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.

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.

In der vorliegenden Arbeit konnte neben zwei Syntheserouten für neuartige Eninsubstrate auch eine eisenkatalysierte Cycloisomerisierung von Indoylinonen entwickelt werden. Die Methode zeichnet sich neben ihrer Nachhaltigkeit dadurch aus, dass anhand der Temperatur oder des verwendeten Lösemittels zwischen den entstehenden Produktklassen, Spiroindolenine und Chinoline, differenziert werden kann. Über die gewünschten Produkte hinaus konnten ein Tetrahydrocarbazolon, Oxindol sowie ein Indol-Derivat synthetisiert werden. Aufbauend darauf ließ sich in ersten Studien erfolgreich belegen, dass eine modifizierte Variante der entwickelten eisenkatalysirten Cycloisomerisierung in der Totalsynthese des Indol-Alkaloids Welwitindolinon A angewendet werden kann. Im Bereich der Komplexentwicklung wurden Eisendiazokomplexe mit diversern elektronenschiebenden und -ziehenden dargestellt. Dabei konnte festgestellt werden, dass das Koordinationsverhalten des Diazo-Liganden durch verschiedene Komponenten beeinflussbar ist. Dies konnte durch diverse spektroskopische Methoden, wie z.B. MÖSSBAUER oder XAS, plausibilisiert werden. Mit der selektiven Nitro-Reduktion in Anwesenheit eines Epoxids und unmittelbar folgender Indolbildung, war zudem ein erstes Anwendungsbeispiel für die beschriebenen Eisendiazokomplexe gefunden. Zusätzlich deuten erste Hinweise darauf hin, dass zwei Diazo-Analoga zu dem kationischen Eisenkomplex [Fe(CO)(NO)(PPh3)2][BF4] synthetisiert werden konnten. Im zweiten Teil der Arbeit konnte erfolgreich ein Baukastensystem, bestehend aus Material, „Spacer“ und Komplex, entwickelt werden um mittels CLICK-CHEMIE molekulare heterogene Katalysatorsysteme nachhaltig aufzubauen. Die entworfenen Systeme sowie die präsentierte Methode zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine reaktionsbezogene Optimierung mit nur geringem präparativen Aufwand ermöglichen. Ihre Anwendung in der Katalyse konnte in zwei unterschiedlichen Transformationen erfolgreich nachgewiesen werden. Neben der Erhöhung der Ausbeute konnte exemplarisch eine erste C–H-Aminierung in einem molekularen heterogenen Katalysatorsystem mit definierten, dirigierenden Geometrien durchgeführt werden. Gleichzeitig erlaubt das entwickelte Konzept die Recyclierbarkeit des Katalysators mit lediglich marginalen Ausbeuteverlusten, was was in Bezug auf die Ruthenium-Komlexe ein hohes Maß an Nachhaltigkeit sicherstellt. Außerdem konnten die ersten beiden Eisendiazokomplexe mit einer Alkin-Einheit modifiziert und anschließend in dem Porensystem eines SBA15-Materials immobilisiert werden. Somit stehen erste Eisenkomplexe für die Anwendung in der molekularen heterogenen Katalyse in definierten, dirigierenden Geometrien zur Verfügung.:I. THEORETISCHER TEIL ...................................................................................... 1 1 Einleitung .................................................................................. 2 Nachhaltigkeit in der Chemie .................................................... 2 2 Problemstellung ...................................................................................... 6 3 Eisenkatalysierte Cycloisomerisierung in der Naturstoffsynthese ........................... 8 Einführung ...................................................................................................................8 3.1.1 Eisenkatalysierte Cycloisomerisierungen ......................................................... 8 3.1.2 Monoterpenoide (iridoide) Indolalkaloide ........................................................ 10 3.1.3 Retrosynthese der 1. Generation zum Aufbau des 6,4-bicylischen Gerüsts ... 11 Aufbau des Welwitindolinones A 2 über die Bildung des 6,4-bicyclischen Gerüsts 12 3.2.1 Studien zum Aufbau des Katalysesubstrats 30 ausgehend von Cyclopentadien 34 und Methylcyclopentadien.................................................................................... 12 3.2.2 Studien zum Aufbau des Katalysesubstrats 30 ausgehend von 2-Methyl-3- butennitril 42 ............................................................................................................ 13 3.2.3 Studien zum Aufbau des Modellsubstrats 57 mit terminaler Doppelbindung .. 15 3.2.4 Studien zum Aufbau des Modellsubstrats 82 mit dimethylierter Doppelbindung 18 3.2.5 Eisenkatalysierte Cycloisomerisierung der Katalysesubstrate 57 und 82 ....... 21 Alternative Retrosynthese zum Aufbau des Welwitindolinones A 2 über die Bildung des Spirooxindol-Gerüsts..........................................................................................22 3.3.1 Vorversuche zur eisenkatalysierten Cyclosisomerisierung verschiedener Indoylinone ............................................................................................................... 24 3.3.2 Optimierung der Reaktionsparameter ............................................................. 26 3.3.3 Substratsynthese ............................................................................................. 32 3.3.4 Untersuchung des Substratspektrums ............................................................ 38 3.3.4.1 Reaktionsbedingungen zur Bildung der Spirocyclen .................................. 38 3.3.4.2 Reaktionsbedingungen zur Synthese der Chinoline ................................... 44 3.3.4.3 Mechanistische Untersuchungen ................................................................ 48 3.3.5 Anwendung der entwickelten eisenkatalysierten Cycloisomerisierung in der Synthese des Welwitindolinons A 2 .......................................................................... 52 Zusammenfassung ................................................................................................... 54 4 Schaltbare kationische Eisenkomplexe für Anwendungen in der Katalyse ........... 56 Einführung................................................................................................................. 56 Vom Eisenpentacarbonyl über die „end-on“- zur „side-on“-Struktur ....................... 58 Studien zur Synthese des Diazo-Analogons des kationischen Nitrosyl-Komplexes 1 67 Erste Anwendungsversuche der Eisendiazokomplexe ............................................ 71 Zusammenfassung ................................................................................................... 74 5 Molekulare heterogene Katalyse in definierten, dirigierenden Geometrien ........... 76 Einführung................................................................................................................. 76 5.1.1 Konzept der molekulare heterogene Katalyse in definierten, dirigierenden Geometrien ............................................................................................................... 76 5.1.2 Transferhydrierung: Wasserstoff-Autotransferkatalyse/“Borrowing-Hydrogen“ 78 Darstellung des Ru(NNNN)-Komplexes 284 und des Alkin-modifizierten Ru(NNNN)*-Komplexes 294 .................................................................................... 80 Studien zur Darstellung der „Spacer“-Moleküle 315, 316, 317 und 333 .................. 82 Darstellung diverser Ru(NNNN)*SpacerX- und Ru(NNNN)*SpacerX*Ph-Einheiten 86 Studien zum mesoporösen Silica-Material .............................................................. 89 5.5.1 Einführung........................................................................................................ 89 5.5.2 Studien zur Darstellung der Kopfgruppen ....................................................... 91 5.5.3 Studien zur Darstellung des Materials und Charakterisierung des synthetisierten SBA-15-N3 -Material........................................................................ 92 5.5.4 Studien zu der Immobilisierung der Rutheniumkomplexe und der Defunktionalisierung der äußeren Oberfläche ........................................................ 101 5.5.4.1 Einführung ................................................................................................. 101 5.5.4.2 Studien zu der Immobilisierung der Rutheniumkomplexe........................ 102 5.5.4.3 Studien zum „Capping“ der Materialoberfläche ....................................... 107 5.5.4.4 Studien zur Adsorption/Diffusion ............................................................. 110 Ruthenium-basierte Katalysen ................................................................................113 5.6.1 Erste Studien zur Wasserstoff-Autotransferkatalyse nach W EICKMANN .... 113 5.6.2 Homogene Transferhydrierung ...................................................................... 115 5.6.3 Molekulare heterogene Transferhydrierung in definierten, dirigierenden Geometrien ............................................................................................................. 118 5.6.4 Ergänzende Studien zur Wasserstoff-Autotransferkatalyse .......................... 133 5.6.4.1 Studien zum Kondensationsschritt und Kinetik-Studien der Wasserstoff- Autotransferkatalyse ............................................................................................... 133 5.6.4.2 Studien zum besseren Verständnis der mangelnden Reaktivität der Wasserstoff-Autotransferhydrierung im molekularn heterogenen Fall ................... 137 Molekulare heterogene C–H-Aminierung in definierten, dirigierenden Geometrien 140 Immobilisierung der Eisendiazokomplexe.............................................................. 142 5.8.1 MÖSSBAUER -Studien und Berechnungen zur Aufklärung der Koordinationssituation der Eisendiazokomplexe .................................................... 144 5.8.2 EXAFS- und XANES-Analysen zur Aufklärung der Koordinationssituation der Eisendiazokomplexe .............................................................................................. 147 Zusammenfassung...................................................................................................154 6 Zusammenfassung und Ausblick ......................................................................... 158 II. EXPERIMENTELLER T EIL ............................................................................... 168 7 Allgemeine Angaben ............................................................................................ 169 8 Eisenkatalysierte Cycloisomerisierung in der Naturstoffsynthese ....................... 180 9 Schaltbare kationische Eisenkomplexe für Anwendungen in der Katalyse ......... 267 10 Molekulare heterogene Katalyse in definierten, dirigierenden Geometrien ....... 281 Literaturverzeichnis................................................................................................. 340 Röntgenstrukturanalysen ....................................................................................... 348 Laborjournalnummern/Spektrenbezeichnungen .................................................... 384

Das tropische Südostasien, und besonders der Indo-Australische Archipel, ist bekannt für seine bemerkenswerte floristische und faunistische Diversität, besonders konzentriert in vier der identifizierten Biodiversitäts-Hotspots (Indochina, Sundaland, die Philippinen und Wallacea). In dieser Arbeit wird die biogeographische Geschichte Südostasiens beleuchtet, um Regionen mit einer erhöhten Biodiversität zu identifizieren und zu testen, ob dies mit Diversifikationen innerhalb der Region und Einwanderungen und/oder Auswanderungen korreliert und ob sich diese Faktoren über die Zeit hinweg ausgleichen. Ein besonderer Augenmerk wird auf Sulawesi und seine besondere Fauna gelegt, um zu testen, ob ein Ursprung durch Vikarianz für verschiedene Tiergruppen plausibel erscheint und wann Diversifikationen innerhalb der Fisch- und Schnecken-Radiationen im Malili-Seensystem begannen. Dabei wird auf Meta-Analysen und mehrere Disziplinen zurückgegriffen für eine integrative biogeographische Geschichte Südoastasiens und seiner Fauna, indem molekulare Uhr-Analysen, Berechnungen zur Ermittlung des Ursprungsortes mit tektonischen, paläogeographischen und klimatischen Rekonstruktionen verbunden werden, um potentielle Ursachen für die heutige Verbreitung zu finden. / Tropical Southeast Asia, and particularly the Indo-Australian Archipelago, is known for its tremendous floral and faunal biodiversity, mainly accumulated in four of the world’s biodiversity hotspots identified (Indochina, Sundaland, the Philippines, and Wallacea). Here, Southeast Asia’s biogeographic history is examined to identify areas being characterized by high levels of biodiversity (number of lineages, species richness) through time and to test whether the respective biota is mainly due to in situ diversification, immigration and/or emigration, or equilibrium dynamics. Moreover, this thesis focuses particularly on Sulawesi and its peculiar fauna to test if a vicariant origin appears plausible for certain groups and when the remarkable fish and snail radiations found in the Malili Lakes system started to diversify. To achieve this, meta-analytical and multi-disciplinary approaches are considered for an integrative historical biogeographic history of Southeast Asia and its biota by using molecular clock analyses and ancestral area estimations together with tectonic, palaeogeographic and climatic reconstructions to reveal potential causes for present-day distribution.

Die molekulare Elektronik setzt sich zum Ziel, passive und aktive Bausteine in integrierten Schaltkreisen auf molekularer Ebene zu realisieren. Dabei ist entscheidend, dass sich der elektrische Leitwert der molekularen Bauelemente hinreichend regulieren lässt. Um zu belegen, dass dies möglich ist, wird in dieser Dissertation die gezielte Leitwertkontrolle einzelner über Nanoelektroden kontaktierter Moleküle nachgewiesen. Die erzielten Ergebnisse ergänzen dabei nahtlos aktuellste Studien. Zum einen werden kontaktierte molekulare Schalter durch Bestrahlung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge in-situ von einem nicht-leitenden in einen leitenden Zustand geschaltet, wobei der Einfluss unterschiedlicher Seitengruppen für eine zusätzliche Modifikation des Leitwerts sorgt. Ausschlaggebend ist hierbei die elektronische Anbindung des Moleküls an die Elektroden. Zum anderen werden Molekül-Metall-Komplexe durch die Einbindung eines Übergangsmetallions von einem isolierenden in einen leitenden Zustand versetzt. In diesem Fall lässt sich der leitende Zustand durch die Wahl des Ions innerhalb einer Größenordnung variieren, was eine völlig neue Möglichkeit der Leitwertkontrolle in molekularen Bausteinen darstellt. Das Ion bestimmt dabei sowohl die mechanische Stabilität als auch die elektronische Struktur des Moleküls. Für die Kontaktierung einzelner Moleküle kommt die Technik des mechanisch kontrollierten Bruchkontakts zum Einsatz. So lassen sich feine Goldnanoelektroden herstellen, an die Moleküle anbinden. Um eine präzise Analyse durchzuführen, werden über zwei unabhängige Messstrategien Informationen über das elektrische Transportverhalten sowie über die elektronische Struktur der Moleküle erworben. In dieser Arbeit sind echte Neuentwicklungen auf dem Gebiet der molekularen Elektronik gelungen, die einen wesentlichen Beitrag für die Umsetzung integrierter molekularer Schaltkreise leisten.

Polyzyklische organische Moleküle und deren Derivate sind eine Klasse von Nanostrukturen, die wegen diverser möglicher Anwendungen in molekularer und organischer Elektronik viel Aufmerksamkeit in der Wissenschaft erregt haben. Um ihre einzigartigen Eigenschaften in vollem Umfang auszunutzen, muss man das Verhalten von molekularen Systemen auf der Nanoskala verstehen und eine Reihe von Herstellungsverfahren entwickeln. In dieser Arbeit werden molekulare Nanostrukturen durch den Bottom-Up-Ansatz der Oberflächensynthese erzeugt. Als Untersuchungsmethode gilt Rastertunnelmikroskopie (STM) bei tiefen Temperaturen und im Ultrahochvakuum als Werkzeug der Wahl. Drei verschiedene molekulare Systeme werden ausführlich erforscht, mit dem Ziel organische Nanostrukturen mit gewünschten Eigenschaften und atomarer Präzision zu erzeugen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird eine Cyclodehydrierungsreaktion erfolgreich für die Synthese von asymmetrischen Starphen verwendet. Es wird dann gezeigt, dass dieses Molekül als unimolekulares NAND-Logikgatter fungieren kann. Dabei wird die Positionierungsänderung der elektronischen Resonanz nach der Zufügung einzelner Goldatome an die Inputs des Moleküls gemessen. Eine Kombination aus atomarer und molekularer Lateralmanipulation mithilfe der Spitze des Rastertunnelmikroskops sowie Rastertunnelspektroskopie wird verwendet, um dieses Verhalten zu demonstrieren. Die steuerbare Verschiebung von molekularen Resonanzen entsteht wegen der asymmetrischen Form des Starphens und wurde theoretisch vorhergesagt. Molekulare Drähte werden im zweiten Teil der Arbeit durch die oberflächenassistierte Ullmann-Kupplung hergestellt. Ihr Baustein besteht aus abwechselnden Donor- und Akzeptorgruppen und wurde speziell vorgesehen, um leitfähige flexible molekulare Drähte herzustellen. Die Leitfähigkeit wird durch Ziehen einzelner Drähten von der Oberflächen mit der STM-Spitze gemessen. Theoretische Berechnungen der komplexen Bandstruktur der molekularen Drähte bestätigen die experimentellen Ergebnisse und unterstützen dabei die Wichtigkeit der Balance zwischen Akzeptor- und Donorgruppen für die Leitfähigkeit der Drähte. Basierend auf diesen Resultaten werden neue Strukturen zur Herstellung vorgeschlagen. Der letzte Teil befasst sich schließlich mit einer unimolekularen Reaktion, die zur Erzeugung einer anomalen Kombination von Pentagon- und Heptagonringen in einem einzelnen organischen Molekül führt. Solche 5-7-Einheiten sind analog zu Stone-Wales-Defekten in Graphen und können elektronische Eigenschaften beachtlich ändern. Die exakte intramolekulare Struktur der Reaktionsprodukte wird durch hochauflösende STM-Bildgebung mit funktionalisierter Spitze eindeutig zugeordnet und zusätzlich durch DFT-Rechnungen bestätigt. / Polycyclic organic molecules and their derivatives present the class of nanostructures that are currently in the focus of scientific research due to their perspectives for the versatile applications in molecular and organic electronics. To exploit their unique properties to full extent, one has to understand the behavior of molecular systems at the nanoscale and to develop a set of fabrication methods. In this work, molecular nanostructures are fabricated using the bottom-up on-surface synthesis approach, which allows precision of the desired products and control over their properties through careful precursors design. To study the reaction flow and the properties of the formed structures, scanning tunneling microscopy (STM) at low temperature and in ultra-high vacuum is the tool of choice. In this work, three molecular systems are studied in detail, with the focus of fabricating atomically precise nanostructures with tailored properties. A cyclodehydrogenation reaction is successfully applied to synthesize an asymmetric starphene molecule in the first part of the work. It is then shown that this molecule can function as a unimolecular NAND logic gate with its response to the attached single Au atoms measured as the position of the electronic resonance. A combination of the atomic and molecular lateral manipulation with the STM tip and scanning tunneling spectroscopy (STS) is used to demonstrate this behavior. The effect of the controllable shifting of the molecular resonances is due to the asymmetric shape of the starphene molecule and was initially predicted theoretically. More complex structures, molecular wires, are presented in the second part of the work by using the surface-assisted Ullmann coupling reaction. The monomer unit, consisting of the alternant donor and acceptor parts, was specifically designed to achieve highly-conductive flexible molecular wires. The conductance is measured by pulling the single wires with the STM tip off the surface. Theoretical calculations of the complex band structure of the wires confirm the obtained results and support the discussion of the importance of the balance between the strength of acceptor and donor units for the conductance of the resultant wires. Based on this, some model structures are proposed. Finally, the last part deals with a unimolecular reaction to create an anomalous combination of pentagon and heptagon rings in a single organic molecule. Such 5-7 moieties are analogous to the Stone-Wales defects in graphene and may significantly alter the electronic properties. The precise intramolecular structure of the reaction products is unambiguously assigned by high-resolution STM imaging with functionalized tips and further confirmed by DFT calculations.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es ein Molekül zu finden und mittels hochauflösender Techniken zu untersuchen, das auf passivierten Halbleiteroberflächen als Schalter in atomaren Schaltkreisen wirken kann. Für diesen Zweck stehen Moleküle zur Verfügung, die aus mindestens einem aromatischen Ring und einer Ankergruppe bestehen, die kovalent auf Silizium bindet. Um einzelne Moleküle auf leitenden Substraten zu untersuchen, hat sich die Nutzung eines Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskops (low-temperature scanning tunneling microscope, LT-STM) als geeignetes Werkzeug erwiesen. Zum Einen ist damit die topographische und spektroskopische Charakterisierung von leitenden Proben auf atomarer Ebene möglich, zum Anderen können einzelne Moleküle und Nanostrukturen hochpräzise bewegt oder elektrisch angesprochen werden. Atomare Schaltkreise können besonders präzise auf passivierten Halbleiteroberflächen hergestellt werden. So ist es zum Beispiel möglich, eine Reihe Wasserstoffatome gezielt mit Hilfe einer STM-Spitze von der Oberfläche zu desorbieren. Durch die Überlappung der dann freien Orbitale entstehen, je nach Richtung auf der Oberfläche, atomare Drähte mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften. Da die Drähte empfindlich hinsichtlich ihrer chemischen Umgebung sind, können diese auch als logische Schaltelemente verwendet werden. Dafür werden die Drähte mit einzelnen Molekülen angesteuert. Geeignete Schaltmoleküle wurden zunächst auf der Au(111)-Oberfläche getestet. Dabei konnten grundlegende und interessante Eigenschaften von selbst-assemblierten Strukturen untersucht werden. Am Modellsystem von nicht-kovalent gebundenen 4-Acetylbiphenyl-Nanostrukturen auf Gold (111) wurde eine neue Methode entwickelt diese Molekülgruppen behutsam zu bewegen. Durch Anlegen eines Spannungspulses auf den Nanostrukturen konnten diese auf der Oberfläche über weite Strecken gezielt und ohne Beeinflussung der internen Struktur positioniert werden. Um Moleküle für zukünftige elektronische Anwendungen zu untersuchen wurde zunächst das Verfahren zur Präparation von sauberen Siliziumoberflächen in die hier verwendeten Anlage implementiert. Es konnten reproduzierbar saubere, (2×1) rekonstruierte Si(100)- Oberflächen präpariert und charakterisiert werden. Nach der erfolgreichen Präparation von Silizium-Oberflächen und der Entwicklung geeigneter Präparationsrezepte für das Schalter-Molekül 4-Acetylbiphenyl (ABP) wurden beide Systeme vereint. Das Molekül konnte erfolgreich auf die Silizium(100)-Oberfläche aufgebracht und die native Adsorptionskonfiguration durch das Anlegen von Spannungspulsen geändert werden. Das Schalten zwischen zwei Konfigurationen ist reproduzierbar und umkehrbar. ABP ist somit der erste umkehrbare molekulare Schalter, der jemals auf Silizium realisiert werden konnte. Bei der Untersuchung technomimetischer Moleküle in Radachsen-Form konnte bisher die Rollbewegung nur anhand der Analyse der Manipulationskurven nachvollzogen und belegt werden. In dieser Arbeit wurde das Rollen eines Nano-Radmoleküls bewiesen. Dazu wurde bei der Synthese in einem Teil der Subphthalocyanin-Räder eine Markierung in Form eines Stickstoffatoms gesetzt. Bei der lateralen Manipulation der Räder auf Gold(111) konnte dann durch Vergleich der STM-Bilder die Markierung verfolgt und darauf geschlossen werden, ob das Rad gerollt oder verschoben wurde. / The aim of this thesis is the investigation of switching properties of single organic molecules, which can be used as molecular latches on a passivated silicon surface. Suitable molecules should be composed of an anchor group that can bind covalently to the silicon surface as well as an aromatic ring for the latching effect. For the imaging as well as the manipulation of single molecules on conductive substrates, a low-temperature scanning tunneling microscope, LT-STM, is a versatile and powerful tool. On the one hand, STM provides topographical and spectroscopic characterization of single molecules on conductive surfaces at the atomic level. On the other hand, under the tip of a STM single molecules and nanostructures can be moved with atomic precision or can be addressed by voltage pulses. Moreover, by STM it is possible to build atomic-scale circuits on passivated semiconducting surfaces as silicon (100). The STM tip is used to extract single hydrogen atoms from the surface to built atomic wires. As the orbitals of the depassivated dangling bonds of the silicon surface overlap differently depending on the direction of the wire in reference to the surface reconstruction, the electrical properties of the wires differ. Moreover, the properties of the wires vary depending on the chemical environment. Taking advantage of these characteristics, the atomic wires can be used as atomic-scale logic elements. However, to bring the input signal to a single logic element, latches are required to controllably passivate and depassivate single dangling-bond pairs. During preliminary studies on possible molecular latches, interesting experiments could be performed on 4-acetylbiphenyl (ABP) on Au(111). The molecules self assemble in non-covalently bond groups of three or four molecules. These groups can be moved controllably by applying voltage pulses on top of the supramolecular structure. The manipulation is possible over long ranges and without losing the internal structure of the assemblies. For the investigation of promising candidates for future molecular electronics on silicon, a preparation procedure tailored to the used UHV machine was developed. During this process, clean (2×1) reconstructed Si(100) surfaces could be prepared reproducibly and were characterized by means of STM imaging and spectroscopy. Switches are essential for electronic circuitry, on macroscopic as well as microscopic level. For the implementation of molecular devices on silicon, ABP is a promising candidate for a latch. In this thesis, ABP was successfully deposited on Si(100) and was switched by applying voltage pulses on top of the molecule. Two stable conformations were found and switching was realized reproducibly and reversibly. In the last part of this work, the rolling of a double-wheel technomimetic molecule was demonstrated. This thesis shows the rolling of a nanowheel on Au(111) as opposed to pushing, pulling or sliding. For this, the subphthalocyanine wheels were tagged by nitrogen during their synthesis. As this tag has different electronic properties than the rest of the wheel, it can be monitored in the STM images. By comparing the images before and after the manipulation the position of the tag proves the actual rolling.

Die molekulare Elektronik setzt sich zum Ziel, passive und aktive Bausteine in integrierten Schaltkreisen auf molekularer Ebene zu realisieren. Dabei ist entscheidend, dass sich der elektrische Leitwert der molekularen Bauelemente hinreichend regulieren lässt. Um zu belegen, dass dies möglich ist, wird in dieser Dissertation die gezielte Leitwertkontrolle einzelner über Nanoelektroden kontaktierter Moleküle nachgewiesen. Die erzielten Ergebnisse ergänzen dabei nahtlos aktuellste Studien. Zum einen werden kontaktierte molekulare Schalter durch Bestrahlung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge in-situ von einem nicht-leitenden in einen leitenden Zustand geschaltet, wobei der Einfluss unterschiedlicher Seitengruppen für eine zusätzliche Modifikation des Leitwerts sorgt. Ausschlaggebend ist hierbei die elektronische Anbindung des Moleküls an die Elektroden. Zum anderen werden Molekül-Metall-Komplexe durch die Einbindung eines Übergangsmetallions von einem isolierenden in einen leitenden Zustand versetzt. In diesem Fall lässt sich der leitende Zustand durch die Wahl des Ions innerhalb einer Größenordnung variieren, was eine völlig neue Möglichkeit der Leitwertkontrolle in molekularen Bausteinen darstellt. Das Ion bestimmt dabei sowohl die mechanische Stabilität als auch die elektronische Struktur des Moleküls. Für die Kontaktierung einzelner Moleküle kommt die Technik des mechanisch kontrollierten Bruchkontakts zum Einsatz. So lassen sich feine Goldnanoelektroden herstellen, an die Moleküle anbinden. Um eine präzise Analyse durchzuführen, werden über zwei unabhängige Messstrategien Informationen über das elektrische Transportverhalten sowie über die elektronische Struktur der Moleküle erworben. In dieser Arbeit sind echte Neuentwicklungen auf dem Gebiet der molekularen Elektronik gelungen, die einen wesentlichen Beitrag für die Umsetzung integrierter molekularer Schaltkreise leisten.

Bone Morphogenetic Proteins (BMPs) are secreted multifunctional signaling proteins that play an important role during development, maintenance and regeneration of tissues and organs in almost all vertebrates and invertebrates. BMPs transmit their signals by binding to two types of serine-/threonine-kinase receptors. BMPs bind first to their high affinity receptor, thereby recruiting their low affinity receptor into the complex. This receptor assembly starts a Smad (Small mothers against decapentaplegic) protein signaling cascade which regulates the transcription of responsive genes. Up to date, only seven type I and five type II receptors are known for more than 30 ligands. Therefore, many BMP ligands can recruit more than one receptor subtype. Vice versa, receptors can bind to several ligands, indicating a highly promiscuous ligand-receptor interaction. This raises the following questions: (i) How are BMPs able to induce ligand-specific signals, despite forming complexes with identical receptor composition and (ii) how are they able to recognize and bind various binding partners in a highly specific manner. From the ligand’s point of view, heterodimeric BMPs are valuable tools for studying the interplay between different sets of receptors, thereby providing new insights into how the various BMP signals can be generated. This study describes the expression and purification of the heterodimers BMP-2/6 and -2/7 from E.coli cells. BIAcore interaction studies and various in vitro cell activity assays revealed that the generated heterodimers are biologically active. Furthermore, BMP-2/6 and -2/7 exhibit a higher biological activity in most of the cell assays compared to their homodimeric counterparts. In addition, the BMP type I receptor BMPR-IA is involved in heterodimeric BMP signaling. However, the usage of other type I receptor subtypes (e.g. ActR-I) building a heteromeric ligand-receptor type I complex as indicated in previous works could not be determined conclusively. Furthermore, BMP heterodimers seem to require only one type I receptor for signaling. From the receptors’ point of view, the BMP type I receptor BMPR-IA is a prime example for its promiscuous binding to different BMP ligands. The extracellular binding interface of BMPR-IA is mainly unfolded in its unbound form, requiring a large induced fit to adopt the conformation when bound to its ligand BMP-2. In order to unravel whether the binding promiscuity of BMPR-IA is linked to structural plasticity of its binding interface, the interaction of BMPR-IA bound to an antibody Fab fragment was investigated. The Fab fragment was selected because of its ability to recognize the BMP-2 binding epitope on BMPR-IA, thus neutralizing the BMP-2 mediated receptor activation. This study describes the crystal structure of the complex of the extracellular domain of BMPR-IA bound to the antibody Fab fragment AbyD1556. The crystal structure revealed that the contact surface of BMPR-IA overlaps extensively with the contact surface of BMPR-IA for BMP-2 interaction. Although the contact epitopes of BMPR-IA to both binding partners coincide, the three-dimensional structures of BMPR-IA in both complexes differ significantly. In contrast to the structural differences, alanine-scanning mutagenesis of BMPR-IA showed that the functional determinants for binding to both the antibody and BMP-2 are almost identical. Comparing the structures of BMPR-IA bound to BMP-2 or to the Fab AbyD1556 with the structure of unbound BMPR-IA revealed that binding of BMPR-IA to its interaction partners follows a selection fit mechanism, possibly indicating that the ligand promiscuity of BMPR-IA is inherently encoded by structural adaptability. / „Bone Morphogenetic Proteins” (BMPs) sind sezernierte multifunktionelle Signalproteine, die eine wichtige Rolle während der Entwicklung, Aufrechterhaltung und Regeneration von Geweben und Organen in fast allen Vertebraten und wirbellosen Tieren spielen. Die BMP-Signalgebung wird durch die Bindung an zwei Typen von Serin/Threonin Rezeptorkinasen eingeleitet. Hierbei binden BMPs zuerst an ihren hochaffinen Rezeptor, bevor der niederaffine Rezeptor in den Komplex eingefügt wird. Durch das Zusammenfügen beider Rezeptortypen wird eine von Smad (Small mothers against decapentaplegic)-Proteinen gesteuerte Signalkaskade gestartet, die letztendlich die Transkription responsiver Gene reguliert. Aktuell sind nur sieben Typ I und fünf Typ II Rezeptoren für mehr als 30 Liganden bekannt. Viele BMP-Liganden können demzufolge mehr als einen Rezeptorsubtyp rekrutieren. Umgekehrt jedoch können auch Rezeptoren an unterschiedliche Liganden binden, was auf eine im hohen Maße promiske Ligand-Rezeptor-Interaktion hinweist. Dabei stellen sich folgende Fragen: (i) Wie können BMPs ligandspezifische Signale erzeugen, obwohl sie dafür die gleichen Rezeptoren benutzen? (ii) Und wie können BMPs unterschiedliche Bindungspartner erkennen und trotzdem hochspezifisch an diese binden? Von Blickwinkel der Liganden aus betrachtet stellen heterodimere BMPs wertvolle Hilfsmittel dar, um das Zusammenspiel zwischen den verschiedenen Rezeptortypen zu studieren. Darüber hinaus können sie neue Einblicke in die Entstehung von unterschiedlichen BMP-Signalen gewähren. In dieser Doktorarbeit wird die Expression und Aufreinigung von heterodimeren BMP-2/6 und -2/7 aus E.coli Zellen beschrieben. Mittels BIAcore Interaktionsstudien und in vitro Aktivitätsassays in Säugerzellen konnte gezeigt werden, dass die hergestellten Heterodimere biologisch aktiv sind. Darüber hinaus zeigen BMP-2/6 and -2/7 in den meisten Zellassays eine höhere biologische Aktivität als ihre homodimeren Gegenstücke. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass der BMP Typ I Rezeptor BMPR-IA an der Signalgebung von heterodimeren BMPs involviert ist. Eine Beteiligung weiterer Typ I Rezeptoren (wie z.B. die von ActR-I), die einen heteromeren Ligand-Rezeptor Typ I Signalkomplex bilden, wie es bereits in früheren Studien gezeigt wurde, konnte jedoch experimentell nicht eindeutig belegt werden. Des Weiteren lassen die Ergebnisse darauf schließen, dass heterodimere BMPs für eine erfolgreiche Signalweiterleitung nur die Präsenz eines einzelnen Typ I Rezeptors benötigen. Von Blickwinkel der Rezeptoren aus betrachtet, ist der BMP Typ I Rezeptor BMPR-IA ein Paradebeispiel für promiskes Bindeverhalten an verschiedene BMP-Liganden. Das extra-zelluläre Kontaktepitop von BMPR-IA ist im Wesentlichen ungefaltet, wenn BMPR-IA in freier ungebundener Form vorliegt. Infolge dessen durchläuft die Binderegion in BMPR-IA weit reichende strukturelle Veränderungen, um die erforderliche Konformation auszubilden, die für die Bindung an BMP-2 essentiell ist. Um herauszufinden, ob das promiske Binde-verhalten von BMPR-IA mit einer strukturellen Plastizität seiner Binderegion einhergeht, wurde die Interaktion zwischen BMPR-IA und einem Antikörper Fab Fragment experimentell untersucht. Das Fab Fragment wurde aufgrund folgender Eigenschaft ausgewählt, nämlich an das BMP-2 Bindeepitop des Rezeptors anzudocken, um so eine BMP-2 vermittelte Rezeptoraktivierung zu verhindern. In dieser Doktorarbeit wird die Kristallstruktur des Komplexes, bestehend aus der extrazellulären Domäne von BMPR-IA und dem Antikörper Fab Fragment AbyD1556 beschrieben. Die Kristallstruktur zeigt, dass die Kontaktoberfläche von BMPR-IA zu einem sehr großen Teil mit der Kontaktoberfläche bei der Interaktion mit BMP-2 übereinstimmt. Obwohl das Kontaktepitop von BMPR-IA zu beiden Bindungspartnern weitestgehend deckungsgleich ist, unterscheiden sich die dreidimensionalen Strukturen von BMPR-IA in beiden Komplexen sehr stark voneinander. Im Gegensatz zu den strukturellen Differenzen zeigt jedoch eine Mutationsanalyse, bei der wichtige Aminosäuren mit Alanin ausgetauscht wurden, dass die funktionellen Determinanten, die die Bindung an den Antikörper und an BMP-2 bestimmen, beinahe die gleichen sind. Wenn man die Strukturen von BMPR-IA, das an BMP-2 bzw. an das Fab Fragment AbyD1556 gebunden ist, mit der Struktur von ungebundenem BMPR-IA vergleicht, so fällt auf, dass die Bindung von BMPR-IA an seine Bindungspartner einem sog. „Selektions-Anpassungsmechanismus“ folgt, was möglicherweise zeigt, dass das promiske Ligand-Bindeverhalten von BMPR-IA von Natur aus durch seine strukturelle Anpassungsfähigkeit festgelegt wird.

Neuartige Rotaxane, die zwei 9-Aryl-9-methoxy-10-methyl-9,10-dihydroacridin-Bausteine (Acridane) an beiden Enden der molekularen Achse als Bindungsstellen für den tetrakationischen CBPQT4+-Ring besitzen, wurden gemeinsam mit ihren korrespondierende Acridinium-Rotaxanen synthetisiert. Mit diesen Rotaxanen wurde ein neues Konzept für die Steuerung der Ringbewegung im Rotaxan realisiert. Aufgrund der Brownschen Molekularbewegung pendelt der Ring von einem Ende der Achse zur anderen in den Acridan-Rotaxanen. Diese Pendelbewegung wird durch die Umwandlung von einer oder zwei Acridan-Stationen in die entsprechende Acridinium-Einheit gestoppt. Wenn beide Acridane durch Zugabe von Säure umgewandelt werden, komplexiert der Ring auf einer Ausweich-Station, die im mitlleren Bereich der Achse zu finden ist. Durch Photonen wird nur die unbesetzte Acridanstation umgewandelt, so dass der Ring auf der unveränderten Acridan-Station verbleibt. Die Pendelbewegung kann wieder durch Zugabe von Base und durch thermische Rückreaktion des Methoxids mit dem gebildeten Acridinium-Ion angeschaltet werden. / Novel rotaxanes containing two 9-aryl-9-methoxy-10-methyl-9,10-dihydroacridine moieties (acridanes) at both ends at the molecular axle as recognition stations for the tetracationic ring CBPQT4+ were synthesized together with their acridinium counterparts. A new concept of controlling the ring movement within rotaxanes has been realized with these rotaxanes. Owing to Brownian molecular movement, the ring shuttles from one end of the axle to the other one in acridane rotaxanes. The shuttle process is stopped by converting two or one of the acridane stations into the corresponding acridinium unit. If both acridanes are transformed by addition of an acid, the ring resides on evasive stations present in the center of the axle. Photons convert only the unoccupied acridane station, thus the ring remains on the unchanged acridane station. The shuttle process can be switched on by addition of a base and by thermal reaction of the methoxide with the formed acridinium ion, respectively.