Surface polarity and catalytic activity of inorganic solid acids The objective of this work is to quantify solvent influence on the surface polarity and catalytic activity of inorganic solid acids. Kamlet-Taft`s a (hydrogen-bond acidity), b (hydrogen-bond accepting ability) and p* (dipolarity/polarizability) parameters of various silicas, alumina, aluminosilicate, zeolites HZSM-5 and HY as well as of a siliceous MCM-41 material were determined using solvatochromic surface polarity indicators, which have been adsorbed on the solid acids from solvents of different polarity. The surface-mediated hydride-transfer reaction of 1,4-cyclohexadiene with triphenylmethylium induced by the solid acid catalysts, respectively, has been kinetically studied as function of the polarity of the surrounding solvent. The relative rate constant k? has been determined in ten different solvents. Correlation analyses between lg k? and the polarity parameters a, b, and p* of the solvents as well as of the catalysts surfaces are shown and discussed. Acid-base-interactions between solvent and catalyst mainly influence the reactivity and surface polarity of the solid acids. / Oberflächenpolarität und katalytische Aktivität anorganischer Feststoffsäuren Ein zentrales Anliegen der Arbeit ist die Quantifizierung des Lösungsmitteleinflusses auf die Oberflächenpolarität und die katalytische Aktivität anorganischer Feststoffsäuren. Die Oberflächenpolaritätsparameter a (Acidität), b (Basizität) und p* (Dipolarität/Polarisierbarkeit) von unterschiedlichen Kieselgelen und Zeolithen sowie von je einem Aluminiumoxid und Alumosilikat werden mittels solvatochromer Sondenmoleküle in Lösungsmitteln verschiedener Polarität bestimmt. Für die Hydridionenübertragung von 1,4-Cyclohexadien auf oberflächengeneriertes Triphenylmethylium wird in den genannten Fest-/Flüssig-Systemen die katalytische Aktivität untersucht und dazu die für den Katalysator normierte Geschwindigkeitskonstante k? [s-1m-2] ermittelt. Korrelationsanalysen zeigen Zusammenhänge zwischen lg k? und den Parametern a, b und p* der Lösungsmittel bzw. Feststoffoberflächen auf und werden diskutiert. Säure-Base-Wechselwirkungen zwischen Lösungsmittel und Katalysator sowie Solvatationseffekte haben einen entscheidenden Einfluss auf Reaktivität und Oberflächenpolarität. In Bezug auf Diffusionsvorgänge und Aktivierungsenergien spielt die Morphologie der Feststoffsäuren eine wichtige Rolle, wie beim Vergleich zwischen nanoporösem silikatischem MCM-41 und konventionellen Kieselsäuren festgestellt wird.

Background: The liver occupies a central function in homeostasis maintenance. Its functions depend on a fine architecture allowing each parenchymal cell, the hepatocytes, to contact both the vasculature and to contribute to the formation of the bile canaliculi network. To separate two compartment, epithelial cells like hepatocytes must develop a specific organization: polarity. In the liver, the bile canaliculi network and vasculature are organized as two tightly intertwined networks. To achieve contact with both, the hepatocytes must acquire a complex polarity composed of multiple axes. The study of this organization is the focus of intense research. A lot of attention is put on the understanding of the established structure in the adult organ and the regeneration of this structure in case of injury. With a progressing understanding of this organization comes the interrogation on how it is established during development. Furthermore, a proper understanding of the establishment process is central to develop reliable in vitro systems or organ-on-a-chip approaches. Questions: In this context we have decided to address the following questions: - When and how is multipolar polarity established. - Can this establishment be correlated to any extracellular cue in vivo. Methods: To address these questions we have fixed, stained, imaged, and reconstructed large volumes of embryonic liver tissue at several consecutive stages of development. We looked at polarized trafficking and junctional markers to follow polarity establishment. We looked at ECM and cell division markers to correlate cues susceptible to guide polarization. We also performed in vitro experiments to further explore the hypotheses formulated along the way based on in vivo observations. Conclusion: This study led us to conclude that multipolar polarity arises from both lumen tubular elongation and multiple lumen formation. The formation of multiple lumina involves the movement of a Rab11 vesicular cluster and independent junctional plate formation. Our study suggests that ZO-1 could be involved in the synchronization between vesicular cluster movement and junction plate formation. Finally, we could not link cell division to polarization, however, we could correlate fibronectin distribution to potential early polarization events.

Die Polarität ist ein kritisches Thema für das III-Nitrid-Materialsystem, das sich auf die Qualität und Eigenschaften von epitaktischen Schichten, sowie auf die Leistungfähigkeit von auf Nitrid-Materialien basierenden Bauelementen auswirkt. Das Verständnis der elementaren Mechanismen, die für die Ausbildung von Metall- oder Stickstoffpolarität der Schichten bei Abscheidung auf unpolarem Substrat verantwortlich sind, fehlt jedoch. Die bestehenden Konzepte basieren auf empirischen Beobachtungen und sind teilweise widersprüchlich. Einer der Hauptgründe dafür ist der Mangel an präzisen Charakterisierungsmethoden, die eine lokale Bestimmung der Polarität und atomarer Struktur von Schichten erlauben, als die wesentlichen Konzepte der Polaritätskontrolle aufgestellt wurden. In dieser Arbeit entwickeln wir ein Konzept der Polaritätskontrolle in AlN- und GaN-Schichten, welche mittels metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) auf Saphirsubstraten gewachsen sind. Die Polarität der Schichten wird mit Hilfe von aberrationskorrigierter Hochauflösungstransmissionselektronenmikroskopie und Z-Kontrastabbildung (Ordnungszahlkontrast) im Rastertransmissionselektronenmikroskop untersucht. Die Auswertung der experimentellen Untersuchungen ergibt Erkenntnisse bezüglich folgender Themen: (i) zum Mechanismus, der die Polaritätsauswahl steuert; (ii) zur Beziehung zwischen Saphir-Oberflächennitridierung und Al-polaren Domänen in ansonsten N-polaren AlN-Schichten; (iii) zur Möglichkeit des kontrollierten Wechsel von N- hin zu Al-polaren Schichten durch ein Sauerstofftempern. Das Verständnis dieser Mechanismen, durch die die Polarität bestimmt wird, eröffnet die Möglichkeit der gezielten Manipulierung der Polarität und Polaritätsabfolge in Nitridschichten und kann einen Hinweis zum Verständnis der Polaritätskontrolle in anderen Materialsystemen (z. B. Oxiden) geben. / Polarity is a critical issue for III-nitrides material system that has an impact on the quality and properties of epitaxial films and the performance of nitride-based devices. But the understanding of the elementary mechanisms that are responsible for establishing metal or nitrogen polarity of the films grown on nonpolar substrate is lacking. The existing concepts are based on empirical observations and contain ambiguous results. One of the main reasons for that is the lack of precise characterization tools, allowing localized determination of polarity and atomic structure of layers, at the time, when main concepts for polarity control were established. In this work we develop a concept of polarity control in AlN and GaN layers grown by metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) on sapphire substrates. The polarity of the layers is studied by aberration corrected HRTEM and high resolution high-angle annular dark field (HAADF) scanning TEM. The analysis of the experimental investigations yields the following principal results about: (i) the mechanism that governs polarity selection; (ii) the relation between sapphire surface nitridation and Al-polar domains in N-polar AlN films; (iii) the possibility of controlled switching the layers polarity from N to Al by oxygen annealing. The understanding of these mechanisms by which polarity is controlled opens up the possibility for polarity engineering in nitride films and can give a clue to understanding polarity control in other material systems (e.g. oxides). / La polarité est une question critique pour le système de matériaux III-nitrures, qui a un impact sur la qualité des films épitaxies et la performance des dispositifs à base de nitrure. Mais la compréhension des mécanismes élémentaires responsables de l'établissement de la polarité N ou métallique des films sur le substrat non-polaire manque. Les concepts existants sont basés sur des observations empiriques et contiennent des résultats ambigus. Une des raisons principales est le manque d'outils analytiques, permettant la détermination localisée de la polarité et de la structure atomique des couches à l'époque, lorsque les concepts de contrôle de la polarité ont été établis. Dans ce travail, nous développons un concept de contrôle de la polarité dans les couches AlN et GaN épitaxies sur substrat de saphir par EPVOM. La polarité des couches est étudiée par microscopie électronique en transmission (MET) haute résolution corrigée des aberrations et par microscope électronique à balayage en transmission en champ sombre (HAADF-STEM). L'analyse des investigations expérimentales donne les principaux résultats suivants : (i) le mécanisme qui régit la sélection de la polarité; (ii) la relation entre la nitruration de la surface et les domaines de polarité Al dans les films d'AlN N-polaire; (iii) possibilité d’inverser la polarité N de films d’AlN de polarité mixte en introduisant un recuit sous oxygène. La compréhension de mécanisme par lequel la polarité est contrôlée ouvre les possibilités d'une ingénierie de polarité dans les films de nitrure et peut donner une idée de la compréhension du contrôle de la polarité dans d'autres systèmes de matériaux (par exemple, les oxydes).

Die in der vorliegenden Habilitationsschrift zusammengefaßten Publikationen stellen Untersuchungen zu zwei Themenschwerpunkten dar: 1. Verankerungsmechanismen von Membranproteinen der basolateralen und der apikalen Plasmamembrandomäne der Parietalzellen mit dem Membranzytoskelett und 2. die regulierte Fusion von zytoplasmatischen Vesikeln mit der apikalen Plasmamembran dieser Zellen. Die strukturell und molekular sehr unterschiedlich gestaltete apikale und basolaterale Membrandomäne der Parietalzellen sollte funktionell charakterisiert und die Mechanismen der Membranumbauvorgänge aufgeklärt werden, die nach Aktivierung der Zellen im apikalen Membrankompartiment ablaufen. Für die strukturelle Stabilität der basolateralen Domäne spielt wahrscheinlich die Verankerung von AE2 über das Verknüpfungsprotein Ankyrin mit dem Membranzytoskelett eine wichtige Rolle. Die apikale Membrandomäne der Parietalzellen kann in drei Kompartimente unterteilt werden. Die freie apikale Membran, die canalikuläre Membran und die Membranen der tubulären Vesikel. Entlang der freien apikalen und der canaliculären Plasmamembran kommen wie auf der basolateralen Seite die Zytoskelett-Proteine Actin und Spectrin vor. Nach unseren Untersuchungen könnte es während der Sekretionsphase zu einer temporären Verbindung von H+,K+-ATPase Molekülen mit dem Membranzytoskelett kommen. Diese Verbindung wird wahrscheinlich durch das Verknüpfungsprotein Ezrin vermittelt. Der Mechanismus des Fusionsvorgangs der tubulären Vesikel mit der canaliculären Membran war bisher nicht bekannt. In Parietalzellen konnten die neuronalen SNARE-Proteine Synaptobrevin 2, Syntaxin 1 und SNAP25 sowie das zur Familie der kleinen G-Proteine gehörende Protein Rab3A und die Regulatorproteine NSF und alpha/beta SNAP nachgewiesen werden. Das in Parietalzellen gefundene Verteilungsmuster der SNARE-Proteine entspricht nicht der klassischen Vorstellung einer heterotypischen Membranfusion, vielmehr entspricht diese Verteilung einer homotypischen Fusion, wie sie für Vakuolen in Hefezellen beschrieben wurde. Die Bedeutung der SNARE-Proteine für die Fusion der tubulären Vesikel mit der canaliculären Membran und damit für die Steigerung der HCl-Sekretion konnte durch Inkubation der Zellen mit Tetanus Neurotoxin (TeNt) gezeigt werden. Die Behandlung der Parietalzellen mit TeNt führte zum vollständigen Ausbleiben der, nach Stimulation mit cAMP bei Kontrollzellen beobachteten Erhöhung, der Säuresekretion / The publications summarized here cover two topics: 1. the anchorage mechanism of membrane proteins of the basolateral and the apical plasma membrane with the membrane cytoskeleton of parietal cells and 2. the regulated fusion of cytoplasmic vesicles with the apical plasma membrane of these cells. It was the aim of these studies to characterize the structural and molecular differences between the apical and basolateral membrane domains in parietal cells. Moreover the mechanisms involved in membrane traffic within the apical membrane compartment following stimulation were investigated. We found that anchorage of AE2 with the membrane cytoskeleton through the linkage protein ankyrin seems to be important for the stability of the basolateral membrane. The apical membrane domain of parietal cells can be subdivided into three compartments. The free apical membrane, the canalicular membrane and the tubulovesicular membrane. The cytoskeletal proteins spectrin and actin can be found at the basolateral, the free apical and the canalicular membrane. We have shown that the H+K+-ATPase molecules appear to be temporary linked to the membrane cytoskeleton during acid-secretion. This contact is most likely mediated by the linker-protein ezrin. Until now the mechanism of fusion of the tubulovesicles with the canalicular membrane was unknown. In parietal cells the neuronal SNARE-proteins synaptobrevin 2, Syntaxin 1, SNAP25, the small G-protein rab3A, and the regulatory proteins NSF and alpha/beta-SNAP were detected. The subcellular distribution of these proteins does not support the notion of a neuron-like heterotypic fusion. Instead it shows similarity with the homotypic fusion process of vacuoles in yeast. The importance of SNARE-proteins for the fusion of tubulovesicles with the canalicular membrane and, by consequence also for the increase of acid-secretion was shown by incubation of the cells with tetanus neurotoxin (TeNt). The measurable increase of acid secretion by parietal cells after stimulation with c-AMP was inhibited completely through an incubation with TeNt.

Das grundlegende Verständnis von Selbstorganisationsprozessen auf molekularem Niveau ist von entscheidender Bedeutung für den Fortschritt der Nanotechnologie. In diesem Zusammenhang werden hier Untersuchungen derartiger Prozesse an der Grenzfläche zwischen einer flüssigen Phase (z.B. einer Lösung) und einer kristallinen Festkörperoberfläche durchgeführt. Die Konzentration der Lösung und die Polarität des Lösungsmittels sind von entscheidender Bedeutung für die Kontrolle der durch Selbstorganisation gebildeten Strukturen von Molekülen an den flüssig-fest Grenzflächen zu einem Graphitsubstrat (HOPG). Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit stehen die Einflüsse dieser beiden Parameter auf die Anordnung der Moleküle. Zunächst wird die Polarität der Lösungsmittel diskutiert. Lösungsmittel mit verschiedenen Polaritäten wie Phenyloctan (unpolar), Fettsäuren (moderat polar) und Fettalkohole (stark polar) wurden verwendet um Trimesinsäure (TMA) zu lösen. TMA bildet keine geordnete Struktur aus wenn es aus Phenyloctan (PO) abgeschieden wird. Ein poröses Muster ("Chicken-wire"-Struktur) entsteht aus der Lösung von TMA in Octansäure, wohingegen aus der Lösung von TMA in Undecanol ein Linienmuster durch Koadsorption von TMA und Undecanol Molekülen gebildet wird. Als nächstes werden die Auswirkungen der Ultraschallbehandlung der Lösungen zur Kontrolle der Konzentration der Lösung und die daraus resultierende unterschiedliche molekulare Packungsdichte und Strukturen beschrieben. Eine selbstassemblierte Struktur aus Zick-Zack-Dimerketten wird bei der TMA-PO Lösung nur beobachtet, wenn die Lösung für 5 Stunden Ultraschall ausgesetzt wurde. Die hoher Packungsdichte in Form der "Flower"-Struktur wird für Lösungen von TMA in Octansäure gefunden, nachdem diese für lange Zeit mit Ultraschall behandelt wurden. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Arbeit ist die entdeckte Veresterungsreaktion an der TMA-undecanol/HOPG Grenzfläche. 1-undecyl Monoester von TMA wurde überraschender Weise an dieser Grenzfläche gefunden, nachdem die TMA-Undecanol Lösungen, für lange Zeit Ultraschall ausgesetzt wurden. Diese Monoestermoleküle bilden sich an der flüssig-fest Grenzfläche allein auf Grund der erhöhten Konzentration von TMA (ohne jegliche externe Katalysatoren). Der physikalische Hintergrund der Prozesse des Lösens und der Ultraschallbehandlung sind der Gegenstand weiterer Untersuchungen. Selbstassemblierte Abscheidung tritt auch bei Verwendung nur der reinen Lösungsmittel (Octansäure beziehungsweise Undecanol) auf, was zu verschiedenen Mustern führt, welche ebenfalls durch Ultraschallbehandlung kontrolliert eingestellt werden können.

Prominin-1 (alias CD133) has received considerable interest because of its expression by several stem and progenitor cells originating from various sources, including the neural and hematopoietic systems. As a cell surface marker, prominin-1 is now used for somatic stem cell isolation. Its expression in cancer stem cells has broadened its clinical value, as it might be useful to outline new prospects for more effective cancer therapies by targeting tumor-initiating cells. Cell biological studies of this molecule have demonstrated that it is specifically concentrated in various membrane structures that protrude from the planar areas of the plasmalemma. Prominin-1 binds to the plasma membrane cholesterol and is associated with a particular membrane microdomain in a cholesterol-dependent manner. Although its physiological function is not yet determined, it is becoming clear that this cell surface protein, as a unique marker of both plasma membrane protrusions and membrane microdomains, might reveal new aspects of the cell biology of rare stem and cancer stem cells. The aim of this review is to outline the recent discoveries regarding the dynamic reorganization of the plasma membrane of rare CD133+ hematopoietic progenitor cells during cell migration and division. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

In den letzten Jahren gab es Fortschritte im Verständnis der Gefäßbildung bei Ereignissen wie Keimen, Lumenbildung und Gefäßstabilisierung. Nach der Bildung eines primitiven Plexus ist die Gefäßoptimierung und hierarchische Umwandlung der morphologischen Gefäße in einen reifen Plexus durch vaskuläres "Pruning" wenig verstanden. Unterschiedliche Blutflussprofile in nebeneinander angeordneten Gefäßen können Asymmetrien in der Scherspannung verursachen, was die Zellmigration in Bereichen mit höherem Fluss fördert und die Destabilisierung von Segmenten mit geringem Fluss induziert. Diese Studie basiert auf der Hypothese, dass funktionelle Gefäßnetzwerke und Umbildung durch flussgesteuerte Endothelzellmigration ausgelöst werden. Wie die zelluläre Erfassung physikalischer Kräfte integriert ist, um Informationen zu übertragen und das Verhalten von Zellen zu modifizieren, ist noch unbekannt. Die Studie untersucht die Regulation und Koordination durch RhoGTPase-Signale während der kollektiven endothelialen Migration aufgrund von Flüssigkeitskräften. RhoGTPasen ermöglichen die räumlich-zeitliche Koordination, langfristige Anpassung an den Fluss und morphologische Umgestaltung. Beeinträchtigungen von RhoGTPasen zeigen Defekte bei Zellmigration und kollektiver Koordination in Umgebungen mit freiem Rand und strömungsgetriebener Migration. Die Studie erläutert den Einfluss der RhoGTPase-Regulation der Verbindungsdynamik in Verbindung mit der Aktinorganisation, die für die mechanische Kopplung und endotheliale Reaktionsfähigkeit erforderlich ist. Insgesamt betont die Studie die Relevanz der räumlich-zeitlichen RhoGTPase-Kontrolle und der Aufrechterhaltung der mechanischen Kopplung zwischen Strömung und Migration für die kollektive Koordination als Reaktion auf hämodynamische Kräfte. / In recent years, there have been significant advances in understanding how new vessels form during events like sprouting, lumen formation, and vessel stabilization. Yet, after the formation of a basic network, the crucial step of rearranging vessels into a mature structure, known as vascular pruning, needs further investigation. It's suggested that different blood flow profiles in nearby vessels create imbalances in shear stress, leading to cell migration toward higher flow regions, destabilizing low-flow segments, and causing the collapse of redundant segments. This study, in line with existing literature, proposes that functional vascular networks and remodeling result from the flow-driven migration of endothelial cells. However, how cells precisely sense physical forces to regulate their behavior and coordinate migration in response to flow remains unknown. I explore the regulation and coordination of Rho GTPases during collective endothelial migration under fluid forces. Rho GTPases' coordination allows long-term adaptation to flow and morphological remodeling. Impairments in Rho GTPases reveal defects in cell migration and collective coordination during free-edge and flow-driven migration. Finally, I explain how Rho GTPases' regulation influences junctional dynamics and actin organization, crucial for mechanical coupling and endothelial responsiveness to flow. Overall, this study emphasizes the importance of controlling Rho GTPases over time and maintaining mechanical coupling between flow and migration for collective coordination in response to fluid forces.

The mechanisms that order cellular packing geometry are critical for the functioning of many tissues, but are poorly understood. Here we investigate this problem in the developing wing of Drosophila. The surface of the wing is decorated by hexagonally packed hairs that are uniformly oriented towards the distal wing tip. They are constructed by a hexagonal array of wing epithelial cells. We find that wing epithelial cells are irregularly arranged throughout most of development but become hexagonally packed shortly before hair formation. During the process, individual cell junctions grow and shrink, resulting in local neighbor exchanges. These dynamic changes mediate hexagonal packing and require the efficient delivery of E-cadherin to remodeling junctions; a process that depends on both the large GTPase Dynamin and the function of Rab11 recycling endosomes. We suggest that E-cadherin is actively internalized and recycled as wing epithelial cells pack into a regular hexagonal array. Hexagonal packing furthermore depends on the activity of the Planar Cell Polarity proteins. The Planar Cell Polarity group of proteins coordinates complex and polarized cell behavior in many contexts. No common cell biological mechanism has yet been identified to explain their functions in different tissues. A genetic interaction between Dynamin and the Planar Cell Polarity mutants suggests that the planar cell polarity proteins may modulate Dynamin-dependent trafficking of E-cadherin to enable the dynamic remodeling of junctions. We furthermore show that the Planar Cell Polarity protein Flamingo can recruit the exocyst component Sec5. Sec5 vesicles also co-localizes with E-cadherin and Flamingo. Based on these observations we propose that during the hexagonal repacking of the wing epithelium these proteins polarize the trafficking of E-cadherin-containing exocyst vesicles to remodeling junctions. The work presented in this thesis shows that one of the basic cellular functions of planar cell polarity signaling may be the regulation of dynamic cell adhesion. In doing so, the planar cell polarity pathway mediates the acquisition of a regular packing geometry of Drosophila wing epithelial cells. We identify polarized exocyst-dependent membrane traffic as the first basic cellular mechanism that can explain the role of PCP proteins in different developmental systems.

The mechanisms that order cellular packing geometry are critical for the functioning of many tissues, but are poorly understood. Here we investigate this problem in the developing wing of Drosophila. The surface of the wing is decorated by hexagonally packed hairs that are uniformly oriented towards the distal wing tip. They are constructed by a hexagonal array of wing epithelial cells. We find that wing epithelial cells are irregularly arranged throughout most of development but become hexagonally packed shortly before hair formation. During the process, individual cell junctions grow and shrink, resulting in local neighbor exchanges. These dynamic changes mediate hexagonal packing and require the efficient delivery of E-cadherin to remodeling junctions; a process that depends on both the large GTPase Dynamin and the function of Rab11 recycling endosomes. We suggest that E-cadherin is actively internalized and recycled as wing epithelial cells pack into a regular hexagonal array. Hexagonal packing furthermore depends on the activity of the Planar Cell Polarity proteins. The Planar Cell Polarity group of proteins coordinates complex and polarized cell behavior in many contexts. No common cell biological mechanism has yet been identified to explain their functions in different tissues. A genetic interaction between Dynamin and the Planar Cell Polarity mutants suggests that the planar cell polarity proteins may modulate Dynamin-dependent trafficking of E-cadherin to enable the dynamic remodeling of junctions. We furthermore show that the Planar Cell Polarity protein Flamingo can recruit the exocyst component Sec5. Sec5 vesicles also co-localizes with E-cadherin and Flamingo. Based on these observations we propose that during the hexagonal repacking of the wing epithelium these proteins polarize the trafficking of E-cadherin-containing exocyst vesicles to remodeling junctions. The work presented in this thesis shows that one of the basic cellular functions of planar cell polarity signaling may be the regulation of dynamic cell adhesion. In doing so, the planar cell polarity pathway mediates the acquisition of a regular packing geometry of Drosophila wing epithelial cells. We identify polarized exocyst-dependent membrane traffic as the first basic cellular mechanism that can explain the role of PCP proteins in different developmental systems.

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