Die Spumaretrovirinae, mit ihrer einzigen Gattung der Foamyviren (FV), nehmen aufgrund einer recht ungewöhnlichen Replikationsstrategie und Ähnlichkeiten mit den Hepadnaviren eine Sonderstellung innerhalb der Familie der Retroviren ein. Eine Besonderheit der FV ist, daß sie für die Partikelfreisetzung, im Gegensatz zu den Orthoretroviren, die beiden strukturellen Proteine Gag und Env benötigen. Das Gag- Protein trägt alle für den Kapsidzusammenbau nötigen strukturellen Komponenten, kann jedoch durch eine fehlende Membranbindungsdomäne nicht mit Zellmembranen assoziieren. Der Membrantransport der bereits im Zytoplasma zusammen gebauten FV Kapside wird vermutlich durch das FV Env-Protein vermittelt. Das FV Hüllprotein ist jedoch auch alleine zur Freisetzung von Kapsidlosen, Hüllprotein-haltigen subviralen Partikeln (SVP) fähig. Da eine Envunabhängige Freisetzung virus-ähnlicher Partikel durch ein FV Gag-Protein mit künstlichem Membrananker möglich ist, scheint das FV Gag-Protein auch essentielle strukturelle Elemente für die Partikelfreisetzung zu enthalten. In den letzten Jahren wurden große Fortschritte in der Erforschung der Freisetzung von membranumhüllten Viren und den daran beteiligten viralen Determinanten und zellulären Mechanismen gemacht. Wobei den meist in den viralen Kapsidproteinen vorkommenden Late (L)-Domänen und deren Interaktion mit dem zellulären Proteinsortierungsweg in Multivesikuläre Körperchen (MVB) eine besondere Bedeutung zu kommt. Über die FV virale und subvirale Partikelfreisetzung und die dabei involvierten strukturellen viralen Domänen und zellulären Proteinen war jedoch bisher wenig bekannt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte durch Mutationsanalysen von drei potentiellen L-Domän Sequenzmotiven im Prototyp FV (PFV) Gag-Protein ein, innerhalb der Primaten FV konserviertes, PSAP Konsensusmotiv als funktionelle L-Domäne charakterisiert werden. Dessen Mutation führte zu klassischen L-Domän Defekten mit verringerter Partikelfreisetzung, sowie einer elektronenmikroskopisch sichtbaren Arretierung der Virusknospung und seine Funktion war durch homo- und heterologe L-Domän Motive anderer Retroviren teilweise oder vollständig ersetzbar. Ein PPPI Motiv in PFV Gag, mit Ähnlichkeit zur L-Domän PPXY Konsensussequenz, schien jedoch keinen Einfluß auf die FV Freisetzung zu besitzen. Die Charakterisierung eines in allen FV Gag-Proteinen konservierten YXXL Motivs ließ eher auf eine wichtige Rolle beim korrekten Kapsidzusammenbau, als auf eine klassische LDomän Funktion schließen. Eine korrekte Kapsidmorphogenese schien entscheidend für die reverse Transkription des Virusgenoms zu sein. Durch Koexpression verschiedener dominant-negativer Mutanten des zellulären ESCRT-Proteinssortierungsweges konnte gezeigt werden, daß die virale Partikelfreisetzung von PFV augenscheinlich dem generellen Model der Freisetzung vieler membranumhüllter Viren über das VPS-System folgt. Eine spezifische Interaktion des PFV Gag PSAP L-Domän Motivs mit TSG101, einer frühen Komponente der ESCRT-Komplexe, verbindet PFV mit dem VPS-Sortierungsweg der Zelle. Die besondere Fähigkeit des FV Env-Proteins zur Freisetzung von SVPs wurde bereits vor einiger Zeit entdeckt, dennoch war bisher nichts über die viralen und zellulären Determinanten bekannt, die zu einer Knospung des Env-Proteins in Vesikel führten. Durch eine Reihe von Deletions- und Mutationsanalysen des PFV Env-Proteins konnten in dieser Arbeit zwei für die SVP-Freisetzung inhibitorische Abschnitte am N- und C-Terminus der zytoplasmatischen Domänen des Env- Proteins ermittelt werden. Weiterhin wurden essentielle Sequenzen im Leaderpeptid, sowie die Notwendigkeit der Membranspannenden Domäne der Transmembran- Untereinheit für die SVP-Freisetzung festgestellt. Obwohl das PFV Env-Protein kein bekanntes L-Domän Sequenzmotiv enthält, konnte ein Einfluß später Komponenten der ESCRT-Maschinerie auf die SVP-Bildung beobachtet werden. Wobei die genaue Eintrittsstelle in den VPS-Weg im Rahmen dieser Arbeit nicht definiert werden konnte. Die vorgenommen Analysen lassen vermuten, daß die Bildung von SVPs durch die Konzentration der Env-Proteine in der Zellmembranen reguliert wird. Welche genauen Mechanismen dabei zu Grunde liegen und wieweit die zelluläre Ubiquitinylierungsmaschinerie involviert ist, bedarf jedoch weiterer Erforschung. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen erneut die Sonderstellung der FV innerhalb der Familie der Retroviren. Auf der einen Seite folgt die foamyvirale Viruspartikelfreisetzung den typischen Mechanismen der retroviralen Virusknospung. Andererseits zeigt die Freisetzung von subviralen Partikeln, die bei keinem anderen Retrovirus bisher beobachtet wurde, eine weitere Parallele zur Replikationsstrategie der Hepadnaviren auf.

Spreading of mixtures of oil with suitable silica particles onto a water surface leads to the formation of composite layers in which particles protrude at the top and at the bottom from the oil. Solidification of the oil and removal of the particles give rise to porous membranes. Pore widths and membrane thicknesses depend on particle sizes and usually are in the range of 70 – 80% of their diameters. Often freely suspended porous membranes are too fragile to operate them in pressure filtration without supportive structure. To improve mechanical stability of porous membranes, a mixture of silica particles with an oil is spread onto a nonwoven fibrous support that was drenched with water. Solidification of the oil and removal of particles yields porous membrane attached to the fibers of the support. Due to inhomogeneous surface of the fabric, the membranes that are attached to it are corrugated. To obtain flat supportive structures, glass beads with 75 μm in diameter are spread onto the water surface with the oil. Solidification of the oil and then removal of particles gives rise to porous membranes with pore diameters in micrometer range. Another concept of improvement of mechanical stability is the preparation of asymmetric membranes via spreading of a mixture of two sorts of particles with opposite surface properties with the oil onto the water surface. After solidification of the oil and removal of particles, membranes with pores width in the range from 30 – 50 nm are obtained. Slow removal of silica particles from composite monolayer that floats on the water surface gives rise to silica rings in intermediate stages of removal. Mixed matrix membranes with embedded carbon molecular sieves are prepared in a similar process as detailed above by using carbon particles instead of silica. Carbon molecular sieves protrude at the top and bottom from the polymeric matrix. Theoretical prediction of permeability and selectivity through these membranes are much higher than in membranes where particles are smaller than the membrane thickness. / Spreitet man Mischungen eines Öls mit geeigneten Kieselgelpartikeln auf eine Wasseroberfläche, führt dies zur Bildung gemischter Schichten, in denen die Partikel auf der Ober- und Unterseite aus dem Öl herausragen. Härtet man das Öl aus und entfernt die Partikel, erhält man poröse Membranen mit einheitlichen Poren. Dabei hängen die Porenweiten und Membrandicken von der Partikelgröße ab und betragen üblicherweise 70 – 80 % von deren Durchmesser. Oft sind freitragende poröse Membranen zu zerbrechlich um mit ihnen Druckfiltration ohne Stützstruktur durchzuführen. Um die mechanische Stabilität von porösen Membranen zu erhöhen spreitet man eine Mischung aus Kieselgelpartikeln und einem Öl auf einem Vliesstoff, der mit Wasser getränkt ist. Das Aushärten des Öls und die Entfernung der Partikel führt zu einer porösen Membran, die an die Fasern der Stützstruktur angeheftet ist. Durch die inhomogene Oberfläche des Vliesgewebes sind die daran angehefteten Membranen gewellt. Um eine ebene Stützstruktur zu erhalten, werden Mischungen aus dem Öl und Glaskugeln mit einem Durchmesser von 75 μm verwendet. Das Aushärten des Öls und die Entfernung der Partikel führt zu ebenen porösen Membranen mit Porendurchmessern im Mikrometerbereich. Ein weiteres Konzept, um die mechanische Stabilität zu erhöhen, ist die Herstellung asymmetrischer Membranen mit Hilfe des Spreitens einer Mischung zweier Partikelsorten mit unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften mit dem Öl auf die Wasseroberfläche. Nach dem Aushärten des Öls und der Entfernung der Partikel erhält man eine asymmetrische Membran mit kleinen Porenweiten an der Oberseite und großen Porenweiten an der Unterseite. Durch langsames Entfernen der Kieselgelpartikel aus der gemischten Schicht, die auf der Wasseroberfläche schwimmt, kann man in einem Zwischenstadium Kieselgelringe erhalten. Kompositmembranen (mixed matrix membranes) mit eingebetteten Kohlenstoffmolekularsieben werden in einem gleichen Prozess wie oben beschrieben hergestellt, indem man Kohlenstoffpartikel anstatt der Kieselgelpartikel verwendet. Die Kohlenstoffmolekularsiebe ragen auf der Ober- und Unterseite aus der Polymermatrix heraus. Die theoretisch vorhersagten Durchlässigkeiten und Selektivitäten solcher Membranen sind wesentlich höher als bei Membranen, in denen die Partikel kleiner als der Membrandicke sind.

Eine spezielle Art poröser Membranen sind die sogenannten Mikrosiebe. Ihre Dicke ist geringer als der Durchmesser der Poren und sie besitzen eine einheitliche Porengröße und eine dichte Porenpackung. Sie zeichnen sich somit durch eine hohe Trennschärfe aus und eignen sich daher und aufgrund ihres geringen Filtrationswiderstandes besonders für den Einsatz als Filtrationsmedien. Ein Prinzip, um Mikrosiebe herzustellen, ist die Partikel-assistierte Benetzung. Bei dieser Methode wird ein polymerisierbares organisches Öl zusammen mit Kieselgelpartikeln auf einer Wasseroberfläche gespreitet. Nach dem Auspolymerisieren des Öls und dem anschließenden Entfernen der Partikel erhält man die gewünschten Mikrosiebe, welche an den Stellen, an denen sich zuvor die Kieselgelpartikel befanden, Poren besitzen. Die Porengröße der Siebe ist dabei über die Größe der verwendeten Partikel in weiten Grenzen (ca. zwischen 20 nm und 1000 nm) einstellbar und die Größe und Form des Mikrosiebes wird lediglich durch die Flächengröße und -form der zur Herstellung verwendeten Wasseroberfläche vorgegeben. Jedoch ist die mechanische Stabilität der Mikrosiebe für die gewünschte Anwendung als Filtrationsmedium oftmals nicht zufriedenstellend. Daher ist eine Stabilisierung erforderlich. Eine Möglichkeit, diese Stabilisierung zu erreichen, ist das Aufbringen einer externen makroporösen Stützstruktur. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Möglichkeit vorgestellt mittels der Drucktechnik des sog. Inkjet-Druckens eine potentielle Stützstruktur auf ein solches Mikrosieb zu applizieren und dieses somit zu stabilisieren.

The main goal of this work is design and synthesis of novel composite hydrogel-based core-shell microparticles and their application for fabrication of coatings, which provide the “inverse-switching” behaviour to the surface, namely, to become more hydrophobic in water environment. Since contact angle of heterogeneous surfaces is dependent on the nature and ratio of surface components, an increase of amount of more hydrophobic component on the surface will cause the reducing of surface wettability. It was suggested that core-shell particles having water-swellable hydrogel core and hydrophobic, but permeable for water shell when deposited on the hydrophilic substrate should increase the total amount of hydrophobic component on the surface when the cores of particles will swell in water. During the work different approaches to obtain freely dispersed and surface-immobilized core-shell particles with required structure were developed. Obtained particles were applied for preparation of coatings with ability to display “inverse-switching” behaviour. It was demonstrated that properly designed and properly prepared core-shell particles could be successfully used for creation of smart adaptive coatings having the ability to alter the surface properties upon changing of the environment.

Polyketides are natural products with complex chemical structures and immense pharmaceutical potential that are synthesized via secondary metabolic pathways. The in-vitro synthesis of these molecules requires high supply of building blocks such as acetyl Co-enzyme A, and cofactors (adenosine triphosphate (ATP). These precursor and cofactor are synthesized from respective soluble enzymes. Owing to the expensive nature of the enzymes, it is important to immobilize enzymes to improve the process economics by enabling multiple uses of catalyst and improving overall productivity and robustness. The polymer-based particles of nano and submicron size have become attractive material for their role in the life sciences. With the advances in synthetic protocols of the microgels and commercial availability of many of the monomers, it is feasible to tune the properties of the particles as per the process requirement. The core shell microgel with functional shell allows high loading of ligands onto the microgel particles due to increased availability of functional group on the outer surface. The aim of the thesis thus was to study biochemical reactions on the smart microgels support using single (acetyl CoA synthetase (Acs)) and dual (pyruvate kinase (Pk) and L-lactic dehydrogenase (Ldh)) enzyme/s systems. The study indicated that the enzyme immobilization significantly depends on the enzyme, conjugation strategy and the support. The covalent immobilization provides rigidity to the enzyme structure as in case of Acs immobilized on PNIPAm-AEMA microgels but at the same time leads to loss in enzyme activity. Whereas, in the case of covalent immobilization of Ldh on microgel showed improved in enzyme activity. On the other hand adsorption of the enzyme via ionic interaction provide better kinetic profile of enzymes hence the membrane reactor was prepared using PNIPAm-PEI conjugates for acetyl CoA synthesis. The better outcome of work with PNIPAm-PEI resulted in its further evaluation for dual enzyme system. This work is unique in the view that the immobilization strategies were well adapted to immobilize single and dual enzymes to achieve stable bioconjugates for their respective applications in precursor biosynthesis (Acetyl Co enzyme A) and co-factor dependent processes (ACoA and ATP). The positive end results of microgels as the support (particles in solution and as the thin film (membrane)) opens further prospective to explore these systems for other precursor biomolecule production.

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Das Auftreten von Braunwasser in Trinkwasserverteilungsnetzen ist eine Beeinträchtigung der Trinkwasserqualität, die durch mobilisierte partikuläre Ablagerungen verursacht wird. Die Partikel gelangen durch verschiedene Prozesse, wie z. B. der Korrosion metallischer Leitungen und den Eintrag am Wasserwerk, kontinuierlich in sehr geringen Massenströmen in das Rohrnetz. Durch die Akkumulation der Partikel an Rohroberflächen können sich Ablagerungsmengen bilden, die bei ansteigenden Strömungsgeschwindigkeiten resuspendiert werden und zu unerwünschten Braunwassererscheinungen führen. Die vorliegende Arbeit behandelt die experimentelle Untersuchung des Transportes von Partikeln, die für Trinkwassernetze typisch sind, in Rohrströmungen. Es werden Einflussfaktoren identifiziert, die für den Partikeltransport von Bedeutung sind. Ein neu entwickeltes dynamisches Modell beschreibt den Transport von Partikeln und die Ablagerungsbildung in Rohrströmungen und vermaschten Rohrnetzen. Das Modell wurde in einer Anwendersoftware implementiert und an einem Trinkwasserverteilungsnetz für das Nachvollziehen der beobachteten Ablagerungsbildung eingesetzt. Im Vergleich zu bestehenden dynamischen Modellen werden partikelbezogene Prozesse unter Berücksichtigung der für trinkwasserbürtige Partikel und Ablagerungen typischen Eigenschaften mathematisch genauer beschrieben. Stationäre und dynamische Ereignisse bezüglich Wasserqualität und Ablagerungsbildung können jetzt durch die Berücksichtung zahlreicher zeitabhängiger Einflussfaktoren nachvollzogen werden. / The occurrence of discoloured water in drinking water distribution systems is a disturbance of the water quality, which is induced by mobilised particulate deposits. Different processes result in the continuous entry of small mass flow rates of particles into the piping, for instance the corrosion of metallic pipes as well as the entry at the water works outlet. By the accumulation of these particles, significant amounts of deposits can be formed and at higher flow rates be resuspended, which leads to unwanted events with discoloured water. This study examines the experimental investigation of the transport of particles, which are typical for drinking water distribution systems, in pipe flow. Influencing factors are identified, which are of importance for the particle transport. With a newly developed model, the transport of particles and the deposit formation in pipe flow and in piping is described. The model is implemented into a software application and deployed at a drinking water distribution system to understand the observed deposit formation. In comparison with existent dynamic water quality models, particle-related processes are described mathematically in more details, under consideration of characteristics typical for particles and deposits in drinking water distribution systems. Hence, observed steady-state and dynamic events can be followed using several influencing time-dependent factors.

This project highlights various methods used to detect the elongated elemental particle neutrino. It is especially focused on the IceCube observatory, which uses Cherenkov light to detect these particles. Neutrino is an importnant building block in astrophysics and particle physics research as this particle can travel from great distances in time and space without interacting with matter. This means that high-energy neutrinos that are detected can orginate from strong explosions from outer space, even from explosions billion years ago, like Big Bang. This means that these particles carry a huge amount of information about the universe. The project also contains an experiment whose purpose is to demonstrate that with simple materials it is possible to detect particles that are not otherwise visible to the naked eye.