Ziel der Dissertation „Neue künstliche Guanidiniocarbonylpyrrol-Rezeptoren zur Komplexierung von Oxo-Anionen in Wasser“ war die Weiterentwicklung dieser Rezeptoren nach Schmuck für die Komplexierung insbesondere von Carboxylaten, um sie hinsichtlich Bindungsaffinität und Substratspezifität zu optimieren. Dazu wurde zunächst die Synthese zweier wichtiger Grundbausteine in einzelnen Schritten vollständig überarbeitet, wobei veränderte Reaktionsbedingungen und Aufarbeitungsschritte zu gesteigerten Ausbeuten führten. Dadurch ist es nun möglich, diese Bausteine effizienter zu synthetisieren und im Multigramm-Maßstab für die Darstellung von Rezeptoren zur Oxo-Anionen-Erkennung einzusetzen. Weiterhin wurde die Verbesserung der Komplexierungseigenschaften gegenüber Carboxylaten auf zwei Arten untersucht: zum einen durch das Anbringen eines zusätzlichen Seitenarms an der Guanidinio-Einheit zur Bildung von Guanidiniocarbonylpyrrol-Tweezer-Rezeptoren, zum anderen durch das Einführen einer zweiten positiven Ladung neben der Carboxylat-Bindungsstelle (CBS) zur Darstellung biskationischer Guanidiniocarbonylpyrrol-Rezeptoren. Zur Darstellung von Tweezer-Rezeptoren wurde ein zusätzlicher Seitenarm an der N’-Position der Guanidinio-Einheit angebracht. Die beiden Arme sollten ein Substrat pinzettenartig von zwei Seiten, mit der CBS als Kopfgruppe, komplexieren können. Durch zusätzliche Wechselwirkungen des neuen Seitenarms sollte neben einer stärkeren Komplexierung vor allem eine höhere Substratspezifität erzielt werden. Die experimentell ermittelten Bindungskonstanten lagen allerdings im Bereich der N’-unsubstituierten Rezeptoren. Somit stellen die Tweezer-Modifikationen daher keine Verbesserung der Guanidiniocarbonylpyrrol-Rezeptoren dar. In einem weiteren Projekt zur Rezeptor-Optimierung wurden, durch Einführung einer zweiten positiven Ladung in Form einer terminalen Ammonium-Gruppe, biskationische Guanidiniocarbonylpyrrol-Rezeptoren erfolgreich synthetisiert. Die Komplexierungseigenschaften dieser biskationischen Rezeptoren wurden in Bindungsstudien vornehmlich mit Aminosäurecarboxylaten mittels UV- und Fluoreszenz-Spektroskopie, Massenspektrometrie, NMR-Spektroskopie, ITC und Molecular Modeling Berechnungen untersucht. Anhand der Substratspezifität der biskationischen Rezeptoren wurde deutlich, dass die Spacerlänge, an der die zusätzliche positive Ladung angebracht ist, eine entscheidende Rolle bei der Komplexierung spielte. Galten eigentlich starre, präorganisierte, kurze Linker als vorteilhaft hinsichtlich der Entropie, so ist hier zu erkennen, dass längere, flexiblere Linker zu einer besseren Komplexierung führen können, wenn geeignete zusätzliche nichtkovalente Wechselwirkungen möglich sind. Die biskationischen Rezeptoren stellen damit eine Optimierung des Carboxylat-Bindungsmotivs der Guanidiniocarbonylpyrrol-Rezeptoren nach Schmuck in der Anionen-Erkennung dar. / The main focus of the thesis “New artificial guanidiniocarbonyl pyrrole receptors for the complexation of oxo-anions in water” is the optimization of these receptors introduced by Schmuck for the oxo-anion recognition, especially carboxylates, in aqueous solution. Therefore, the details of the synthesis of two important building blocks were completely revised and yields increased by changing reaction conditions, workup and isolation steps. The new optimized, facile and efficient synthetic route to these N-protected guanidinocarbonyl pyrrole derivatives allows now a multi-gram synthesis of these versatile compounds as needed for the synthesis for a variety of supramolecular anion binding motifs. Furthermore two strategies to optimize the anion recognition have been pursued: On the one hand tweezer receptors were developed by connecting an additional side chain to the head group at the N’-position of the guanidino group. On the other hand another second positive charge was introduced into the receptor besides the carboxylate binding site (CBS) by an ammonium group to get bis-cationic receptors The tweezer receptors were developed in order to complex the guest from more than one side. A second side chain, connected to the N’-position of the guanidinio motif, leads to this kind of receptor, with the CBS as a head group. By using additional non covalent interactions in both side chains, the association constant as well as the specificity should be increased. In case of the optimization of the binding properties, the tweezer receptors have showen binding properties similar to the N’-unsubstituted guanidiniocarbonyl pyrrole receptors with respect to association constants and specificity. For this reason the tweezer receptors were no improvement of the guanidiniocarbonyl pyrrole receptors. In another project for optimization of the binding properties several bis-cations were synthesized, with a simple primary ammonium cation attached via flexible linkers of varying length to a guanidiniocarbonyl pyrrole. In UV-binding studies in aqueous buffer these bis-cations have shown efficient binding of various N-acetyl amino acid carboxylates. Further investigations by fluorescence spectroscopy, mass spectrometry, NMR spectroscopy, ITC as well as molecular mechanics calculations confirm the complexation by participation of the second charge in the complexation of the carboxylic function and therefore an increasing in complex stability. It is generally assumed, that short and rigid linkers are better for complexation due to the entropy and that a steady decrease of a linker length increase the complex stability. However, this case shows, that complex stability can increase while increasing the flexibility of a linker until other non covalent interactions are possible. Hence, the bis-cationic receptors indeed represent an optimisation of the guanidiniocarbonyl pyrrole receptors for oxo-anion-binding.

The main focus of this thesis was the synthesis and analysis of multifunctional oligopeptides. The study of their non-covalent interactions with various counterparts revealed interesting new results, leading to both methodological and application related progress. The first project of this thesis concentrated on the in-depth analysis of the peptide receptor CBS-Lys-Lys-Phe-NH2 to acquire a better understanding of its binding mode upon complexation with a substrate. In this context it was possible to develop—in cooperation with the group of Prof. Sebastian Schlücker—a direct and label free spectroscopic detection of immobilized compounds which are often found in combinatorial libraries. This new screening method utilizes the advantages of the surface enhanced Raman spectroscopy and allowed for the first time a surface mapping of a single polystyrene bead for the identification of peptides in femtomolar concentrations. Hence, this method allows a very fast and sensitive detection of resin bound compounds. The development of this promising new approach set the starting point for future experiments to enable on-bead library screenings and to investigate the complex formation of immobilized compounds. After the comprehensive analysis of the basic structural features of small peptide receptors in the first part of this thesis, the second big block focused on its in vitro evaluation using biological relevant targets. Therefore, several different modifications of the initial peptide structures were synthesized. These modifications provided a molecular toolkit for the tailor made synthesis of structures individually designed for the respective target. The first tests addressed the interaction with Alzheimer’s related amyloid fibrils. During these experiments, the successful SPPS syntheses of tri- and tetravalent systems were achieved. The comparison of the multivalent form with the corresponding monovalent version was then under special investigations. These concentrated mainly on the interaction with various bacteria strains, as well as with different parasites. To localize the compounds within the organisms, the synthesis of fluorescence labelled versions was achieved. In addition, several compounds were tested by the Institute for Molecular Infection Biology of the University of Würzburg for their antibacterial activity. This thorough evaluation of the biological activity generated precious information about the influence of small structural changes in the peptide receptors. Especially the distinct influence of the multivalency effect and the acquired synthetic skills led to the development of an advanced non-covalent recognition event, as described in the final project of this thesis. The last part of this thesis discussed the development of a novel inhibitor for the serine protease beta-tryptase based on a tailor-made surface recognition event. It was possible to study and analyze the complex interaction with the unique structure of tryptase, that features a tetrameric frame and four catalytic cleavage sites buried deep inside of the hollow structure. However, the point of attack were not the four binding pockets, as mostly described in the literature, but rather the acidic areas around the cleavage sites and at the two circular openings. These should attract peptides with basic residues, which then can block the accessibility to the active sites. A combinatorial library of 216 tetravalent peptide compounds was synthesized to find the best structural composition for the non-covalent inhibition of beta-tryptase. For the screening of the library a new on-bead assay was applied. With this method a simultaneous readout of the total inhibition of all library members was possible, thus allowing a fast and direct investigation of the still resin bound inhibitors. Several additional experiments in solution unveiled the kinetics of the inhibition process. In conclusion, both mono- and multivalent inhibitors interact in a non-destructive and reversible way with the tryptase. / Der Hauptfokus dieser Arbeit lag in der Synthese und Analyse multifunktionaler Oligopeptide. Die Untersuchung ihrer nicht-kovalenten Wechselwirkungen mit verschiedenen Strukturen resultierte sowohl in interessanten methodischen als auch anwendungsbezogenen Fortschritten. Das erste Projekt dieser Dissertation konzentrierte sich auf die detaillierte Analyse des Peptid-Rezeptors CBS-Lys-Lys-Phe-NH2, um ein besseres Verständnis seines Bindungsverhaltens während einer Substratkomplexierung zu erhalten. In diesem Zusammenhang gelang in Kooperation mit der Gruppe von Prof. Sebastian Schlücker, die Entwicklung einer direkten und markierungsfreien spektroskopischen Methode zur Detektion festphasengebundener Substanzen, wie man sie z.B. oft in kombinatorischen Molekülbibliotheken findet. Diese neuartige Screeningmethode bedient sich der Vorteile der Oberflächen-verstärkten Raman-Streuung (SERS) und ermöglichte erstmals das Scannen der Oberfläche eines einzelnen Harz-Kügelchens und damit die Identifizierung von Peptiden in femtomolaren Konzentrationen. Zusammenfassend erlaubt diese neue Methode eine schnelle und hoch sensitive Detektion harzgebundener Substanzen. Die Entwicklung dieses viel versprechenden Ansatzes bildet die Basis möglicher zukünftiger Entwicklungen für das direkte und schnelle Screening von kombinatorischen Bibliotheken sowie für die detaillierte Untersuchung der Komplexbildung von immobilisierten Verbindungen. Nach der ausführlichen Analyse der grundlegenden strukturellen Eigenschaften kleiner Peptidrezeptoren im ersten Teil dieser Dissertation schloss sich im zweiten großen Block dessen in vitro Evaluierung mit Hilfe verschiedener biologisch relevanter Zielstrukturen an. Dazu wurden einige strukturell verwandte Versionen der ursprünglichen Rezeptoren synthetisiert. Dies ermöglichte die Zusammenstellung eines variablen molekularen Baukasten zur zielgerichteten Synthese von Strukturen, die individuell für ausgesuchte Ziele entworfen werden konnten. Die ersten Tests betrachteten die Wechselwirkung mit Amyloid-Fibrillen, die im Zusammenhang mit der Alzheimer-Krankheit stehen. Während dieser Arbeiten wurden erste tri- und tetravalente Rezeptorsysteme mit Hilfe der Festphasenchemie synthetisiert. In diesem Zusammenhang war insbesondere der Vergleich der multivalenten Systemen mit den entsprechenden monovalenten Peptiden von Interesse. Die Untersuchungen konzentrierten sich hauptsächlich auf die Interaktion mit verschiedenen Bakterienarten, sowie unterschiedlichen Parasiten. Um die Verbindungen in den Organismen zu lokalisieren wurden spezielle Fluoreszenz-markierte Versionen der Peptide synthetisiert. Zusätzlich wurden einige Verbindung vom Institut für Molekulare Infektionsbiologie der Universität Würzburg auf ihre antibakterielle Aktivität untersucht. Mit dieser detaillierten Evaluierung der biologischen Aktivität konnten somit wertvolle Informationen über den Einfluss kleiner struktureller Änderungen in den Peptidrezeptoren gewonnen werden. Insbesondere der ausgeprägte Einfluss des multivalenten Effektes und die angeeigneten synthetischen Fertigkeiten führten zur Entwicklung und Untersuchung eines komplexeren Bindungsereignisses. Der letzte Abschnitt dieser Dissertation beschreibt die Entwicklung eines neues Inhibitors der Serinprotease beta-Tryptase, welche eine tetramere Struktur aufweist, in der die vier aktiven Zentren sich im Inneren eines zentralen Hohlraumes befinden. In diesem Zusammenhang gelang es die zur Inhibierung notwendige Komplexbildung, die auf einem speziell zugeschnittenen Oberflächenerkennungsprozess basiert, zu studieren und analysieren. Die Angriffspunkte waren jedoch nicht die üblicherweise in der Literatur beschriebenen aktiven Zentren, sondern Anhäufungen negativ geladener Aminosäure-Reste, die in der Umgebung der aktiven Zentren sowie in den beiden Eingangsbereichen zum zentralen Hohlraum zu finden sind. Diese sollten in der Lage sein positiv geladene Aminosäurereste anzuziehen und dazu führen, dass ein entsprechend voluminöses Peptid die Zugänglichkeit zu den aktiven Zentren einschränkt. Daraufhin wurde eine kombinatorische Bibliothek bestehend aus 216 Verbindungen synthetisiert. Es war das Ziel, die beste strukturelle Zusammensetzung zu finden, die eine effiziente nicht-kovalente Inhibierung der Tryptase ermöglicht. Verschiedene zusätzliche Experimente in Lösung halfen bei der Aufklärung der kinetischen Beschreibung des Hemmprozesses. Zusammenfassend lässt sich die Wechselwirkung zwischen der Tryptase und den sowohl mono- als auch multivalenten Inhibitoren als nicht-destruktiv und gleichzeitig reversibel beschreiben.

Einleitung: Ultraschall wird seit mehr als 50 Jahren in der Medizin eingesetzt und ist mittlerweile ein unverzichtbares diagnostisches Verfahren, es erlaubt eine nicht-invasive Darstellung der Morphologie und Funktion von Organen in Echtzeit. In der Kleintierbildgebung dominieren bisher zur morphologischen Bildgebung Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT). Daher wurde in der vorliegenden Arbeit die Idee entwickelt, die morphologischen Informationen des 3D-Ultraschalls (3D-US) für Untersuchungen an Kleintieren zu verwenden, außerdem sollten Methoden zur multimodalen Bildgebung und Bildfusion von 3D-US und Kleintier-Positronenemissionstomographie (PET) entwickelt werden. Der Vorteil des Ultraschalls gegenüber dem Kleintier-CT liegt in der fehlenden Strahlenbelastung und der guten Verfügbarkeit, was besonders für Verlaufsstudien von Interesse ist. Methoden und Ergebnisse: Zur Bildoptimierung wurde ein Fadenphantom entwickelt, welches aufgrund der feinen Strukturen die qualitative als auch quantitative Bestimmung der Auflösung ermöglicht. Die Vorarbeiten am Fadenphantom konnten exzellent die Probleme des 3D-Ultraschalls mit der achsenabhängigen Auflösung zeigen und ermöglichten eine schnelle Beurteilung der Bildqualität. Hier bestehen Einsatzmöglichkeiten in der Bewertung verschiedener Ultraschallgeräte bezüglich der Tauglichkeit für 3D-Datenaquisition. Zur reproduzierbaren Lagerung von Mäusen wurde eine Schallkopfführung ein sowohl für 3D-US als auch Kleintier-PET kompatibler Tierhalter entwickelt. Die Maus lag zur Untersuchung im angewärmten Wasserbad auf dem Tierhalter fixiert, mit Inhalationsanästhesie und Sauerstoff über eine Atemmaske versorgt. Der Zeitaufwand für eine 3D-US-Untersuchung betrug für die Akquisition etwa eine Minute. Die generierten Ultraschalldatensätze waren von guter Qualität, Strukturen wie Leber, Nieren, Blase, Wirbelsäule und Lunge konnten selbst bei kleinen Mäusen von unter 20 Gramm Körpergewicht gut dargestellt werden. Zur Validierung des 3D-Ultraschalls wurde das Volumen verschiedener Organe und Tumore bestimmt und mit dem Goldstandard verglichen. Um die Koregistrierung mit der Kleintier-PET zu ermöglichen, wurden auf dem Tierhalter drei „fiducial markers“ angebracht, die Position und Orientierung eindeutig definieren. Die Kleintier-PET-Untersuchungen wurden nach standardisierten Protokollen durchgeführt. Die anschließende Bildfusion erfolgte mittels der frei verfügbaren Software "Amide". Diskussion: Mit dem in dieser Arbeit beschriebenen Verfahren ist eine standardisierte Gewinnung von 3D-US-Datensätzen an Kleintieren möglich; zusätzlich konnte die Machbarkeit der Bildfusion mit PET-Datensätzen gezeigt werden. Der Einsatz des 3D-Ultraschalls in longitudinalen Studien, zum Beispiel zur Beurteilung der Tumorprogression, ist vorstellbar. Die Zuverlässigkeit der volumetrischen Berechnungen ist für größere Organvolumina gut, bei kleineren Volumina besteht noch Optimierungsbedarf. Weitere Verbesserungen könnten durch den Einsatz von speziellen Schallköpfen und höheren Schallfrequenzen erzielt werden. / Introduction: Ultrasound has been used for more than 50 years in medicine and has become a indispensable diagnostic tool, it allows a non-invasive imaging of the morphology and function of organs in real time. Small animal morphological imaging is now dominated by CT and MRI. For present study the idea to use morphological information of the 3D-ultrasound for examination of small animals was developed, these data should be used for image fusion of 3D ultrasound and small-animal PET. The advantage of ultrasound compared to the small-animal CT is the lack of radiation exposure and the good availability, which is especially for longitudinal studies of interest. Methods and Results: For image enhancement, a thread phantom was developed, fine structures facilitate qualitative and quantitative analysis of spatial resolution. Preliminary work on the thread phantom was excellent for investigate problems of 3D ultrasound with the axis-dependent resolution. There are potential applications for evaluating different ultrasonic devices in their suitability for 3D data acquisition. For the reproducible bedding of mice a guide bar for ultrasound transducer and a compatible holder for 3D-US and PET was developed. The mouse was bedded in the heated water bath fixed to the holder, applied inhalation anesthesia and oxygen through a breathing mask. The time required for a 3D ultrasound examination was for the acquisition of about one minute. The generated ultrasound data sets were of good quality, structures such as liver, kidney, bladder, spine and lungs were even in the case of small mice of 20 gram well represented. For validation of the 3D ultrasound volumes of various organs and tumors were determined and compared with gold standard. To allow coregistration with the microPET, three "fiducial markers" were attached to define the position and orientation. PET studies were performed according to standardized protocols. The subsequent image fusion was performed using the software "amide”. Discussion: In this study a standardized procedure for 3D-US of small animals was developed, in addition, the feasibility of image fusion with PET data sets was shown. The use of 3D ultrasound in longitudinal studies, for example, to assess tumor progression, is conceivable. The reliability of the volumetric calculations is good for large organ volumes, with smaller volumes, there is still need for improvement. Further improvements could be achieved through the use of special transducers and higher ultrasound frequencies.

In dieser Arbeit werden Knickinstabilitäten von Filamenten in biologischen Systemen untersucht. Das Zytoskelett von Zellen ist aus solchen Filamenten aufgebaut. Sie sind für die mechanische Stabilität der Zelle verantwortlich und spielen eine große Rolle bei intrazellulären Transportprozessen durch molekulare Motoren, die verschiedene Lasten wie beispielsweise Organellen entlang der Filamente des Zytoskeletts transportieren. Filamente sind semiflexible Polymere, deren Biegeenergie ähnlich groß ist wie die thermische Energie, so dass sie auch als elastische Balken auf der Nanoskala gesehen werden können, die signifikante thermische Fluktuationen zeigen. Wie ein makroskopischer elastischer Balken können auch Filamente eine mechanische Knickinstabilität unter Kompression zeigen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird untersucht, wie diese Instabilität durch thermische Fluktuationen der Filamente beeinflusst wird. In Zellen können Kompressionskräfte durch molekulare Motoren erzeugt werden. Das geschieht zum Beispiel während der Zellteilung in der mitotischen Spindel. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchen wir, wie die stochastische Natur einer von Motoren generierten Kraft die Knickinstabilität von Filamenten beeinflusst. Zunächst stellen wir kurz das Problem von Knickinstabilitäten auf der makroskopischen Skala dar und führen ein Modell für das Knicken von Filamenten oder elastischen Stäben in zwei Raumdimensionen und in Anwesenheit thermischer Fluktuationen ein. Wir präsentieren eine analytische Lösung für Knickinstabilitäten in Anwesenheit thermischer Fluktuationen, die auf einer Renormierungsgruppenrechnung im Rahmen des nichtlinearen Sigma-Models basiert. Wir integrieren die kurzwelligen Fluktuationen aus, um eine effektive Theorie für die langwelligen Moden zu erhalten, die die Knickinstabilität bestimmen. Wir berechnen die Änderung der kritischen Kraft für die Knickinstabilität und zeigen, dass die thermischen Fluktuationen in zwei Raumdimensionen zu einer Zunahme der kritischen Kraft führen. Außerdem zeigen wir, dass thermische Fluktuationen im geknickten Zustand zu einer Zunahme der mittleren projizierten Länge des Filaments in Richtung der wirkenden Kraft führen. Als Funktion der Konturlänge des Filaments besitzt die mittlere projizierte Länge eine Spitze an der Knickinstabilität, die durch thermische Fluktuationen abgerundet wird. Unser Hauptresultat ist die Beobachtung, dass ein geknicktes Filament unter dem Einfluss thermischer Fluktuationen gestreckt wird, d.h. dass seine mittlere projizierte Länge in Richtung der Kompressionskraft auf Grund der thermischen Fluktuationen zunimmt. Unsere analytischen Resultate werden durch Monte-Carlo Simulationen der Knickinstabilität semiflexibler Filamente in zwei Raumdimensionen bestätigt. Wir führen auch Monte-Carlo Simulationen in höheren Raumdimensionen durch und zeigen, dass die Zunahme der projizierten Länge unter dem Einfluss thermischer Fluktuationen weniger ausgeprägt ist und stark von der Wahl der Randbedingungen abhängt. Im zweiten Teil der Arbeit formulieren wir ein Modell für die Knickinstabilität semiflexibler Filamente unter dem Einfluss molekularer Motoren. Wir untersuchen ein System, in dem sich eine Gruppe von Motoren entlang eines fixierten Filaments bewegt, und dabei ein zweites Filament als Last trägt. Das Last-Filament wird gegen eine Wand gedrückt und knickt. Während des Knickvorgangs können die Motoren, die die Kraft auf das Filament generieren, stochastisch von dem Filament ab- und an das Filament anbinden. Wir formulieren ein stochastisches Model für dieses System und berechnen die “mean first passage time“, d.h. die mittlere Zeit für den Übergang von einem Zustand, in dem alle Motoren gebundenen sind zu einem Zustand, in dem alle Motoren abgebunden sind. Dieser Übergang entspricht auch einem Übergang aus dem gebogenen zurück in einen ungebogenen Zustand des Last-Filaments. Unser Resultat zeigt, dass für genügend kurze Mikrotubuli die Bewegung der Motoren von der durch das Last-Filament generierten Kraft beeinflusst wird. Diese Ergebnisse können in zukünftigen Experimenten überprüft werden. / We study buckling instabilities of filaments in biological systems. Filaments in a cell are the building blocks of the cytoskeleton. They are responsible for the mechanical stability of cells and play an important role in intracellular transport by molecular motors, which transport cargo such as organelles along cytoskeletal filaments. Filaments of the cytoskeleton are semiflexible polymers, i.e., their bending energy is comparable to the thermal energy such that they can be viewed as elastic rods on the nanometer scale, which exhibit pronounced thermal fluctuations. Like macroscopic elastic rods, filaments can undergo a mechanical buckling instability under a compressive load. In the first part of the thesis, we study how this buckling instability is affected by the pronounced thermal fluctuations of the filaments. In cells, compressive loads on filaments can be generated by molecular motors. This happens, for example, during cell division in the mitotic spindle. In the second part of the thesis, we investigate how the stochastic nature of such motor-generated forces influences the buckling behavior of filaments. In chapter 2 we review briefly the buckling instability problem of rods on the macroscopic scale and introduce an analytical model for buckling of filaments or elastic rods in two spatial dimensions in the presence of thermal fluctuations. We present an analytical treatment of the buckling instability in the presence of thermal fluctuations based on a renormalization-like procedure in terms of the non-linear sigma model where we integrate out short-wavelength fluctuations in order to obtain an effective theory for the mode of the longest wavelength governing the buckling instability. We calculate the resulting shift of the critical force by fluctuation effects and find that, in two spatial dimensions, thermal fluctuations increase this force. Furthermore, in the buckled state, thermal fluctuations lead to an increase in the mean projected length of the filament in the force direction. As a function of the contour length, the mean projected length exhibits a cusp at the buckling instability, which becomes rounded by thermal fluctuations. Our main result is the observation that a buckled filament is stretched by thermal fluctuations, i.e., its mean projected length in the direction of the applied force increases by thermal fluctuations. Our analytical results are confirmed by Monte Carlo simulations for buckling of semiflexible filaments in two spatial dimensions. We also perform Monte Carlo simulations in higher spatial dimensions and show that the increase in projected length by thermal fluctuations is less pronounced than in two dimensions and strongly depends on the choice of the boundary conditions. In the second part of this work, we present a model for buckling of semiflexible filaments under the action of molecular motors. We investigate a system in which a group of motors moves along a clamped filament carrying a second filament as a cargo. The cargo-filament is pushed against the wall and eventually buckles. The force-generating motors can stochastically unbind and rebind to the filament during the buckling process. We formulate a stochastic model of this system and calculate the mean first passage time for the unbinding of all linking motors which corresponds to the transition back to the unbuckled state of the cargo filament in a mean-field model. Our results show that for sufficiently short microtubules the movement of kinesin-I-motors is affected by the load force generated by the cargo filament. Our predictions could be tested in future experiments.

In the living cell, the organization of the complex internal structure relies to a large extent on molecular motors. Molecular motors are proteins that are able to convert chemical energy from the hydrolysis of adenosine triphosphate (ATP) into mechanical work. Being about 10 to 100 nanometers in size, the molecules act on a length scale, for which thermal collisions have a considerable impact onto their motion. In this way, they constitute paradigmatic examples of thermodynamic machines out of equilibrium. This study develops a theoretical description for the energy conversion by the molecular motor myosin V, using many different aspects of theoretical physics. Myosin V has been studied extensively in both bulk and single molecule experiments. Its stepping velocity has been characterized as a function of external control parameters such as nucleotide concentration and applied forces. In addition, numerous kinetic rates involved in the enzymatic reaction of the molecule have been determined. For forces that exceed the stall force of the motor, myosin V exhibits a 'ratcheting' behaviour: For loads in the direction of forward stepping, the velocity depends on the concentration of ATP, while for backward loads there is no such influence. Based on the chemical states of the motor, we construct a general network theory that incorporates experimental observations about the stepping behaviour of myosin V. The motor's motion is captured through the network description supplemented by a Markov process to describe the motor dynamics. This approach has the advantage of directly addressing the chemical kinetics of the molecule, and treating the mechanical and chemical processes on equal grounds. We utilize constraints arising from nonequilibrium thermodynamics to determine motor parameters and demonstrate that the motor behaviour is governed by several chemomechanical motor cycles. In addition, we investigate the functional dependence of stepping rates on force by deducing the motor's response to external loads via an appropriate Fokker-Planck equation. For substall forces, the dominant pathway of the motor network is profoundly different from the one for superstall forces, which leads to a stepping behaviour that is in agreement with the experimental observations. The extension of our analysis to Markov processes with absorbing boundaries allows for the calculation of the motor's dwell time distributions. These reveal aspects of the coordination of the motor's heads and contain direct information about the backsteps of the motor. Our theory provides a unified description for the myosin V motor as studied in single motor experiments. / Die hier vorgelegte Arbeit entwickelt unter Verwendung vieler verschiedener Aspekte der statistischen Physik eine Theorie der chemomechanischen Kopplung für den Energieumsatz des molekularen Motors Myosin V. Das Myosin V ist sowohl in chemokinetischen wie in Einzelmolekülexperimenten grundlegend untersucht worden. Seine Schrittgeschwindigkeit ist in Abhängigkeit verschiedener externer Parameter, wie der Nukleotidkonzentration und einer äußeren Kraft, experimentell bestimmt. Darüber hinaus ist eine große Anzahl verschiedener chemokinetischer Raten, die an der enzymatischen Reaktion des Moleküls beteiligt sind, quantitativ erfasst. Unter der Wirkung externer Kräfte, die seine Anhaltekraft überschreiten, verhält sich der Motor wie eine Ratsche: Für Kräfte, die entlang der Schrittbewegung des Motors wirken, hängt seine Geschwindigkeit von der ATP-Konzentration ab, für rückwärts angreifende Kräfte jedoch ist die Bewegung des Motors unabhängig von ATP. Auf der Grundlage der chemischen Zustände des Motors wird eine Netzwerktheorie aufgebaut, die die experimentellen Beobachtungen des Schrittverhaltens für Myosin V einschließt. Diese Netzwerkbeschreibung dient als Grundlage für einen Markovprozess, der die Dynamik des Motors beschreibt. Die Verwendung diskreter Zustände bietet den Vorteil der direkten Erfassung der chemischen Kinetik des Moleküls. Darüber hinaus werden chemische und mechanische Eigenschaften des Motors in gleichem Maße im Modell berücksichtigt. Durch die Erfassung der Enzymkinetik mittels eines stochastischen Prozesses lässt sich die Motordynamik mit Hilfe des stationären Zustands der Netzwerkdarstellung beschreiben. Um diesen zu bestimmen, verwenden wir eine graphentheoretische Methode, die auf Kirchhoff zurückgreift. Wir zeigen in Einklang mit den Gesetzen der Thermodynamik für Nichtgleichgewichtssysteme, dass das Schrittverhalten des Motors von mehreren chemomechanischen Zyklen beeinflusst wird. Weiterhin untersuchen wir das funktionale Verhalten mechanischer Schrittraten in Abhängigkeit der äußeren Kraft unter Verwendung einer geeigneten Fokker-Planck-Gleichung. Hierfür wird auf die Theorie einer kontinuierlichen Beschreibung von molekularen Methoden zurückgegriffen. Wir berechnen Größen wie die mittlere Schrittgeschwindigkeit, das Verhältnis von Vorwärts- und Rückwärtsschritten, und die Lauflänge des Motors in Abhängigkeit einer äußeren angreifenden Kraft sowie der Nukleotidkonzentration, und vergleichen diese mit experimentellen Daten. Für Kräfte, die kleiner als die Anhaltekraft des Motors sind, unterscheidet sich der chemomechanische Zyklus grundlegend von demjenigen, der für große Kräfte dominiert. Diese Eigenschaft resultiert in einem Schrittverhalten, das mit den experimentellen Beobachtungen übereinstimmt. Es ermöglicht weiterhin die Zerlegung des Netzwerks in einzelne Zyklen, die die Bewegung des Motors für verschiedene Bereiche externer Kräfte erfassen. Durch die Erweiterung unseres Modells auf Markovprozesse mit absorbierenden Zuständen können so die Wartezeitenverteilungen für einzelne Zyklen des Motors analytisch berechnet werden. Sie erteilen Aufschluss über die Koordination des Motors und enthalten zudem direkte Informationen über seine Rückwärtsschritte, die experimentell nicht erfasst sind. Für das gesamte Netzwerk werden die Wartezeitenverteilungen mit Hilfe eines Gillespie-Algorithmus bestimmt. Unsere Theorie liefert eine einheitliche Beschreibung der Eigenschaften von Myosin V, die in Einzelmolekülexperimenten erfasst werden können.

Heterosis is defined as the superiority in performance of heterozygous genotypes compared to their corresponding genetically different homozygous parents. This phenomenon is already known since the beginning of the last century and it has been widely used in plant breeding, but the underlying genetic and molecular mechanisms are not well understood. In this work, a systems biological approach based on molecular network structures is proposed to contribute to the understanding of heterosis. Hybrids are likely to contain additional regulatory possibilities compared to their homozygous parents and, therefore, they may be able to correctly respond to a higher number of environmental challenges, which leads to a higher adaptability and, thus, the heterosis phenomenon. In the network hypothesis for heterosis, presented in this work, more regulatory interactions are expected in the molecular networks of the hybrids compared to the homozygous parents. Partial correlations were used to assess this difference in the global interaction structure of regulatory networks between the hybrids and the homozygous genotypes. This network hypothesis for heterosis was tested on metabolite profiles as well as gene expression data of the two parental Arabidopsis thaliana accessions C24 and Col-0 and their reciprocal crosses. These plants are known to show a heterosis effect in their biomass phenotype. The hypothesis was confirmed for mid-parent and best-parent heterosis for either hybrid of our experimental metabolite as well as gene expression data. It was shown that this result is influenced by the used cutoffs during the analyses. Too strict filtering resulted in sets of metabolites and genes for which the network hypothesis for heterosis does not hold true for either hybrid regarding mid-parent as well as best-parent heterosis. In an over-representation analysis, the genes that show the largest heterosis effects according to our network hypothesis were compared to genes of heterotic quantitative trait loci (QTL) regions. Separately for either hybrid regarding mid-parent as well as best-parent heterosis, a significantly larger overlap between the resulting gene lists of the two different approaches towards biomass heterosis was detected than expected by chance. This suggests that each heterotic QTL region contains many genes influencing biomass heterosis in the early development of Arabidopsis thaliana. Furthermore, this integrative analysis led to a confinement and an increased confidence in the group of candidate genes for biomass heterosis in Arabidopsis thaliana identified by both approaches. / Als Heterosis-Effekt wird die Überlegenheit in einem oder mehreren Leistungsmerkmalen (z.B. Blattgröße von Pflanzen) von heterozygoten (mischerbigen) Nachkommen über deren unterschiedlich homozygoten (reinerbigen) Eltern bezeichnet. Dieses Phänomen ist schon seit Beginn des letzten Jahrhunderts bekannt und wird weit verbreitet in der Pflanzenzucht genutzt. Trotzdem sind die genetischen und molekularen Grundlagen von Heterosis noch weitestgehend unbekannt. Es wird angenommen, dass heterozygote Individuen mehr regulatorische Möglichkeiten aufweisen als ihre homozygoten Eltern und sie somit auf eine größere Anzahl an wechselnden Umweltbedingungen richtig reagieren können. Diese erhöhte Anpassungsfähigkeit führt zum Heterosis-Effekt. In dieser Arbeit wird ein systembiologischer Ansatz, basierend auf molekularen Netzwerkstrukturen verfolgt, um zu einem besseren Verständnis von Heterosis beizutragen. Dazu wird eine Netzwerkhypothese für Heterosis vorgestellt, die vorhersagt, dass die heterozygoten Individuen, die Heterosis zeigen, mehr regulatorische Interaktionen in ihren molekularen Netzwerken aufweisen als die homozygoten Eltern. Partielle Korrelationen wurden verwendet, um diesen Unterschied in den globalen Interaktionsstrukturen zwischen den Heterozygoten und ihren homozygoten Eltern zu untersuchen. Die Netzwerkhypothese wurde anhand von Metabolit- und Genexpressionsdaten der beiden homozygoten Arabidopsis thaliana Pflanzenlinien C24 und Col-0 und deren wechselseitigen Kreuzungen getestet. Arabidopsis thaliana Pflanzen sind bekannt dafür, dass sie einen Heterosis-Effekt im Bezug auf ihre Biomasse zeigen. Die heterozygoten Pflanzen weisen bei gleichem Alter eine höhere Biomasse auf als die homozygoten Pflanzen. Die Netzwerkhypothese für Heterosis konnte sowohl im Bezug auf mid-parent Heterosis (Unterschied in der Leistung des Heterozygoten im Vergleich zum Mittelwert der Eltern) als auch auf best-parent Heterosis (Unterschied in der Leistung des Heterozygoten im Vergleich zum Besseren der Eltern) für beide Kreuzungen für die Metabolit- und Genexpressionsdaten bestätigt werden. In einer Überrepräsentations-Analyse wurden die Gene, für die die größte Veränderung in der Anzahl der regulatorischen Interaktionen, an denen sie vermutlich beteiligt sind, festgestellt wurde, mit den Genen aus einer quantitativ genetischen (QTL) Analyse von Biomasse-Heterosis in Arabidopsis thaliana verglichen. Die ermittelten Gene aus beiden Studien zeigen eine größere Überschneidung als durch Zufall erwartet. Das deutet darauf hin, dass jede identifizierte QTL-Region viele Gene, die den Biomasse-Heterosis-Effekt in Arabidopsis thaliana beeinflussen, enthält. Die Gene, die in den Ergebnislisten beider Analyseverfahren überlappen, können mit größerer Zuversicht als Kandidatengene für Biomasse-Heterosis in Arabidopsis thaliana betrachtet werden als die Ergebnisse von nur einer Studie.

The aim of this thesis is the quantum dynamical study of two examples of scanning tunneling microscope (STM)-controllable, Si(100)(2x1) surface-mounted switches of atomic and molecular scale. The first example considers the switching of single H-atoms between two dangling-bond chemisorption sites on a Si-dimer of the Si(100) surface (Grey et al., 1996). The second system examines the conformational switching of single 1,5-cyclooctadiene molecules chemisorbed on the Si(100) surface (Nacci et al., 2008). The temporal dynamics are provided by the propagation of the density matrix in time via an according set of equations of motion (EQM). The latter are based on the open-system density matrix theory in Lindblad form. First order perturbation theory is used to evaluate those transition rates between vibrational levels of the system part. In order to account for interactions with the surface phonons, two different dissipative models are used, namely the bilinear, harmonic and the Ohmic bath model. IET-induced vibrational transitions in the system are due to the dipole- and the resonance-mechanism. A single surface approach is used to study the influence of dipole scattering and resonance scattering in the below-threshold regime. Further, a second electronic surface was included to study the resonance-induced switching in the above-threshold regime. Static properties of the adsorbate, e.g., potentials and dipole function and potentials, are obtained from quantum chemistry and used within the established quantum dynamical models. / Die vorliegende Doktorarbeit befasst sich mit kleinsten schaltbaren Einheiten in Form des Moleküls Cyclooctadien (COD) und dem Wasserstoff-Atom, die chemisch fest mit einer Oberfläche aus kristallinem Silizium verbunden sind. Jeder dieser Schalter kann mittels einer winzigen Spitze, eines so genannten Rastertunnelmikroskops (RTM), von atomarem Durchmesser in zwei unterscheidbare und stabile Schaltpositionen gebracht werden. Dabei besteht das Schalten entweder in einer Änderung der Geometrie des molekularen Schalters oder im Brechen und Neu-knüpfen chemischer Bindungen. Dabei ist es entscheidend, dass durch die geringe Grösse dieser Schalter eine hohe Anzahl dieser Schalter auf einer Oberfläche deponiert werden können. Mit der in den Schaltern speicherbaren Informationen an oder aus, 0 oder 1 ließen sich sehr hohe Speicherkapazitäten erreichen. Vor einer Anwendung dieser Art ist es wichtig zunächst ein grundlegendes Verständnis der Schaltprozesse auf der Oberfläche zu gewinnen. Wenn alle wesentlichen Faktoren berücksichtigt wurden und der Mechanismus des Schaltens verstanden ist, kann das Ergebnis des Experiments mit Hilfe eines theoretischen Modells vorhergesagt werden. Für die Handhabbarkeit muss sich das theoretisches Modell auf wesentliche Einflüsse beschränken und diese so einfach wie möglich beschreiben. So wurde die simultane Bewegung der 12 Atome des COD in die Bewegung eines gemittelten Massenpunktes entlang von einer oder von zwei räumlichen Freiheitsgraden übersetzt. Dabei kann der Massenpunkt im klassischen Bild anschaulich als eine rollende Kugel beschrieben werden, die in einer Seite einer Doppelmulde gefangen ist. Die Kugel kann durch äußere Anregung zum Schwingen gebracht werden und schließlich über eine Barriere in die benachbarte Mulde schalten. Nun muss die Schwingung der Kugel gebremst werden, um ein Zurück-Schwingen der Kugel zu verhindern. Die Anregung erfolgt durch elektrische Ladungen die von der Spitze des RTM zur Oberfläche wandern oder durch eine schwingende, d.h. warme Oberfläche. Das Bremsen wird über die elastische Bindung zu einer kalten Oberfläche vermittelt. Um Quanteneffekte wie das Tunneln der Kugel durch die Barriere zu beschreiben wurde die Kugel durch ein Wellenpaket beschrieben und dessen Aufenthaltswahrscheinlichkeit in der Doppelmulde untersucht. Im Fall des Wasserstoffatoms war die experimentelle Prüfung des entworfenen Modells für ein Schalten bei starkem Strom leider nicht möglich. Für das COD Molekül konnte jedoch nicht nur die Übereinstimmung mit den experimentellen Befunden, sondern im Fall des Schaltens in Abhängigkeit der Oberflächentemperatur auch die Vorhersagefähigkeit des Modells unter Beweis gestellt werden.

Meningeome sind Tumore der Hirnhäute und stellen zirka 24-30% aller intrakraniellen Tumore dar. Obwohl sie in den meisten Fällen als solitär, langsam wachsend und benigne (WHO Grad 1) beschrieben werden, ist ihr ausgeprägtes Rezidivverhalten die größte Herausforderung in der Therapie. Bisherige Arbeiten verwendeten zur genetischen Analyse von Meningeomen meist Untersuchungstechniken mit eingeschränkter (molekular-)zytogenetischer Aussagekraft. Mit der Kombination der Methoden Giemsa-Bandendarstellung (GTG-Bänderung), Spektrale Karyotypisierung (SKY-Technik), Fluoreszenz in situ Hybridisierungstechniken (FISH-Analyse) und molekulare Karyotypisierung unter Verwendung von 100K beziehungsweise 6.0 SNP-Arrays (SNP-A Karyotypisierung) sollte es möglich sein, in effizienterer Form bislang unentdeckte chromosomale Aberrationen zu identifizieren und weiterführende tumormechanistische Hinweise zu erhalten. In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst ein multipel aufgetretenes Meningeom mit zwei Tumoren unterschiedlicher Malignität (1 WHO Grad 1; 1 WHO Grad 2) analysiert, anschließend erfolgte die Untersuchung einer Gruppe von 10 Meningeomen (5 WHO Grad 1; 5 WHO Grad 2). Bisher nicht beschriebene Aberrationen wie ein dizentrisches Chromosomen 4, die parazentrische Inversion im chromosomalen Bereich 1p36 und die balancierte reziproke Translokation t(4;10)(q12;q26) wurden detektiert. Die genomweite SNP-A Karyotypisierung ermöglichte neben der genaueren Betrachtung der zytogenetischen Ergebnisse die simultane Analyse von Blut und Tumor-DNA der Patienten und lieferte Hinweise auf konstitutionelle Aberrationen. Es zeigte sich eine signifikante Anreicherung von rekurrenten Regionen kopienneutraler Verluste der Heterozygotie als Hinweis auf das Vorliegen potenzieller segmentaler Uniparentaler Disomie (UPD) jeweils in Blut und Tumor der Patienten. Außerdem wurden nur im Tumor befindliche potentielle rekurrente segmentale UPD Regionen detektiert. Die weitere Analyse der konstitutionellen sowie somatischen segmentalen UPD hinsichtlich ihrer Rolle im Rahmen der Tumorgenese ist eine wichtige Aufgabe für die Zukunft.

Tuberculosis is a major public health problem in Ethiopia. The aims of this study were (i) to investigate the recovery rate of M. tuberculosis from smear positive single morning sputum specimens subjected to long-term storage at -20°C, (ii) to assess the level and risk factors for first- and second-line anti-TB drug resistance, (iii) to evaluate the performance of the GenoType®MTBDRplus and GenoType®MTBDRsl assays for drug susceptibility testing compared to the BacT/ALERT 3D system as reference method, (iv) to analyze the frequency of gene mutations associated with resistance to isoniazid (INH), rifampicin (RMP) and ethambutol (EMB) among M. tuberculosis isolates, and (v) to study the population structure and transmission dynamics of M. tuberculosis isolates from patients in Amhara region, Northwest Ethiopia. The median specimen storage time was 132 days. Of 319 specimens, 90.0% were culture positive. The length of time of sputum storage had no significant effect on the recovery rate of M. tuberculosis. Of 260 M. tuberculosis isolates, 15.8% were resistant to at least one first-line drug, 5.0% were multidrug resistant (MDR) and 3.5% were resistant to all first-line drugs. Any resistance to INH, RMP, streptomycin (STM), EMB and pyrazinamide (PZA) was 13.8%, 5.8%, 10.0%, 7.3% and 4.6%, respectively. All isolates were susceptible to second-line drugs. The GenoType®MTBDRplus assay had a sensitivity of 92% and specificity of 99% to detect INH resistance, and 100% sensitivity and specificity to detect RMP resistance and MDR. The GenoType®MTBDRsl assay had a sensitivity of 42% and specificity of 100% to detect EMB resistance. According to the molecular methods, mutations conferring resistance to INH, RMP, or EMB were detected in 13.5%, 5.8%, and 3.1% of the isolates, respectively, while mutation conferring MDR was present in 5.0% of the isolates. Of 244 M. tuberculosis isolates, 59.0% were classified as known lineages; Dehli/CAS (38.9%), Haarlem (8.6%), Ural (3.3%), LAM (3.3%), TUR (2.0%), X-type (1.2%), S-type (0.8%), Beijing (0.4%) and Uganda II (0.4%) lineage. Interestingly, 31.6% of the isolates were grouped in to four previously undefined phylogenetic lineages and were named as Ethiopia_3 (13.1%), Ethiopia_1 (7.8%), Ethiopia_H37Rv like (7.0%) and Ethiopia_2 (3.7%) lineages. The remaining 9.4% of the isolates could not be assigned to the known or new lineages. Overall, 45.1% of the isolates were grouped in clusters, indicating high rate of recent transmission. Similarly, 66.7% of MDR strains were grouped in clusters.

<P>Modern biological analysis techniques supply scientists with various forms of data. One category of such data are the so called "expression data". These data indicate the quantities of biochemical compounds present in tissue samples.</P> <P>Recently, expression data can be generated at a high speed. This leads in turn to amounts of data no longer analysable by classical statistical techniques. Systems biology is the new field that focuses on the modelling of this information.</P> <P>At present, various methods are used for this purpose. One superordinate class of these meth­ods is machine learning. Methods of this kind had, until recently, predominantly been used for classification and prediction tasks. This neglected a powerful secondary benefit: the ability to induce interpretable models.</P> <P>Obtaining such models from data has become a key issue within Systems biology. Numerous approaches have been proposed and intensively discussed. This thesis focuses on the examination and exploitation of one basic technique: decision trees.</P> <P>The concept of comparing sets of decision trees is developed. This method offers the pos­sibility of identifying significant thresholds in continuous or discrete valued attributes through their corresponding set of decision trees. Finding significant thresholds in attributes is a means of identifying states in living organisms. Knowing about states is an invaluable clue to the un­derstanding of dynamic processes in organisms. Applied to metabolite concentration data, the proposed method was able to identify states which were not found with conventional techniques for threshold extraction.</P> <P>A second approach exploits the structure of sets of decision trees for the discovery of com­binatorial dependencies between attributes. Previous work on this issue has focused either on expensive computational methods or the interpretation of single decision trees ­ a very limited exploitation of the data. This has led to incomplete or unstable results. That is why a new method is developed that uses sets of decision trees to overcome these limitations.</P> <P>Both the introduced methods are available as software tools. They can be applied consecu­tively or separately. That way they make up a package of analytical tools that usefully supplement existing methods.</P> <P>By means of these tools, the newly introduced methods were able to confirm existing knowl­edge and to suggest interesting and new relationships between metabolites.</P> / <P>Neuere biologische Analysetechniken liefern Forschern verschiedenste Arten von Daten. Eine Art dieser Daten sind die so genannten "Expressionsdaten". Sie geben die Konzentrationen biochemischer Inhaltsstoffe in Gewebeproben an.<P> <P>Neuerdings können Expressionsdaten sehr schnell erzeugt werden. Das führt wiederum zu so großen Datenmengen, dass sie nicht mehr mit klassischen statistischen Verfahren analysiert werden können. "System biology" ist eine neue Disziplin, die sich mit der Modellierung solcher Information befasst.</P> <P>Zur Zeit werden dazu verschiedenste Methoden benutzt. Eine Superklasse dieser Methoden ist das maschinelle Lernen. Dieses wurde bis vor kurzem ausschließlich zum Klassifizieren und zum Vorhersagen genutzt. Dabei wurde eine wichtige zweite Eigenschaft vernachlässigt, nämlich die Möglichkeit zum Erlernen von interpretierbaren Modellen.</P> <P>Die Erstellung solcher Modelle hat mittlerweile eine Schlüsselrolle in der "Systems biology" erlangt. Es sind bereits zahlreiche Methoden dazu vorgeschlagen und diskutiert worden. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung und Nutzung einer ganz grundlegenden Technik: den Entscheidungsbäumen.</P> <P>Zunächst wird ein Konzept zum Vergleich von Baummengen entwickelt, welches das Erkennen bedeutsamer Schwellwerte in reellwertigen Daten anhand ihrer zugehörigen Entscheidungswälder ermöglicht. Das Erkennen solcher Schwellwerte dient dem Verständnis von dynamischen Abläufen in lebenden Organismen. Bei der Anwendung dieser Technik auf metabolische Konzentrationsdaten wurden bereits Zustände erkannt, die nicht mit herkömmlichen Techniken entdeckt werden konnten.</P> <P>Ein zweiter Ansatz befasst sich mit der Auswertung der Struktur von Entscheidungswäldern zur Entdeckung von kombinatorischen Abhängigkeiten zwischen Attributen. Bisherige Arbeiten hierzu befassten sich vornehmlich mit rechenintensiven Verfahren oder mit einzelnen Entscheidungsbäumen, eine sehr eingeschränkte Ausbeutung der Daten. Das führte dann entweder zu unvollständigen oder instabilen Ergebnissen. Darum wird hier eine Methode entwickelt, die Mengen von Entscheidungsbäumen nutzt, um diese Beschränkungen zu überwinden.</P> <P>Beide vorgestellten Verfahren gibt es als Werkzeuge für den Computer, die entweder hintereinander oder einzeln verwendet werden können. Auf diese Weise stellen sie eine sinnvolle Ergänzung zu vorhandenen Analyswerkzeugen dar.</P> <P>Mit Hilfe der bereitgestellten Software war es möglich, bekanntes Wissen zu bestätigen und interessante neue Zusammenhänge im Stoffwechsel von Pflanzen aufzuzeigen.</P>