Die vorliegende Arbeit 'Abflu&szlig;entwicklung in Teileinzugsgebieten des Rheins - Simulationen f&uuml;r den Ist-Zustand und f&uuml;r Klimaszenarien' untersucht Auswirkungen m&ouml;glicher zuk&uuml;nftiger Klima&auml;nderungen auf das Abflu&szlig;geschehen in ausgew&auml;hlten, durch Mittelgebirge gepr&auml;gten Teileinzugsgebieten des Rheins: Mosel (bis Pegel Cochem); Sieg (bis Pegel Menden 1) und Main (bis Pegel Kemmern).<br><br>In einem ersten Schritt werden unter Verwendung des hydrologischen Modells HBV-D wichtige Modellprozesse entsprechend der Einzugsgebietscharakteristik parametrisiert und ein Abbild der Gebietshydrologie erzeugt, das mit Zeitreihen gemessener Tageswerte (Temperatur, Niederschlag) eine Zeitreihe der Pegeldurchfl&uuml;sse simulieren kann. Die G&uuml;te der Simulation des Ist-Zustandes (Standard-Me&szlig;zeitraum 1.1.1961-31.12.1999) ist f&uuml;r die Kalibrierungs- und Validierungszeitr&auml;ume in allen Untersuchungsgebieten gut bis sehr gut.<br>Zur Erleichterung der umfangreichen, zeitaufwendigen einzugsgebietsbezogenen Datenaufbereitung f&uuml;r das hydrologische Modell HBV-D wurde eine Arbeitsumgebung auf Basis von Programmerweiterungen des Geoinformationssystems ArcView und zus&auml;tzlichen Hilfsprogrammen entwickelt. Die Arbeitsumgebung HBV-Params enth&auml;lt eine graphische Benutzeroberfl&auml;che und r&auml;umt sowohl erfahrenen Hydrologen als auch hydrologisch geschulten Anwendern, z.B. Studenten der Vertiefungsrichtung Hydrologie, Flexibilit&auml;t und vollst&auml;ndige Kontrolle bei der Ableitung von Parameterwerten und der Editierung von Parameter- und Steuerdateien ein. Somit ist HBV-D im Gegensatz zu Vorl&auml;uferversionen mit rudiment&auml;ren Arbeitsumgebungen auch au&szlig;erhalb der Forschung f&uuml;r Lehr- und &Uuml;bungszwecke einsetzbar.<br><br>In einem zweiten Schritt werden Gebietsniederschlagssummen, Gebietstemperaturen und simulierte Mittelwerte des Durchflusses (MQ) des Ist-Zustandes mit den Zust&auml;nden zweier Klimaszenarien f&uuml;r den Szenarienzeitraum 100 Jahre sp&auml;ter (2061-2099) verglichen. Die Klimaszenarien beruhen auf simulierten Zirkulationsmustern je eines Modellaufes zweier Globaler Zirkulationsmodelle (GCM), die mit einem statistischen Regionalisierungsverfahren in Tageswertszenarien (Temperatur, Niederschlag) an Me&szlig;stationen in den Untersuchungsgebieten &uuml;berf&uuml;hrt wurden und als Eingangsdaten des hydrologischen Modells verwendet werden.<br>F&uuml;r die zweite H&auml;lfte des 21. Jahrhunderts weisen beide regionalisierten Klimaszenarien eine Zunahme der Jahresmittel der Gebietstemperatur sowie eine Zunahme der Jahressummen der Gebietsniederschl&auml;ge auf, die mit einer hohen Variabilit&auml;t einhergeht. Eine Betrachtung der saisonalen (monatlichen) &Auml;nderungsbetr&auml;ge von Temperatur, Niederschlag und mittlerem Durchflu&szlig; zwischen Szenarienzeitraum (2061-2099) und Ist-Zustand ergibt in allen Untersuchungsgebieten eine Temperaturzunahme (h&ouml;her im Sommer als im Winter) und eine generelle Zunahme der Niederschlagssummen (mit starken Schwankungen zwischen den Einzelmonaten), die bei der hydrologischen Simulation zu deutlich h&ouml;heren mittleren Durchfl&uuml;ssen von November bis M&auml;rz und leicht erh&ouml;hten mittleren Durchfl&uuml;ssen in den restlichen Monaten f&uuml;hren. Die St&auml;rke der Durchflu&szlig;erh&ouml;hung ist nach den individuellen Klimaszenarien unterschiedlich und im Sommer- bzw. Winterhalbjahr gegenl&auml;ufig ausgepr&auml;gt. Hauptursache f&uuml;r die simulierte starke Zunahme der mittleren Durchfl&uuml;sse im Winterhalbjahr ist die trotz Temperaturerh&ouml;hung der Klimaszenarien winterlich niedrige Evapotranspiration, so da&szlig; erh&ouml;hte Niederschl&auml;ge direkt in erh&ouml;hten Durchflu&szlig; transformiert werden k&ouml;nnen.<br>Der Vergleich der Untersuchungsgebiete zeigt in Einzelmonaten von West nach Ost abnehmende &Auml;nderungsbetr&auml;ge der Niederschlagssummen, die als Hinweis auf die Bedeutung der Kontinentalit&auml;tseinfl&uuml;sse auch unter ge&auml;nderten klimatischen Bedingungen in S&uuml;dwestdeutschland aufgefa&szlig;t werden k&ouml;nnten.<br>Aus den regionalisierten Klimaszenarien werden &Auml;nderungsbetr&auml;ge f&uuml;r die Modulation gemessener Zeitreihen mittels synthetischer Szenarien abgeleitet, die mit einem geringen Rechenaufwand in hydrologische Modellantworten &uuml;berf&uuml;hrt werden k&ouml;nnen. Die direkte Ableitung synthetischer Szenarien aus GCM-Ergebniswerten (bodennahe Temperatur und Gesamtniederschlag) an einzelnen GCM-Gitterpunkten erbrachte unbefriedigende Ergebnisse.<br>Ob, in welcher H&ouml;he und zeitlichen Verteilung die in den (synthetischen) Szenarien verwendeten Niederschlags- und Temperatur&auml;nderungen eintreten werden, kann nur die Zukunft zeigen. Eine Absch&auml;tzung, wie sich die Abflu&szlig;verh&auml;ltnisse und insbesondere die mittleren Durchfl&uuml;sse der Untersuchungsgebiete bei m&ouml;glichen &Auml;nderungen entwickeln w&uuml;rden, kann jedoch heute schon vorgenommen werden. <br><br>Simulationen auf Szenariogrundlagen sind ein Weg, unbekannte zuk&uuml;nftige Randbedingungen sowie regionale Auswirkungen m&ouml;glicher &Auml;nderungen des Klimasystems ausschnittsweise abzusch&auml;tzen und entsprechende Risikominderungsstrategien zu entwickeln. Jegliche Modellierung und Simulation nat&uuml;rlicher Systeme ist jedoch mit betr&auml;chtlichen Unsicherheiten verkn&uuml;pft. Vergleichsweise gro&szlig;e Unsicherheiten sind mit der zuk&uuml;nftigen Entwicklung des sozio&ouml;konomischen Systems und der Komplexit&auml;t des Klimasystems verbunden. Weiterhin haben Unsicherheiten der einzelnen Modellbausteine der Modellkette Emissionsszenarien/Gaszyklusmodelle - Globale Zirkulationsmodelle/Regionalisierung - hydrologisches Modell, die eine Kaskade der Unsicherheiten ergeben, neben Datenunsicherheiten bei der Erfassung hydrometeorologischer Me&szlig;gr&ouml;&szlig;en einen erheblichen Einflu&szlig; auf die Vertrauensw&uuml;rdigkeit der Simulationsergebnisse, die als ein dargestellter Wert eines Ergebnisbandes zu interpretieren sind.<br><br>Der Einsatz <br>(1) robuster hydrologischer Modelle, die insbesondere temperaturbeeinflu&szlig;te Prozesse ad&auml;quat beschreiben,<br>(2) die Verwendung langer Zeitreihen (wenigsten 30 Jahre) von Me&szlig;werten und<br>(3) die gleichzeitige vergleichende Betrachtung von Klimaszenarien, die auf unterschiedlichen GCMs beruhen (und wenn m&ouml;glich, verschiedene Emissionsszenarien ber&uuml;cksichtigen),<br>sollte aus Gr&uuml;nden der wissenschaftlichen Sorgfalt, aber auch der besseren Vergleichbarkeit der Ergebnisse von Regionalstudien im noch jungen Forschungsfeld der Klimafolgenforschung beachtet werden. / This thesis 'Development of runoff in subcatchments of the River Rhine - simulations of the current state and for climate change scenarios' investigates the impacts of possible future climate changes on runoff and runoff regime in selected subcatchments of the River Rhine. The regional climate in the selected subcatchments Mosel (up to gauge Cochem), Sieg (gauge Menden 1) and Main (gauge Kemmern) is affected by the middle mountain ranges.<br><br>In a first step, important model processes are parameterized according to catchment characteristics. A representation of the regional hydrology is then produced by using the hydrological model HBV-D. Based on time series of daily measurements (temperature, precipitation) at stations within the catchment, this representation can be used to realistically simulate time series of runoff and discharge. <br>In all examined areas, the quality of simulations of the calibration and validation periods for the current state (standard period of measurements 01/01/1961-12/31/1999) can be regarded as good to excellent. <br>To aid the catchment-specific, extensive and time-consuming data processing, a working environment for the hydrological model HBV-D has been developed. It is based on program extensions of the geographical information system ArcView and further programs. The working environment HBV-Params contains a graphical interface that gives both experienced hydrologists and students full control and enables them to flexibly derive parameter values and edit parameter and control files. In contrast to previous versions with only rudimentary working environments, HBV-D can therefore be utilized for research as well as for educational purposes. <br><br>In a second step, the current states of areal precipitation, areal temperature and simulated mean discharge (MQ) are compared to the corresponding states for two scenarios of future climate changes (100 years later, 2061-2099). These scenarios are based on simulated global circulations of one model run for each of two global circulation models (GCM). These global circulations are regionalized (downscaled) using a statistical approach into scenario time series of daily values (temperature, precipitation - input for the hydrological model) at control stations within the individual catchments. <br>For the second half of the 21st century, both regionalized climate change scenarios indicate increases in the mean annual areal temperature and mean annual sum of precipitation, along with a high variability of the latter. The seasonal (monthly) changes in temperature, precipitation and mean discharge between scenario state (2061-2099) and current state indicate increases in temperature (higher in summer than in winter) as well as a general increase in precipitation sums (strong fluctuations between individual months). In the hydrological simulations for all investigated catchments, this results in considerably higher mean discharges from November to March and small increases in mean discharge for the other months. The magnitude of the increases in discharge depends on the individual climate change scenario, one showing higher increases than the other during the summer half-year and vice versa for the winter half-year. The main reason for the simulated strong increase in mean discharge during winter half-year is, in spite of higher temperatures, the still relatively low evapotranspiration which allows higher precipitation to be directly transformed into higher discharges. <br>The comparison of the investigated catchments shows decreasing amounts of changes in the sum of precipitation from West to East in individual months. This indicates the importance of continentality under changed climatic conditions in Southwest Germany. <br>For the modification of measured time series (temperature, precipitation), which can be easily converted as synthetic scenarios into simulated hydrological results, amounts of change are derived from regionalized (downscaled) climate change scenarios. The derivation of synthetic scenarios directly from GCM output at individual GCM gridpoints yielded unsatisfactory results. <br>Only the future itself can show whether the timing and amount of changes in temperature and precipitation used in (synthetic) climate change scenarios come close to reality. An assessment of possible developments in runoff regime and specifically mean discharge under possible changed climatic conditions in the investigated catchments is already feasible today. <br><br>Simulations based on scenarios are one way to establish unknown future boundary conditions for the estimation of regional impacts of possible changes of the climate system. Nevertheless, all types of modeling and simulation of natural systems are linked with uncertainties. Rather large uncertainties persist regarding the future development of the socio-economic system and the complexity of the climate system and earth system. Furthermore, besides data uncertainties associated with the measurement of hydro-meteorological values, uncertainties associated with individual components of the model chain emission scenarios/gas cycle model - GCM/regionalization - hydrological model, which form a cascade of uncertainty, have a great influence on the trustworthiness of the simulation results (which are understood as one shown value within a range of results). <br><br>In the young field of climate impact research the use of <br>(1) robust hydrological models that adequately describe temperature-dependent processes,<br>(2) long time series (at least 30 years long) of measurements, <br>(3) concurrent comparisons of climate change scenarios, based on different GCMs (and, if possible, different emission scenarios)<br>should be considered for reasons of scientific thoroughness and to improve comparability of regional impact studies.

No description available.

Two trigonal tritopic ligands with different conformational degree of freedom: conformationally labile H3tcbpa (tris((4-carboxyl)phenylduryl)amine) and conformationally obstructed H3hmbqa (4,4′,4′′-(4,4,8,8,12,12-hexamethyl-8,12-dihydro-4H-benzo[9,1]quino-lizino[3,4,5,6,7-defg]acridine-2,6,10-triyl)tribenzoic acid) are assembled with square-planar paddle-wheel nodes with the aim of selective engineering of the frameworks with tbo and pto underlying net topologies. In the case of H3tcbpa, both topological types were obtained forming non-interpenetrated MOFs namely DUT-63 (tbo) and DUT-64 (pto). Whereas synthesis of DUT-63 proceeds under typical conditions, formation of DUT-64 requires an additional topology directing reagent (topological modifier). Solvothermal treatment of the conformationally hindered H3hmbqa ligand with the Cu-salt results exclusively in DUT-77 material, based on the single pto net. The possibility to insert the salen based metallated pillar ligand into networks with pto topology post-synthetically results in DUT-78 and DUT-79 materials (both ith-d) and opens new horizons for post-synthetic insertion of catalytically active metals within the above-mentioned topological type of frameworks.

All cells maintain essential metal nutrients at optimal levels by metal homeostasis. P-type ATPases, a crucial superfamily of integral membrane proteins, are involved in the active transport of metal ions across biological membranes driven by the motive force of ATP- hydrolysis. The PIB-type ATPase subfamily, also called CPx-ATPases, fulfills a key role in heavy metal homoeostasis among the most widespread species from bacteria to human. In humans, the defect in copper transporters is the direct cause of severe neurological and hepatic disorders such as Wilson and Menkes diseases, therefore, understanding the molecular function of these pumps is of paramount importance in human health. Cu+-ATPases have two transmembrane metal binding sites (TM-MBS) and three cytosolic domains, namely the actuator (A-domain) and phosphorylation and nucleotide-binding domain (PN), and regulatory N-terminal heavy metal binding domain (HMBD). Here, we have studied the Legionella pneumophila CopA (LpCopA) and its isolated cytosolic domains to improve our understanding of the functional interaction of the protein domains during metal transport relate this to the known structure of this ATPase. To elucidate how cytosolic ligands (Cu+ and nucleotide) stimulate the interactions among the cytosolic domains and may transmit conformational changes to the TM-MBS, the interactions among recombinant isolated cytosolic domains were first examined biochemically by co-purification and spectroscopically by circular dichroism, time-resolved fluorescence and site-directed fluorescent labeling assays. The Cu+-dependent interaction between the A-domain and HMBD has been postulated as a mechanism for activating the ATPase cycle. This question was addressed here by studying copper-dependent interactions between the isolated expressed domains. Spectroscopic evidence is provided that an HMBD-A complex is formed in the presence of Cu+ which binds with 100-200 nM affinity to the recombinant HMBD. In contrast, the A-domain interacts with the PN domain in a nucleotide-dependent fashion. This molecular recognition is required for the dephosphorylation step in the catalytic cycle. The interaction was investigated in more detail by the use of a decameric peptide derived from the PN-binding interface of the A-domain and carrying the conserved TGE-motif involved in dephosphorylation. Its binding to the isolated PN domain in a weakly nucleotide-dependent manner, is demonstrated here by stopped-flow fluorescence spectroscopy. Several ATPase assays were modified to assess the functionality of the PN-domain and full length LpCopA. The peptide was found to reduce the catalytic turnover of full length LpCopA. This agrees with the expected slowing down of the reformation of the PN-A-domain interaction since the peptide occupies their binding interface. Thus, the synthetic peptide provides a means to study specifically the influence of PN-A-domain interactions on the structure and function of LpCopA. This was done by time-correlated single photon counting (TCSPC) method. The time-dependent Stokes shift of the environmentally sensitive fluorophore BADAN which was covalently attached to the conserved CPC-motif in the TM-MBS was measured. The data indicate that the interior of the ATPase is hydrated and the mobility of the intra-protein water varies from high to low at C382 at the “luminal side” and C384 at the “cytosolic side” of the TM-MBS, respectively. This finding is consistent with the recent MD simulation of LpCopA, bringing the first experimental evidence on a luminal-open conformation of E2~P state. The A-domain-derived decapeptide, although binding to the cytosolic head piece, induces structural changes also at the TM-MBS. The peptide-stabilized state (with a disrupted PN-A interface) renders the C384 environment more hydrophobic as evidenced by TCSPC. Taken together, the data from cytosolic domain interactions, ATPase assays and of time-dependent Stoke shift analyses of BADAN-labeled LpCopA reveal the presence of hydrated intramembraneous sites whose degree of hydration is regulated by the rearrangement of cytosolic domains, particularly during the association and dissociation of the PN-A domains. Copper affects this arrangement by inducing the linkage of the A-domain to the HMBD. The latter appears to play not only an autoinhibitory but also a chaperone-like role in transferring Cu+ to the TM-MBS during catalytic turnover.

No description available.

All cells maintain essential metal nutrients at optimal levels by metal homeostasis. P-type ATPases, a crucial superfamily of integral membrane proteins, are involved in the active transport of metal ions across biological membranes driven by the motive force of ATP- hydrolysis. The PIB-type ATPase subfamily, also called CPx-ATPases, fulfills a key role in heavy metal homoeostasis among the most widespread species from bacteria to human. In humans, the defect in copper transporters is the direct cause of severe neurological and hepatic disorders such as Wilson and Menkes diseases, therefore, understanding the molecular function of these pumps is of paramount importance in human health. Cu+-ATPases have two transmembrane metal binding sites (TM-MBS) and three cytosolic domains, namely the actuator (A-domain) and phosphorylation and nucleotide-binding domain (PN), and regulatory N-terminal heavy metal binding domain (HMBD). Here, we have studied the Legionella pneumophila CopA (LpCopA) and its isolated cytosolic domains to improve our understanding of the functional interaction of the protein domains during metal transport relate this to the known structure of this ATPase. To elucidate how cytosolic ligands (Cu+ and nucleotide) stimulate the interactions among the cytosolic domains and may transmit conformational changes to the TM-MBS, the interactions among recombinant isolated cytosolic domains were first examined biochemically by co-purification and spectroscopically by circular dichroism, time-resolved fluorescence and site-directed fluorescent labeling assays. The Cu+-dependent interaction between the A-domain and HMBD has been postulated as a mechanism for activating the ATPase cycle. This question was addressed here by studying copper-dependent interactions between the isolated expressed domains. Spectroscopic evidence is provided that an HMBD-A complex is formed in the presence of Cu+ which binds with 100-200 nM affinity to the recombinant HMBD. In contrast, the A-domain interacts with the PN domain in a nucleotide-dependent fashion. This molecular recognition is required for the dephosphorylation step in the catalytic cycle. The interaction was investigated in more detail by the use of a decameric peptide derived from the PN-binding interface of the A-domain and carrying the conserved TGE-motif involved in dephosphorylation. Its binding to the isolated PN domain in a weakly nucleotide-dependent manner, is demonstrated here by stopped-flow fluorescence spectroscopy. Several ATPase assays were modified to assess the functionality of the PN-domain and full length LpCopA. The peptide was found to reduce the catalytic turnover of full length LpCopA. This agrees with the expected slowing down of the reformation of the PN-A-domain interaction since the peptide occupies their binding interface. Thus, the synthetic peptide provides a means to study specifically the influence of PN-A-domain interactions on the structure and function of LpCopA. This was done by time-correlated single photon counting (TCSPC) method. The time-dependent Stokes shift of the environmentally sensitive fluorophore BADAN which was covalently attached to the conserved CPC-motif in the TM-MBS was measured. The data indicate that the interior of the ATPase is hydrated and the mobility of the intra-protein water varies from high to low at C382 at the “luminal side” and C384 at the “cytosolic side” of the TM-MBS, respectively. This finding is consistent with the recent MD simulation of LpCopA, bringing the first experimental evidence on a luminal-open conformation of E2~P state. The A-domain-derived decapeptide, although binding to the cytosolic head piece, induces structural changes also at the TM-MBS. The peptide-stabilized state (with a disrupted PN-A interface) renders the C384 environment more hydrophobic as evidenced by TCSPC. Taken together, the data from cytosolic domain interactions, ATPase assays and of time-dependent Stoke shift analyses of BADAN-labeled LpCopA reveal the presence of hydrated intramembraneous sites whose degree of hydration is regulated by the rearrangement of cytosolic domains, particularly during the association and dissociation of the PN-A domains. Copper affects this arrangement by inducing the linkage of the A-domain to the HMBD. The latter appears to play not only an autoinhibitory but also a chaperone-like role in transferring Cu+ to the TM-MBS during catalytic turnover.

Miesmuscheln inspirieren zur nächsten Generation von wasserbasierten Nassklebstoffen. Muschelfußproteine (mfps) ermöglichen es den Muscheln, sich an jede Oberfläche zu haften und zeigen bemerkenswerte Eigenschaften, die insbesondere durch das Aminosäurederivat 3,4 Dihydroxyphenylalanin (Dopa) verursacht werden. Da der Einfluss von Wasser nach wie vor eine große Herausforderung für Klebeanwendungen darstellt und die Herstellung und Reinigung von Klebeproteinen viel Zeit und Kosten erfordert, ist ein einfacher Zugang zu biomimetischen Klebstoffen von großem Interesse. Die vorliegende Arbeit untersucht einen neuartigen Muschel-inspirierten Polymerisationsansatz zur Herstellung von adhäsiven Proteinanaloga aus Oligopeptiden (Unimeren). Der Polymerisationsmechanismus nutzt einen Reaktionsweg, der in Miesmuscheln auftritt und beruht auf einer enzymatischen Oxidation von Tyrosin zu Dopachinon, das mit freien Thiolen aus Cystein Cysteinyldopa bildet, wodurch Unimere verknüpft und adhäsive Funktionalitäten erzeugt werden. Innerhalb weniger Minuten entstehen hochmolekulare Polymere, die ein vielseitiges Adsorptions- und starkes Adhäsionsverhalten demonstrieren. Die Proteinanaloga weisen eine signifikante Multischicht-Adsorption auf hydrophilen sowie hydrophoben Oberflächen auf und sind resistent gegenüber Spülschritten mit hochkonzentrierten Salz-Lösungen. Die beobachteten Adhäsionsenergien liegen im Bereich von kommerziellen mfp-Extrakten und überschreiten sogar berichtete Werte für isolierte mfps. Die Arbeit präsentiert eine einfache Synthese künstlicher mfp-Analoga, die in der Lage sind Aspekte natürlicher mfps nachzuahmen und potenziell zur Entwicklung von wasserresistenten Universalklebstoffen beitragen. Um die Bedingungen für eine kostengünstige, großtechnische Produktion zu verbessern, werden zusätzlich alternative Synthesewege für die enzymfreie Herstellung Muschel-inspirierter Polymere untersucht, die auf der chemischen Oxidation von Dopa-haltigen Unimeren beruhen. / Marine mussels provide inspiration for the next generation of water-based, wet adhesives. Mussel foot proteins (mfps) enable them to attach to any surface and exhibit remarkable properties, notably due to the amino acid derivative 3,4-dihydroxyphenylalanine (Dopa). Since the influence of water still constitutes a major challenge for gluing applications and large-scale production and purification of adhesive proteins is time-consuming and costly, an easy access route toward biomimetic adhesives is of high interest. This thesis investigates a novel mussel-inspired polymerization approach for the production of adhesive protein analogues from oligopeptides (unimers). The polymerization mechanism exploits a distinct reaction pathway, occurring in mussels and relies on enzyme-mediated oxidation of tyrosine to Dopaquinone in the unimers, which forms cysteinyldopa with free thiols from cysteine, thereby linking unimers and generating adhesive moieties. Within a few minutes high molecular weight polymers are obtained that show versatile adsorption and strong adhesion behaviour. The protein analogues exhibit significant multilayer adsorption onto hydrophilic as well as hydrophobic surfaces and resist rinsing with highly saline solutions. Comparative adhesion studies on silica reveal adhesion energies that are in the same range as commercial mussel foot protein extracts and even exceed reported values for isolated foot proteins that constitute the gluing interfaces. The approach offers facile access toward artificial mussel foot proteins that are capable of mimicking aspects of the natural ideal and potentially helps to develop next-generation universal water resistant glues. In order to further improve the conditions regarding cost-efficient and large-scale production in the future, alternative synthesis routes for the enzyme-free generation of mussel-inspired polymers based on chemical oxidation of Dopa containing unimers are additionally explored.

Perception, primarily through vision, is a vital human ability that informs decision-making and interactions with the world. Computer Vision, the field dedicated to emulating this human capability in computers, has witnessed transformative progress with the advent of artificial intelligence, particularly neural networks and deep learning. These technologies enable automatic feature learning, eliminating the need for laborious hand-crafted features. The increasing global demand for artificial intelligence applications across various industries, however, raises concerns about data privacy and access. This dissertation addresses these challenges by proposing solutions that leverage synthetic data to preserve privacy and enhance the robustness of computer vision algorithms. The primary objective of this dissertation is to reduce the dependence on real data for modern image processing algorithms by utilizing synthetic data generated through computer simulations. Synthetic data serves as a privacy-preserving alternative, enabling the generation of data in scenarios that are difficult or unsafe to replicate in the real world. While purely simulated data falls short of capturing the full complexity of reality, the dissertation explores methods to bridge the gap between synthetic and real data. The dissertation encompasses a comprehensive evaluation of the synthetic THEODORE dataset, focusing on object detection using Convolutional Neural Networks. Fine-tuning CNN architectures with synthetic data demonstrates remarkable performance improvements over relying solely on real-world data. Extending beyond person recognition, these architectures exhibit the ability to recognize various objects in real-world settings. This work also investigates real-time performance and the impact of barrel distortion in omnidirectional images, underlining the potential of using synthetic data. Furthermore, the dissertation introduces two unsupervised domain adaptation methods tailored for anchorless object detection within the CenterNet architecture. The methods effectively reduce the domain gap when synthetic omnidirectional images serve as the source domain, and real images act as the target domain. Qualitative assessments highlight the advantages of these methods in reducing noise and enhancing detection accuracy. The dissertation concludes with creating an application within the Ambient Assisted Living context to realize the concepts. This application encompasses indoor localization heatmaps, human pose estimation, and activity recognition. The methodology leverages synthetically generated data, unique object identifiers, and rotated bounding boxes to enhance tracking in omnidirectional images. Importantly, the system is designed to operate without compromising privacy or using sensitive images, aligning with the growing concerns of data privacy and access in artificial intelligence applications. / Die Wahrnehmung, insbesondere durch das Sehen, ist eine entscheidende menschliche Fähigkeit, die die Entscheidungsfindung und die Interaktion mit der Welt beeinflusst. Die Computer Vision, das Fachgebiet, das sich der Nachahmung dieser menschlichen Fähigkeit in Computern widmet, hat mit dem Aufkommen künstlicher Intelligenz, insbesondere neuronaler Netzwerke und tiefem Lernen, eine transformative Entwicklung erlebt. Diese Technologien ermöglichen das automatische Erlernen von Merkmalen und beseitigen die Notwendigkeit mühsamer, handgefertigter Merkmale. Die steigende weltweite Nachfrage nach Anwendungen künstlicher Intelligenz in verschiedenen Branchen wirft jedoch Bedenken hinsichtlich des Datenschutzes und des Datenzugriffs auf. Diese Dissertation begegnet diesen Herausforderungen, indem sie Lösungen vorschlägt, die auf synthetischen Daten basieren, um die Privatsphäre zu wahren und die Robustheit von Computer-Vision Algorithmen zu steigern. Das Hauptziel dieser Dissertation besteht darin, die Abhängigkeit von realen Daten für moderne Bildverarbeitungsalgorithmen durch die Verwendung von synthetischen Daten zu reduzieren, die durch Computersimulationen generiert werden. Synthetische Daten dienen als datenschutzfreundliche Alternative und ermöglichen die Generierung von Daten in Szenarien, die schwer oder unsicher in der realen Welt nachzustellen sind. Obwohl rein simulierte Daten die volle Komplexität der Realität nicht erfassen, erforscht die Dissertation Methoden zur Überbrückung der Kluft zwischen synthetischen und realen Daten. Die Dissertation umfasst eine Evaluation des synthetischen THEODORE-Datensatzes mit dem Schwerpunkt auf der Objekterkennung mithilfe von Convolutional Neural Networks. Das Feinabstimmen dieser Architekturen mit synthetischen Daten zeigt bemerkenswerte Leistungssteigerungen im Vergleich zur ausschließlichen Verwendung von realen Daten. Über die Erkennung von Personen hinaus zeigen diese Architekturen die Fähigkeit, verschiedene Objekte in realen Umgebungen zu erkennen. Untersucht wird auch die Echtzeit-Performance und der Einfluss der tonnenförmigen Verzerrung in omnidirektionalen Bildern und betont das Potenzial der Verwendung synthetischer Daten. Darüber hinaus führt die Dissertation zwei nicht überwachte Domänenanpassungsmethoden ein, die speziell für die ankerlose Objekterkennung in der CenterNetArchitektur entwickelt wurden. Die Methoden reduzieren effektiv die Domänenlücke, wenn synthetische omnidirektionale Bilder als Quelldomäne und reale Bilder als Zieldomäne dienen. Qualitative Bewertungen heben die Vorteile dieser Methoden bei der Reduzierung von Störungen und der Verbesserung der Erkennungsgenauigkeit hervor. Die Dissertation schließt mit der Entwicklung einer Anwendung im Kontext von Ambient Assisted Living zur Umsetzung der Konzepte. Diese Anwendung umfasst Innenlokalisierungskarten, die Schätzung der menschlichen Körperhaltung und die Erkennung von Aktivitäten. Die Methodologie nutzt synthetisch generierte Daten, eindeutige Objektidentifikatoren und rotierte Begrenzungsrahmen, um die Verfolgung in omnidirektionalen Bildern zu verbessern. Wichtig ist, dass das System entwickelt wurde, um ohne Beeinträchtigung der Privatsphäre oder Verwendung sensibler Bilder zu arbeiten, was den wachsenden Bedenken hinsichtlich des Datenschutzes und des Zugriffs auf Daten in Anwendungen künstlicher Intelligenz entspricht.

Die invasiven und metastatischen Eigenschaften vieler Tumore werden mit einer Veränderung im physiologischen Gleichgewicht der Matrix Metalloproteinasen (MMP) und ihrer spezifischen und unspezifischen Inhibitoren in Zusammenhang gebracht. Das Ziel dieser Dissertation war es, die Wirkung von Batimastat, einem synthetischen Inhibitor der MMP, auf hormonabhängige und hormonunabhängige Prostatakarzinomzellinien sowie auf das Tumorwachstum im orthotopen Tumormodell des Dunning Tumor (R3327) zu untersuchen. Methoden: Im Zellkulturversuch wurde die Wirkung verschiedener Konzentrationen von Batimastat untersucht und die Proliferation mit dem MTT Test gemessen. Die Induktion des orthotopen Tumors erfolgte durch Inokulation von MATLyLu Zellen in die Rattenprostata (Dunning Tumor der Copenhagen Ratte). 10 Tiere wurden nach Tumorinduktion täglich mit 30 mg/kg Batimastat durch intraperitoneale Gabe behandelt, 10 weitere Ratten erhielten nur das Vehikel. Zehn Kontrolltiere blieben unbehandelt. Der Effekt auf des lokale Tumorwachstum wurden durch Bestimmung des Tumorgewichtes nach 20 Tagen definiert. Results:Batimastat zeigte eine dosisabhänige Hemmung des Wachstums der Prostatakarzinomzellinien in vitro. Bei 4000 ng/ml kam es zu einer eindeutigen Hemmung des Zellwachstums. Im Tierversuch fand sich nach 20 Tagen in der Kontrollgruppe ein mittleres Tumorgewicht von 18.9 ± 5,4 g, in der Vehikelgruppe von 22.3 ± 4,3 g und in der mit Batimastat behandelten Gruppe von 11.1 ± 2,6 g. Im Vergleich zur Kontroll- und Vehikelgruppe, zeigte sich in der Batimastatgruppe ein signifikant geringeres Tumorgewicht. Zusammenfassung: Batimastat kann das Tumorwachstum in einem Standardtiermodell des Prostatakarzinoms vermindern. Der Dunning Tumor der Copenhagen Ratte ist ein zuverlässiges Tiermodell zur weiteren Untersuchung von synthetischen Inhibitoren der MMP. / Background: Increased concentrations of metalloproteinases are associated with the invasive and metastatic behavior of several human malignant tumors. Normally, enzymatic activity is tightly regulated by nonspecific mechanisms and specific inhibitors. The aim of this dissertation was to determine the potential of a synthetic metallproteinase inhibitor, batimastat, to show its in vitro effect on hormonedependent and hormoneindependent prostate cancer cell lines and its in vivo effect on tumor growth in orthotopic cancer (R3327 Dunning tumor) in rats. Methods: In vitro, a dose response curve of batimastat was generated over 5 days using the MTT assay. Prostate cancer was injected in vivo in male Copenhagen rats by inoculating R3327 Dunning tumor cells (MATLyLu) into the ventral prostatic lobe of 30 rats. Each of 10 rats received batimastat (30 mg / kg / body weight) or vehicle once a day by i.p. application beginning the day of cell inoculation. Ten rats remained untreated. The effect on local tumor growth was evaluated by measuring tumor weights 20 days after tumor cell inoculation. Results: Significant inhibiton of tumor cell proliferation in vitro occurred at 4000 ng / ml batimastat. After orthotopic cell inoculation, tumors grew to mean weights of 18.9 ± 5,4 g in the control group without treatment, to 22.3 ± 4,3 g in the vehicle group, an to 11.1 ± 2,6 g in the treated group. In comparison to the control group and to the vehicle group, tumor weights increased significantly less under treatment with batimastat. Conclusions: Batimastat is able to reduce tumor growth in the standard prostate cancer model. Using this model, activity against cancer progression of future inhibitory agents can be reliably assessed.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von Biosensoren mit dem Ziel, mit Hilfe der Kopplung molekular geprägter Polymere (MIPs) als neuartiges Rezeptormaterial und dem sensitiven Nachweisprinzip der Fluoreszenz eine neue Qualität des Analytnachweises zu erreichen. Es wurde eine neue Strategie zur Optimierung der Bindungseigenschaften von molekular geprägten Polymeren in wässrigen Lösungsmitteln entwickelt, die die Kopplung aus Design of Experiments und der Optimierung multipler Zielgrößen umfasst. Damit konnten die Polymerbindungseigenschaften für alle vier betrachteten Parameter wesentlich verbessert werden. Mit Hilfe stationärer und zeitaufgelöster Fluoreszenztechniken wurde die Aufklärung der Wechselwirkung zwischen MIP und Analyt auf molekularer Ebene sowie die Charakterisierung einer neuen Nachweisstrategie basierend auf einen Förster-Resonanzenergietransfer-Mechanismus realisiert. Es wurde ferner ein MIP-Sensor für biologische Proben mit mikrofluidischer Probenzuführung aufgebaut und mittels Fluoreszenzspektrometer als konventionelles Nachweisverfahren etabliert. Darauf aufbauend wurde der optische Nachweis miniaturisiert und somit miniaturisierte Lichtquellen und Detektoren sowie eine faser-optische Lichtleitung eingesetzt. Davon ausgehend erfolgte die Optimierung des Messaufbaus hinsichtlich der Sensitivität und Nachweisgrenze des fluoreszierenden Analyten. Schließlich wurden erstmalig fluoreszenzmarkierte MIP-Partikel zur Lokalisation und Quantifizierung auf Zelloberflächen eingesetzt, d.h. diese dienten als Antikörperersatz der Immunfärbung. / This thesis deals with the development of biosensors with the aim to couple molecularly imprinted polymers (MIPs) as new receptor material with the sensitive detection principle of fluorescence in order to improve analyte detection. A new strategy for optimization of binding parameters of molecularly imprinted polymers in aqueous media was developed which is based on the coupling of design of experiments and the optimization of multiple objective parameters. Due to that the polymer binding properties for all four considered parameters could be optimized considerably. With the help of steady state and time-resolved fluorescence techniques the interaction between MIP and analyte could be clarified on a molecular basis. Furthermore the characterization of a new detection strategy based on a Förster resonance energy transfer mechanism was realized. Moreover a MIP sensor with microfluidic sample handling for biological samples was built-up and established with fluorescence spectroscopy as conventional detection method. Based on that, the optical detection was miniaturized with respect to light sources, detectors as well as optical fibers for light guidance. This set-up was optimized concerning sensitivity and limit of detection of the fluorescent analyte. Finally, for the first time fluorescently marked MIP particles were applied for imaging on cell surfaces – meaning that they were used for immunostaining as antibody mimics.