 in the transient birefringence was obtained. A detailed description of the response function derived from Optical Kerr effect was targeted for the liquids chloroform, acetonitrile, trichloroacetonitrile, carbon tetrachloride, 1,1,1-trichloroethane and fluoroform. The Fourier-Transformation of the response functions of the liquids is eqivalent to their depolarized Raman spectra. The response function is obtained from measured signals in two ways: a) by fitting empirical terms in time domain and b) fitting Brownian oscillator modes in frequency domain. Analysis includes complete data range without using numerical deconvolution techniques. In all investigated systems an electronical response follows to the stimulating laser pulse instantaneously. Within the first half pico second one observes intermolecular dynamics due to librational and collision-induced translational motions. These (hard to distinguish) dynamics disappear with typical time-constants of up to 250 fs. The long-time relaxation into an isotropic distribution of molecules is termed diffusive reorientation. Here time-constants tau between 1.2 (CCl3CH3) and 3 ps (CHCl3) are observed. Additionally low-frequent Raman lines (up to 750 cm^-1) may be stimulated due to the high pulse bandwidth, resulting in underdamped signal oscillations (RIKE). The OKE of liquid fluoroform is investigated for the first time. It comes closest to the Mean Spherical Approximation model for a fluid composed of polar, nonpolarizable hard spheres. The observed signal is ca. 110 times weaker than in chloroform. The diffusional reorientation occurs also faster (tau = 0.8 ps). Generally (intermolecular) OKE rises with growing polarizability anisotropy, while (intramolecular) RIKE depends from the change of polarizability anisotropy with the vibrational coordinate. Influence of collision-induced effects (CI) is derived in principle from compared measurements in isotropic carbon tetrachloride. However a correlation exists between rotational and translational motion. Resulting cross-terms cannot be obtained from response functions alone. These are only available in molecular-dynamic simulations in literature. In acetonitril one finds similar response functions derived from OKE measurements and predicted theoretical simulation. The OKE respons functions are related to relaxation functions of the dielectrical relaxation and the solvation of polar molecules. Time-resolved measurements of the OKE reveal here contributions of the pure liquid in polar and nonpolar solvation.

In dieser Arbeit untersuchen wir die elektrostatische Komplexierung zwischen Proteinen und anionischen, linearen bzw. dendritischen Polyelektrolyten mittels Molekulardynamik Simulationen in implizitem Lösungsmittel und mit expliziten Salzen. Die Proteine und Polyelektrolyte werden mit vergröberten Details simuliert. Jedes vergröberte Segment repräsentiert eine Aminosäure oder eine sich wiederholende chemische Untereinheit des Polyelektrolyten. Die Vergöberung ermöglicht Simulationen von großen Proteinen wie Humanalbumin oder dendritischen Polyelektrolyten, ohne dabei die essentiellen elektrostatischen Eigenschaften der Moleküle zu vernachlässigen. Wir validieren unsere Simulationen durch Kalorimetrieexperimente. Zur Interpretation der resultierenden Bindungs-freien Energien schlagen wir Theorien vor, die auf Gegenionen-Kondensation und Ladungs-Renormalisierung basieren. Die Arbeit zeigt die äußerst wichtige Bedeutung der kondensierten Gegenionen auf, die in allen untersuchten Systemen an der elektrostatischen Komplexierung teilhaben. Sowohl bei linearen als auch dendritischen Polyelektrolyten bewirken die kondensierten Gegenionen Ladungsrenormalisierung, die die elektrostatischen Wechselwirkungen in den Systemen abschwächt. Die Bindung wird durch die Freisetzung von Gegenionen bewirkt, was mit einem massiven Anstieg der Entropie einhergeht. Aufgrund der multivalenten Bindung können unsere Ergebnisse nicht mithilfe des konventionellen Langmuir-Adsorptionsisothermen interpretiert werden. Daher schlagen wir eine neuartige Interpretation der Langmuir-Adsorptionsisothermen vor, die einen sinnvollen Vergleich zwischen Simulationen und Experimenten ermöglicht. / In this thesis, we conducted a comprehensive study of the electrostatic complexation between proteins and anionic linear/dendritic polyelectrolytes, by means of molecular dynamics simulations with implicit solvent and explicit salt. The proteins and polyelectrolytes are both represented in a coarse-grained fashion. Each coarse-gained segment represents either an amino acid residue or the repeating chemical subunit of the polyelectrolyte. This modeling strategy allows for simulations of big proteins such as human serum albumin and dendritic polyelectrolytes of large generations, while the crucial molecular electrostatic properties are still well retained. Our simulations are validated further by calorimetry experiments. Finally, we propose theories based on counterion condensation and charge renormalization for interpreting the system binding free energies. Regarding all systems investigated here, the thesis demonstrates the crucial and ubiquitous role of condensed counterions which participates in the electrostatic complexation. For both linear and dendritic polyelectrolytes, we find a strong charge renormalization induced by the condensed counterions, which consequently suppresses electrostatic interactions to an appreciable extent. The resultant binding is governed by the release of those condensed counterions, resulting in a massive entropy gain. Due to the presence of the multivalent binding, we propose a new interpretation of the conventional Langmuir adsorption isotherm, which ensures a meaningful comparison between simulations and experiments.

Die akute lymphoblastische Leukämie (ALL) ist die häufigste maligne Erkrankung im Kindesalter. Trotz risikoadaptierter Chemotherapie erleiden 25 - 30 % der Kinder mit ALL ein Rezidiv. Im Rezidivfall liegen die Heilungschancen trotz intensivierter Therapie nur bei 35- 40%. In retrospektiven und prospektiven Analysen konnten wir einerseits prognostisch-relevante, genetische Merkmale in den Leukämiezellen von Kindern mit ALL-Rezidiv erstmals identifizieren. Diese leukämiespezifischen Merkmale umfassen sowohl Translokations-assoziierte Fusionsgene (TEL-AML1, BCR-ABL, MLL-Aberrationen, E2A-PBX1), Deletionen von Tumorsuppressorgenen (p15, p16, p18) als auch Mutationen in DNA-Reparaturgenen (NBS1). Zusammen mit der sensitiven molekularen Bestimmung der Kinetik der Leukämiezellreduktion (Reaktion auf die Therapie, (MRD, minimal residual disease)) läßt sich die Prognose der Kinder mit ALL-Rezidiv durch die Verwendung dieser Marker zuverlässiger bewerten. Andererseits zeigen unsere Analysen, dass das Ansprechen auf die Therapie und die Prognose von wirtseigenen Faktoren (medikamenten metabolisierenden Enzyme) und von der Interaktion zwischen Leukämie- und Stromazellen und löslichen Wachstumsfaktoren (Zytokinen) abhängt. Eine adäquatere Behandlung dieser Patientengruppe, die bereits eine intensive Therapie erhalten hat und wesentlich risikoreichere, mit einer hohen Akut- und Spättoxizität behaftete Therapieverfahren einschließt, lässt sich durch die Berücksichtigung dieser Ergebnisse erreichen. Die genetische Typisierung und die sensitive Quantifizierung des molekularen Ansprechens auf die Therapie ergänzen heute die klinischen Determinanten zur Risikostratifizierung der Kinder mit ALL-Rezidiv der derzeitigen Therapieoptimierungsstudie ALL-REZ BFM 2002 (Berlin-Frankfurt-Münster). / Acute lymphoblastic leukemia is the most common malignancy in childhood. Although the prognosis for pediatric ALL with risk-adapted chemotherapy has improved dramatically, 25-30% of the children suffer a relapse. The prognosis for relapsed ALL remains poor (35-40%). In retrospective and prospective studies, we identified prognostic-relevant genetic features in leukemic blasts from children with ALL relapse. These leukemia-specific aberrations include translocation-associated fusion genes (TEL-AML1, BCR-ABL, MLL changes, E2A-PBX1), deletions of tumor suppressor genes (p15, p16, p18) and point mutations in DNA repair genes (NBS1). Together with the sensitive quantitative assessment of the molecular response to therapy (MRD, minimal residual disease), prediction of outcome is now more reliable. Furthermore, response to therapy and, thus, prognosis is significantly dependent on modifying host factors (drug-metabolizing enzymes) and interactions between leukemic and stromal cells as well as soluble growth factors (cytokines). Today, the genetic characterization of leukemic cells as well as the molecular quantification of response to therapy complement prognostic significant clinical determinants allowing a more precise risk stratification of children with ALL relapse in the relapse trial ALL-REZ BFM 2002 of the BFM (Berlin-Frankfurt-Münster) study group.

Dermatophyten sind keratinophile Pilze, d.h. sie besiedeln und infizieren die Haut und ihre Anhangsgebilde (Haare, Nägel) bei Mensch und Tier. Die derzeit häufigsten durch Dermatophyten hervorgerufenen Infektionen sind die Onychomykose, Tinea pedis, Tinea capitis und Tinea corporis. Da Antimykotika nicht bei alle Erregern von Dermatophytosen gleich wirksam sind, sollte im Vordergrund einer Behandlung zunächst die korrekte Erregerdifferenzierung stehen. Konventionell erfolgt diese Differenzierung über morphologische Merkmale wie Form und Farbe der auf dem Nährmedium gewachsenen Pilzkolonie, charakteristische mikromorphologische Elemente (Konidien) und biochemische Eigenschaften. Diese Merkmale werden jedoch oftmals nicht exprimiert. Damit ist in diesen Fällen keine Speziesdiagnose möglich. Eine zuverlässige Diagnostik sollte zudem das natürliche Klassifizierungssystem direkt reflektieren. Die Studien zur molekularen Biodiversität innerhalb der Dermatophyten sollten deshalb zur Klärung evolutionärer, taxonomischer und populationsgenetischer Zusammenhänge bei den verschiedenen Spezies der Gattungen Arthroderma, Trichophyton, Microsporum und Epidermophyten beitragen und helfen, geeignete DNA-Marker für die Anwendung in der medizinischen Diagnostik zu finden und einzusetzen. Dazu wurden verschiedene Methoden und Zielsequenzen genutzt, wie die Sequezierung der internal transcribed spacer (ITS) Region der ribosomalen DNA, das PCR-Fingerprinting, single strand conformation polymorphism (SSCP) und amplified fragment length polymorphism (AFLP)-Analyse. Es wurden weit über 200 Stämme, die bisher ca. 100 verschiedenen Taxa zuzuordnen waren, analysiert. Die molekularen Studien zeigen, dass die phylogenetisch ältesten Dermatophytenspezies geophil sind und sich die wärmeliebenden, zoophilen Arten erst später durch Koevolution mit warmblütigen Tieren entwickelt haben. Die anthropophilen scheinen dagegen erst mit Entstehung des Menschen evolviert und demzufolge am jüngsten zu sein. Damit kann man ihre geringe Biodiversität und ihr verändertes pathogenetisches Verhalten erklären. Es konnte gezeigt werden, dass die molekularen Phylogenie der Spezies besser mit ihrer Ökologie und dem Krankheitsbild als mit morphologischen Eigenschaften übereinstimmt und dass etliche Dermatophytenspezies überklassifiziert sind. Aus diesem Grunde wurde eine neue Systematik vorgeschlagen. Für den Nachweis des häufigsten Erreger, Trichophyton rubrum wurde eine Gensonde entwickelt, die in der medizinischen Diagnostik einsetzbar ist. / Dermatophytes are keratinophilic fungi which colonise and infect skin, hair and nails of man and animals. The most common infections caused by dermatophytes are onychomycosis, tinea pedis, tinea capitis and tinea corporis. Antimycotics may have different spectra of activity even in related dermatophyte species. Therefore a correct species identification is necessary before onset of antifungal therapy. Conventionally, the identification of dermatophytes is performed by the use of morphological features, such as shape and colour of the colony, micromorphological characteristics (conidia) and biochemical properties. However, these characters may not be expressed and then identification down to the species level is frequently impossible. Reliable diagnostics directly reflects the natural system. Studies of biodiversity in dermatophytes should therefore focus on elucidation of the connection of evolution, taxonomy and population genetics of the species of the genera Arthroderma, Trichophyton, Microsporum and Epidermophyten and thus contribute to development of stable DNA markers to be applied in routine diagnostics. Several methods and targets were applied such as sequencing of the internal transcribed spacer region (ITS) of the ribosomal DNA, PCR fingerprinting, single strand conformation polymor phism (SSCP) and amplified fragment length polymorphism (AFLP) analysis. More than 200 strains belonging to about 100 dermatophyte taxa were analysed. Phylogenetically, the molecular data show the oldest dermatophyte species to be geophilic and subsequently co-evolved as zoophilic dermatophytes with warm blooded animals. In contrast, the anthropophilic dermatophytes are much younger as they evolved in association with humans. This hypothesis is supported by their low biodiversity and changing pathogenicity. The molecular data show correspondence between phylogeny of species and their ecology and clinical picture, rather than with morphological features. Many dermatophyte species were shown to be overclassified. A new systematic system was proposed. For the identification of Trichophyton rubrum, the most common dermatophyte species, an oligonucleotide probe was developed which is applicable in medical routine diagnostics.

Die erfolgreiche Synthese und Faltung von Proteinen ist eine Voraussetzung der Zellfunktion und ein Versagen der Proteinhomöostase führt zu Krankheit oder Tod. In der Zelle sichern molekulare Chaperone die korrekte Faltung der Proteine oder tragen zur Entsorgung unwiederbringlich fehlgefalteter Proteinsubstrate bei. Unter diesen Chaperonen sind kleine Hitzeschockproteine (sHsp) ein ATP-unabhängiger Teil des Proteostasenetzwerks. In dieser Arbeit habe ich das bisher wenig erforschte sHsp HSP-17 aus C. elegans untersucht. Im Gegensatz zu anderen sHsps zeigte HSP-17 nur eine geringe Aktivität beim Verhindern der Aggregation von Proteinsubstraten. Stattdessen konnte ich in vitro zeigen, dass HSP-17 die Aggregation von Modellsubstraten fördert, was hier für Metazoen-sHsps erstmals gezeigt wurde. HSP-17 kopräzipitiert mit Substraten und modifiziert deren Aggregate möglicherweise. HSP-17 kolokalisiert in vivo mit Aggregaten, und seine aggregationsfördernde Aktivität konnte ich für das physiologische Substrat KIN-19 und heterolog exprimierte polyQ-Peptide validieren. Durch ex vivo Analysen konnte ich zeigen, dass die Aktivität von HSP-17 für die Fitness relevant ist  In einem zweiten Projekt habe ich zur Entwicklung eines neuen Modelles für Aß-Pathologie in C. elegans beigetragen, welches substöchiometrische Markierungen verwendet, um eine zeitnahe Visualisierung der Aß-Aggregation in spezifischen Zelltypen zu ermöglichen. Das Modell spiegelt bekannte Phänotypen der Aß-Proteotoxizität aus Menschen und bestehenden C. elegans Aß-Stämmen wider. Interessanterweise zeigt eine Untergruppe der Neuronen, die IL2-Neuronen, eine höhere Anfälligkeit für die Aggregation und Proteotoxizität von Aß1-42. Eine gezielte Reduktion von Aß1-42 in IL2 Neuronen führt zu einer systemischen Reduktion der Pathologie. Somit bietet das Modell eine neue Plattform, um die Bedeutung molekularer Chaperone, wie z. B. der sHsps, für Amyloidosen zu untersuchen, auch im Hinblick auf menschliche Erkrankungen. / Successful synthesis and folding of proteins is a prerequisite for cellular function and failure of protein homeostasis leads to disease or death. Within the cell, molecular chaperones ensure correct protein folding or aid in the disposal of terminally misfolded protein substrates. Among these chaperones, small heat shock proteins (sHsps) are ATP-independent members of the proteostasis network. In this work, I analyzed the so far under-researched C. elegans sHsp HSP-17. Unlike other sHsps, HSP-17 exhibited only weak activity in preventing aggregation of protein substrates. Instead, I could show in vitro that HSP-17 can promote the aggregation of protein substrates, which is the first demonstration for metazoan sHsps. HSP-17 co-precipitates with substrates and potentially modifies the aggregates.  HSP-17 colocalizes with aggregates and pro-aggregation activity is present in vivo, which I demonstrated for the physiological substrate KIN-19 and heterologously expressed amyloidogenic polyQ peptides. By physiological, biochemical and proteomic analysis I showed that HSP-17 activity is relevant for organismal fitness In a second project, I contributed to the development and characterization of a novel model of Aß pathology in C. elegans. This new AD model employs sub-stoichiometric labeling to allow live visualization of Aß aggregation in distinct cell types. The model mirrors known phenotypes of Aß proteotoxicity in humans and existing C. elegans Aß strains. Interestingly, a subset of neurons, the IL2 neurons, is shown to be more vulnerable to Aß proteotoxicity and targeted depletion of Aß in these neurons systemically ameliorates pathology. Thereby, the model presents a new platform to assess the relevance of molecular chaperones such as sHsps in amyloidosis with a perspective on human disease.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Frage wie thermische und photochemische Gleichgewichte verbunden werden können und sich gegenseitig beeinflussen. Dazu wurden zwei Projekte bearbeitet, zum einen das Konzept der „säure-katalysierten Zykloreversion“ und zum anderen das Konzept der „licht-induzierten pKs Veränderung“. Im ersten Konzepte wurde eine extern steuerbare, thermische Rückreaktion genutzt, um die Zusammensetzung im photostationären Zustand zu kontrollieren. Durch Zugabe von katalytischen Mengen einer starken Säure wurde die Ringöffnung eines Diarylethens, welches mit einem Flurenol substituiert ist, eingeleitet. Der zugrundeliegende Prozess wurde kinetisch und thermodynamisch, sowohl durch Experimente als auch durch computergestützte Rechnungen beschrieben. Eine säure-induzierte Dehydratation öffnet einen neuen Reaktionspfad, wodurch die normalerweise sehr hohe Reaktionsbarriere der Ringöffnung umgangen werden kann. Die quantitative Umsetzung mit Säure führt zu einer kompletten Löschung der photochemischen Reaktivität. Dieses Konzept kann in der Speicherung von Lichtenergie in photochromen metastabilen Systemen genutzt werden. Durch die Nutzung von 3-H-Thiazol-2-on als Rest im Diarylethen konnte eine signifikante pKs Änderung von 2.8 Einheiten in wässriger Umgebung erreicht werden. Dabei wurden zwei Säure-Base Gleichgewichtssysteme miteinander gekoppelt, welche an der thermischen Umwandlung gehindert sind, jedoch photochemisch ineinander überführt werden können. Des Weiteren wurde eine hohe Abhängigkeit der Quantenausbeute von dem Protonierung festgestellt. Diese wurde genutzt um die Performance der Photoreaktion zu beeinflussen. Die Beeinflussung der Photoreaktion erfolgt nicht durch Veränderung der Energetik des Grundzustandes, sondern durch Veränderung der Potentialhyperfläche des angeregten Zustandes. Durch neue molekulare Designs konnte eine signifikante Verbesserung im Vergleich zu bekannter Molekülen und Konzepten in beiden Projekten erreicht werden. / Two projects are implemented in this work, which share the goal to interconnect acid-base equilibria with the photoreactions of diarylethene (DAE) photoswitches. This task can be divided into two logic questions: How can photochemical equilibria be controlled or rather influenced via an acidic or basic stimulus and how can a photoreaction induce control over an acid-base equilibrium? In the first project, “Acid-Catalyzed Cycloreversion”, an externally tunable thermal back reaction was designed to influence a photochemical equilibrium. Upon addition of catalytic amounts of acid, a closed DAE carrying a fluorenol moiety undergoes facile thermal ring opening. The underlying thermodynamics and kinetics of the entire system have been analyzed experimentally as well as computationally. Appling an excess of acid leads to a complete inhibition of the photoreaction through the introduction of a charge-transfer. My work suggests that acid catalysis provides a useful tool to bypass thermal barriers, potentially usable to efficiently trigger the release of light energy stored in photoswitches. In the second project, entitled “Light-induced pKa Modulation”, a significant pKa change of 2.8 units in an aqueous medium was achieved by connecting two different acid-base equilibria. These thermodynamic equilibria are separated by a high activation barrier, overcome by a photoreaction. The developed system which is based on the incorporation of a 3 H thiazol 2 one moiety into a DAE, shows a strong dependency of the quantum yield and hence, of the photoconversion on the protonation state. Adjusting the pH within the range of the pKa change, a substantial enhancement of the photoconversion is achievable as well as a distinct alteration of the performance of the photoreaction. This effect does not originate from different reaction paths on the ground state potential energy surface (PES), but results presumably from a protonated state dependent difference in the excited PES.