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Recent research focused on developing environmentally friendly main group catalysts as alternatives for transition metal catalysts. This work focuses on the influence of silyl substituents on the synthesis and reactivity of such compounds. Using a sterically enlarged silyl substitute, a new silepin, which is in equilibrium with an isomeric silylene, could be isolated. Furthermore, the reactivity of silyl-substituted disilenes and silylenes with isonitrile and the synthesis and reactivity of group 14 diazoolefin complexes with silanides were investigated., Jüngste Forschung konzentrierte sich auf die Synthese von Hauptgruppen-Katalysatoren als Alternative zu Übergangsmetallen. Diese Arbeit handelt vom Einfluss von Silylgruppen auf diese Verbindungen. Mit einem sterisch anspruchsvollen Silylliganen konnte ein neues Silepin, welches sich im Gleichgewicht mit einem isomeren Silylen befindet, isoliert werden. Zusätzlich wurde die Reaktivität von Silyl-substituierten Disilenen und Silylenen mit Isonitrilen, sowie die Synthese und Reaktivität von Gruppe 14 Diazoolefin Komplexen mit Silaniden untersucht.

Modified flavins were synthesized for catalytic applications. Under LED irradiation, C6 methyl ester substituted flavins catalyze the functionalization & derivatization of deyhdroamino acids. Methyl ester substituted ring-contracted flavins demonstrate activity both as hydrogen atom transfer catalyst & as triplet sensitizer. These attributes find strategic utilization in the conversion of tropolone to trans-3,4-disubstituted cyclopentanones employing ring-contracted flavins as photocatalysts., Modifizierte Flavine wurden für katalytische Anwendungen synthetisiert. Unter LED-Bestrahlung katalysieren C6-Methylester-substituierte Flavine die Funktionalisierung & Derivatisierung von Dehydroaminosäuren. Methylester-substituierte, ringverengte Flavine zeigen Aktivität als Wasserstoffatom-Transfer-Katalysator und als Triplett-Sensibilisator. Als Photokatalysator nutzen ringverengte Flavine diese Eigenschaften bei der Umwandlung von Tropolon zu trans-3,4-disubstituierten Cyclopentanonen.

This thesis investigates modeling High Throughput Screening datasets in drug discovery via Gradient Boosting Machines for the efficient identification of bioactive molecules. New computational approaches are developed to tackle class imbalance and dataset noise. Additionally, large-scale benchmarking of Gradient Boosting Machine variants and molecular fingerprints are performed to identify best practices for modeling this class of datasets., In dieser Arbeit wird die Modellierung von Hochdurchsatz-Screening-Datensätzen in der Arzneimittelforschung mit Gradient Boosting Machines zur Identifizierung bioaktiver Moleküle untersucht. Neue Algorithmen werden entwickelt, um Klassenungleichgewicht und Rauschen in den Datensätzen zu bekämpfen. Zusätzlich wird ein Benchmarking von Gradient Boosting Machine Varianten und molekularen Fingerabdrücken durchgeführt, um die Modellierung der Datensätze zu verbessern.

HECT E3 ligases play a crucial role in regulating cellular processes through linkage-specific ubiquitin chain formation. Malfunctions contribute to various diseases, yet the structural mechanisms remain elusive. Employing chemical probes, and cryo-EM, we elucidated a detailed HECT polyubiquitylation cascade. This study reveals mechanistic intricacies of UBR5 showcasing its robust catalytic activity, remarkable processivity, and sustained linkage-specificity during ubiquitin chain formation., HECT-E3-Ligasen spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulierung zellulärer Prozesse durch die verknüpfungsspezifische Bildung von Ubiquitin-Ketten. Fehlfunktionen tragen zu verschiedenen Krankheiten bei, doch die strukturellen Mechanismen sind nach wie vor schwer zu verstehen. Mit Hilfe von chemischen Sonden und Kryo-EM haben wir eine detaillierte HECT-Polyubiquitinylierungskaskade aufgeklärt. Diese Studie enthüllt mechanistische Feinheiten von UBR5, die seine robuste katalytische Aktivität, bemerkenswerte Prozessivität und anhaltende Verknüpfungsspezifität während der Ubiquitin-Kettenbildung aufzeigen.

The microbial methylamine metabolism is characterized by the use of the 22nd amino acid pyrrolysine and several complex cofactors. The production and incorporation of pyrrolysine into proteins in Escherichia coli was established. The 3D structures of four participating methyltransferases, MtgB, MtcB, MtbA and MtgA, were determined by X-ray crystallography. Substrate- and cofactor-bound complex structures allowed detailed mechanistic analyses of methyl transfer to cobalamin, coenzyme M and tetrahydrofolate., Der mikrobielle Methylaminmetabolismus ist durch die Verwendung der 22. Aminosäure Pyrrolysin sowie einiger komplexer Cofaktoren gekennzeichnet. Die Produktion und der Einbau von Pyrrolysin in Proteine in Escherichia coli wurde etabliert. Die 3D-Strukturen von vier beteiligten Methyltransferasen, MtgB, MtcB, MtbA und MtgA, wurden mittels Röntgenkristallographie aufgeklärt. Substrat- und Cofaktor-gebundene Komplexstrukturen ermöglichten detaillierte mechanistische Analysen des Methyltransfers auf Cobalamin, Coenzym M und Tetrahydrofolat.

Experimental verification of quantum operators plays an essential role in characterizing and thereby improving the performance of a quantum computer. This thesis provides an experimental scanning method to characterize quantum states and processes. It focuses on finite-dimensional Wigner representations, which provide rich visualizations of quantum operators via shapes assembled from spherical harmonics. This thesis also demonstrates the experimental use of tomography approaches on near-term devices., Die experimentelle Validierung von Quantenoperatoren spielt eine wesentliche Rolle bei der Charakterisierung und Leistungssteigerung eines Quantencomputers. Diese Arbeit beschreibt eine experimentelle Abtastmethode zur Charakterisierung von Quantenzuständen und -prozessen. Sie konzentriert sich auf endlich-dimensionale Wigner-Darstellungen, die eine reichhaltige Visualisierung von Quantenoperatoren durch zusammengesetzte Kugelflächenfunktionen ermöglichen. Des Weiteren demonstriert diese Arbeit die experimentelle Anwendung von Tomographie-Ansätzen auf aktuellen Geräten.

Within the scope of this dissertation, the precise integration of various functionalities into poly(vinylphosphonates) is investigated through the development of novel monomers and initiators, as well as polymer-analogous reactions. Special attention is given to azide and alkyne groups, which serve as the foundation for azide-alkyne cycloaddition. These reactions, in conjunction with thiol-ene click reactions, facilitate the targeted modification of polymers for biomedical applications., Im Rahmen dieser Dissertation wird die präzise Integration unterschiedlicher Funktionalitäten in Poly(vinylphosphonaten) durch die Entwicklung neuer Monomere und Initiatoren sowie durch polymeranaloge Reaktionen untersucht. Ein Schwerpunkt liegt hierbei auf Azid- und Alkin-Gruppen, welche die Grundlage für die Azid-Alkin-Cycloaddition bilden. Diese Reaktionen, kombiniert mit Thiol-En-Klickreaktionen, dienen der gezielten Modifizierung der Polymere mit Blick auf biomedizinische Anwendungen.

This thesis focuses on the redox-active ligand effect on electrocatalytic hydrogen evolution reaction. Precatalytic intermediates are identified using spectro-electrochemical studies in conjunction with quantum chemical calculations. We show how the various protonation sites of the redox-active ligand influence the activities of HER intermediates and how modifications to the ligand backbone may enhance the HER activity., Diese Arbeit untersucht den redoxaktiven Ligandeneffekt auf die elektrokatalytische Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER). Dabei werden mithilfe von spektroelektrochemischen Methoden und quantenchemischen Berechnungen präkatalytische Zwischenprodukte identifiziert. Es wird gezeigt, welchen Einfluss die Protonierung verschiedener Positionen des redoxaktiven Liganden auf die Aktivität der HER-Zwischenprodukte hat als auch wie Modifikationen der Ligandenstruktur die HER-Aktivität steigern können.

Silicones play a crucial role in modern life and are manufactured through platinum-catalyzed hydrosilylation. While Markó’s (NHC)Pt(dvtms) catalysts show promise, they suffer from an extended induction period. To address this, two strategies are explored: (1) investigation of a variety of NHCs to identify structure-reactivity relationships, and (2) developement of bimetallic platinum complexes. The bimetallic complexes demonstrate superior catalytic activity and shorter induction periods, highlighting synergistic interactions between platinum centers., Silikone sind im modernen Leben unverzichtbar und werden durch platinkatalysierte Hydrosilylierung hergestellt. Die (NHC)Pt(dvtms)-Katalysatoren von Markó sind vielversprechend, aber leiden unter einer langen Induktionszeit. Um dieses Problem zu beheben, werden zwei Strategien erforscht: (1) Untersuchung verschiedener NHCs, um Struktur-Reaktivitäts-Beziehungen zu identifizieren, und (2) Entwicklung von bimetallischen Platinkomplexen. Bimetallische Komplexe zeigen eine überlegene katalytische Aktivität und kürzere Induktionszeiten durch synergistische Wechselwirkungen zwischen den Platin-Zentren.

This thesis addresses bacterial biofilms on implants and the inhibition of cancer cell proliferation by the natural product Neocarzilin A. A novel prodrug strategy using Pd-labile antibiotics activated by Pd nanosheets to inhibit biofilm formation was developed and BST-2 was identified as a target responsible for the anti-proliferative effect of Neocarzilin A., Diese Arbeit behandelt bakterielle Biofilme auf Implantaten und die Inhibition von Krebszellwachstum durch den Naturstoff Neocarzilin A. Eine neuartige Prodrug-Strategie vor wurde entwickelt, bei der Pd-labile Prodrugs von Antibiotika durch Pd-Nanosheets aktiviert werden, um die Bildung von Biofilmen zu hemmen. Außerdem wurde BST-2 als das Zielprotein identifiziert, dass verantwortlich für den anti-proliferativen Effekt von Neocarzilin A ist.

Metal-water interfaces are at the core of many relevant technologies like fuel cells and electrolyzers. In this thesis, the structure and energetics of these interfaces are unraveled using atomistic simulations. Especially, the role of water as a competitor for other adsorbates to bind the metal surface is investigated in detail via free energy calculations. The gained insights provide a pathway to include the competitive nature of water in implicit solvation models., Metall-Wasser-Grenzflächen sind integraler Bestandteil vieler relevanter Technologien wie Brennstoffzellen und Elektrolyseure. In dieser Arbeit werden die Struktur und die Energetik dieser Grenzflächen mit Hilfe von atomistischen Simulationen beleuchtet. Insbesondere die Rolle von Wasser als Konkurrent für andere Adsorbate bei der Bindung an die Metalloberfläche wird mit Hilfe von Berechnungen der freien Energie im Detail untersucht. Die Ergebnisse bieten eine Möglichkeit, die Konkurrenz zwischen Wasser und Adsorbate in implizite Solvatationsmodelle einzubeziehen.

Die Schlüsselgeschmacksstoffe und -geruchsstoffe von Sauerteigbrotkrume wurden durch Kombination von hochauflösenden instrumentellen Techniken und humansensorischen Analysen aufgeklärt. Basierend darauf wurde eine Hochdurchsatzmethode entwickelt, validiert und angewendet, die es ermöglicht, die flüchtigen und nichtflüchtigen Sensometabolite von Sauerteigbrotkrume simultan zu quantifizieren. Um eine Salzreduktion in Brot zu erzielen, wurde zudem der Einfluss von inhomogener Natriumverteilung auf die Salzwahrnehmung systematisch untersucht., The key taste and aroma compounds of sourdough bread crumb were elucidated by combining high-resolution instrumental techniques and human sensory analyses. Based on this, a high-throughput method was developed, validated and applied, which enables a simultaneous quantification of both volatile and nonvolatile sensometabolites of sourdough bread crumb. Additionally, the influence of inhomogeneous sodium distribution on salt perception was systematically investigated in order to achieve a salt reduction in bread.

Gluten network formation during processing plays a crucial role in determining the functional and quality aspects of wheat-based products and is still not fully understood. This thesis investigated different wheat flour-based baked goods to elucidate the influence of processing on the immunochemical detection of gluten as well as on the protein composition. It contributes to the understanding of gluten and its detection in processed foods, highlighting the importance of specific gluten proteins., Die Entstehung von Glutennetzwerken bei der Verarbeitung weizenbasierter Lebensmittel ist von großer Bedeutung für ihre Qualität und noch nicht vollständig erforscht. Die Arbeit untersuchte Backwaren aus Weizen, um den Einfluss der Verarbeitung auf den immunchemischen Nachweis von Gluten sowie auf die Proteinzusammensetzung zu klären. Sie trägt zum Verständnis von Gluten und dessen Nachweisbarkeit in verarbeiteten Lebensmitteln bei und weist auf die Bedeutung spezifischer Glutenproteine hin.

The multifaceted host immune response to different internal and external triggers was examined. Mechanism of actions and roles of a helminthic protein as well as long-term effects of SARS-CoV-2 infection in reprogramming macrophages were uncovered. Additionally, a better functional understanding of host-derived interleukin 12 family cytokines by delineating how the glycosylation status affects their biogenesis and function as signaling molecules was elucidated., Die vielseitige Immunantwort des Wirts auf verschiedene interne und externe Faktoren wurde untersucht. Es wurde der Wirkmechanismus eines Helminthenproteins und langfristige Auswirkungen einer SARS-CoV-2-Infektion auf die Makrophagenmodulation beleuchtet. Zudem wurde zu einem besseren mechanistischen Verständnis der vom Wirt stammenden Interleukin-12-Familie beigetragen, indem aufgezeigt wurde, wie der Glykosylierungsstatus ihre Biogenese und Funktion als Signalmoleküle beeinflusst.

A photochemical cascade reaction was utilized as key step for the total synthesis of the prezizane-type sesquiterpenes agarozizanol B, jinkohol II, and jinkoholic acid. Agarozizanol B was synthesized over eleven steps either in racemic form (4%) or, upon resolution, as the (+)-enantiomer (2%). The total synthesis of (+)-jinkohol II and (+)-jinkoholic acid provided a means to resolve a previous ambiguity regarding the configuration of the natural products., Eine photochemische Kaskadenreaktion diente als Schlüsselschritt für die Totalsynthese der prezizanartigen Sesquiterpene Agarozizanol B, Jinkohol II und Jinkoholsäure. Agarozizanol B wurde über elf Schritte entweder in racemischer Form (4 %) oder nach Racematspaltung als (+)-Enantiomer (2 %) synthetisiert. Die Totalsynthesen von (+)-Jinkohol II und (+)-Jinkoholsäure boten die Möglichkeit, eine frühere Unklarheit hinsichtlich der Konfiguration der Naturstoffe aufzulösen.

Der Stoffwechsel der für die Getränkeindustrie relevanten Hefen Saccharomyces cerevisiae S81 und Saccharomyces pastorianus S23 wurde mittels massenspektrometrischer Techniken untersucht. Durch eine methodische Anpassung des Fermentationsmediums lassen sich die Aufnahme von Aminosäuren, deren Metabolismus sowie die Bildung von Aromastoffen gezielt beeinflussen. Zudem wurden grundlegende Erkenntnisse zur anabolen und katabolen Bildung flüchtiger Derivate von Leucin und Phenylalanin gewonnen., The metabolism of the yeasts Saccharomyces cerevisiae S81 and Saccharomyces pastorianus S23, which are relevant for the beverage industry, was investigated using mass spectrometric techniques. By methodically adapting the fermentation medium, the uptake of amino acids, their metabolism and the formation of aroma compounds can be specifically influenced. In addition, fundamental insights were gained into the anabolic and catabolic formation of volatile derivatives of leucine and phenylalanine.

Deltahedral [Ge9] clusters were used as synthons in reactions towards transition metal complexes and main group element compounds. While reactions with organometallic complexes resulted in the formation of transition metal-coordinated and -filled intermetalloid clusters, in reactions towards halo-boranes an oxidative coupling or a boranyl-functionalization was observed. Furthermore, the germanium clusters are Lewis bases allowing for a frustrated Lewis acid-base-like activation of solvent molecules, producing intensely colored clusters., Deltaedrische [Ge9] Cluster wurden als Bausteine in Reaktionen mit Übergangsmetallkomplexen und Hauptgruppenelementverbindungen eingesetzt. Während Reaktionen mit metallorganischen Komplexen zur Bildung von Metall-koordinierten und -gefüllten intermetalloiden Clustern führten, wurde in Reaktionen mit Halogenboranen eine oxidative Kupplung oder Boranyl-Funktionalisierung beobachtet. Des Weiteren sind die Cluster Lewis Basen, was die frustrierte Lewis Säure-Base-artige Aktivierung von Lösungsmitteln erlaubte und zur Bildung tief gefärbter Cluster führte.

Interleukins (ILs) are immunoregulatory proteins that are secreted by immune cells and mediate cell-cell communication. Connecting innate and adaptive immunity, the IL-12 family is of particular interest due to key biological functions and unique structural properties. This dissertation covers not only the structural and cellular mechanisms underlying IL-12 family cytokine biogenesis but renders it possible to move forward by translating these insights for targeted immunotherapies., Interleukine (ILs) sind immunregulatorische Proteine, die von Immunzellen sekretiert werden und die Zell-Zell-Kommunikation vermitteln. Als Bindeglied zwischen angeborener und adaptiver Immunität ist die IL-12 Familie aufgrund ihrer Schlüsselfunktionen und besonderer Struktur von Interesse. Diese Dissertation umfasst die strukturellen und zellulären Mechanismen, die der Biogenese von Zytokinen der IL-12 Familie zugrunde liegen, und ermöglicht es, diese Erkenntnisse für Immuntherapien zu nutzen.

To understand the metabolism of xanthohumol in humans, the quantification of six prenylated flavonoids in beer and herbal infusions was performed using stable isotope dilution analysis. This was followed by synthesising xanthohumol metabolites found in humans after consuming xanthohumol. The final evaluation of the work was carried out in a human trial, comparing the pharmacokinetics of a micellular and native formulation of xanthohumol. The quantification of xanthohumol human metabolites in this trial proved that a micellular formulation increases bioavailability by more than three-fold., Um den Metabolismus von Xanthohumol beim Menschen zu verstehen, wurde die Quantifizierung von sechs prenylierten Flavonoiden in Bier und Kräutertee mit Hilfe der Stabilisotopenverdünnungsanalyse durchgeführt. Anschließend erfolgte die Synthese von Xanthohumol-Metaboliten, die beim Menschen nach dem Verzehr von Xanthohumol gefunden wurden. Die abschließende Bewertung der Arbeit erfolgte in einer Humanstudie, in der die Pharmakokinetik einer mizellulären und einer nativen Formulierung von Xanthohumol verglichen wurde. Die Quantifizierung der Metaboliten von Xanthohumol aus diese Humastudie zeigte, dass eine mizelluläre Formulierung die Bioverfügbarkeit um mehr als das Dreifache erhöht.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine totalsynthetische und chemo-enzymatische Darstellung für das gegen Propionibacterium acnes wirksame Cycloheptamycin und dessen Derivate entwickelt. Mit Hilfe dieser Synthesen können in Zukunft weitere Derivate dargestellt werden, um Struktur-Aktivitäts-Beziehungen zu untersuchen. Ebenso wurde eine Synthese für das Polyenintermediat der Ikarugamycin-Biosynthese entwickelt. Die erhaltene Verbindung kann nun genutzt werden, um den Mechanismus der durch das Enzym IkaB katalysierten Cyclisierungen aufzuklären., Within this work, a chemical and chemo-enzymatic synthesis for the preparation of cycloheptamycin, a compound active against propionibacterium acnes, and simplified derivates was developed. In the future, this synthesis will enable the investigation of structure-activity-relationships by designing new derivatives. Furthermore, a synthesis for the polyene intermediate of ikarugamycin biosynthesis was developed. This compound can now be used for the elucidation of the cyclisation mechanism catalyzed by the enzyme IkaB.

This study delves into lichen symbioses' biosynthetic potential. It analyzed 460 biosynthetic gene clusters in Hypogymnia lichens, with mycobionts carrying 73-114 clusters. Predominant genes include T1PKS, NRPS, and terpene synthases. Furthermore, three prevalent lichen mycobionts shared nine conserved gene clusters. This research identifies unexplored biosynthetic potential in lichens and lays the foundation for biotechnological applications and natural product investigations unique to lichens., Diese Studie erforscht das biosynthetische Potenzial von Flechten. Es wurden 460 biosynthetische Gencluster in Flechten analysiert, wobei Mykobionten 73-114 Cluster trugen. Vorherrschende Gene umfassen T1PKS, NRPS und Terpensynthasen. Weiterhin teilten drei verbreitete Mykobionten neun hochkonservierte Gencluster. Das unerschlossene biosynthetisches Potenzial bei Flechten legt den Grundstein für biotechnologische Anwendungen von Naturstoffen, die für Flechten einzigartig sind.

HT29 Zellen bilden in Zellkultur "tight junctions" (TJ) nach Behandlung mit Endopeptidasen. Dieser Prozess erfolgt innerhalb 3-5 Minuten, erfordert Protease Aktivität und ist temperatur-abhängig, was auf die Interaktion zellulärer Proteine und Lipide hinweist. Alternativ entstehen TJ durch Behandlung von HT29 Zellen mit hypertonen chaotropen Salzen z. B. (NH4)2SO4. Dieser Prozess wird durch Serin-Protease-Inhibitoren (PMSF) gehemmt, was die Beteiligung zellulärer Proteasen an der TJ Bildung aufzeigt., Formation of tight junctions (TJ) can be induced in cultured cells HT29 by treatment with endopeptidases. This process occurs within 3-5 minutes, requires protease activity and is temperature dependent, indicating interaction of cellular proteins and lipids. Alternatively TJ formation can be induced by hypertonic chaotropic salts e.g. (NH4)2SO4. This process is inhibited by serine protease inhibitors (e.g. PMSF) indicating, that cellular proteases are involved in TJ formation.

The use of smart battery management systems requires detailed knowledge of the cells parameters to accurately predict their behavior. This thesis shows the analysis of battery active materials and electrodes via electrochemical impedance spectroscopy and compares the results to the expected theory. It shows the influence of inhomogeneities in electrodes, shows how to properly analyze electrode impedances and gives insight into the kinetics of NMC and graphite., Der Einsatz intelligenter Batteriemanagementsysteme erfordert detaillierte Kenntnisse der Zellparameter, um deren Verhalten genau vorhersagen zu können. Diese Arbeit zeigt die Analyse von Batterieaktivmaterialien und Elektroden mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie und vergleicht die Ergebnisse mit der erwarteten Theorie. Sie zeigt den Einfluss von Inhomogenitäten in Elektroden, wie Elektrodenimpedanzen richtig analysiert werden und gibt Einblick in die Kinetik von NMC- und Graphit.

Die Analyse von Aromastoffen mittels Flüssigchromatographie ermöglicht die simultane Analyse von Aromastoffen und Geschmacksstoffen auf einer einzigen Analyseplattform im Hochdurchsatz. Mit Hilfe einer bekannten, und einer neu entwickelten Derivatisierungsmethode wurde in dieser Arbeit versucht die wichtigsten Aromastoffe, die so genannten Generalisten mittels LC zu analysieren. Mit der neu entwickelten Methodik war es möglich, zu zeigen, dass 23 der 27 Generalisten akkurat mittels LC quantifiziert werden können., The analysis of aroma compounds by liquid chromatography allows the simultaneous analysis of aroma compounds and tastants on a single analytical platform in high throughput. Using a known, and a newly developed derivatization method, this work attempted to analyze the most important aroma compounds, the so-called generalists by LC. With the newly developed methodology, it was possible to show that 23 of the 27 generalists can be accurately quantified by LC.

Solar fuel production generates chemical energy carriers from water and carbon dioxide under light irradiation. Merging molecular artificial photosystems with 3D host materials (specifically metal–organic frameworks) unlocks sophisticated nano-scale reaction space design. This thesis showcases eight studies contributing to the current research understanding of this field at the intersection of “classic” coordination complex-based homogeneous catalysis and “modern” advanced material design., Solare Brennstofferzeugung erzeugt chemische Energieträger aus Wasser und CO2 mit Hilfe von Licht. Die Verbindung von molekularen künstlichen Fotosystemen mit 3D Metallorganischen Gerüststrukturen ermöglicht komplexes hierarchisches Design von Nano-Reaktionsräumen. Diese Dissertation stellt acht Studien vor, welche zum aktuellen Verständnis dieses Wissenschaftsfelds an der Schnittstelle von „klassischer“ Koordinationskomplex-basierten homogenen Katalyse und „modernem“ Materialdesign beitragen.

CPMG pulse sequence has been extensively used mainly in NMR for backbone T2-CPMG dispersion experiments. Scalar (J) coupling interactions are much weaker than dipolar couplings. H-bonds detected through Scalar couplings are important reporters of structural information in proteins. ABMS affects the proton linewidth. Since the Hamiltonian for ABMS has the same nuclear spin term as the isotropic chemical shift, the CPMG pulse sequence can help to extend a coherence lifetime., CPMG-Methode wird meistens in NMR für die T2 Experimente angewendet. Die skalaren Kopplungswerte sind weniger als dipolare. H-Brücke, die man durch die skalare Kopplung beobachten kann, sind für die Strukturinformation von Proteinen verantwortlich. ABMS hat einen Einfluss auf die Protonlinienbreite. Da der Hamiltonian für ABMS ähnliche Abhängigkeit wie der Hamiltonian für die isotrope chemische Verschiebung hat, kann man mithilfe der CPMG-Pulssequenzen die Kohärenzlebensdauer verlängern.

Dissertation Universität Innsbruck 2024

The formation and properties of active emulsions are governed by catalytical reaction cycles and rely on the continuous consumption of energy. In this thesis, I used droplet-based microfluidics to sustain active droplets in a non-equilibrium steady state and to analyze the emerging dynamic behaviors. Here, the size-dependent formation of active spherical shells and oscillating cycles of growth and shrinkage of active droplets were observed., Die Bildung und Eigenschaften von aktiven Emulsionen werden von katalytischen Reaktionszyklen gesteuert und sind auf den kontinuierlichen Verbrauch von Energie angewiesen. In dieser Arbeit wurde Tropfen-Mikrofluidik genutzt, um aktive Tropfen in einem stationären Nichtgleichgewichtszustand zu halten und die entstehenden dynamischen Eigenschaften zu analysieren. Dabei wurde die größenabhängige Bildung von aktiven sphärischen Schalen sowie oszillierende Zyklen von Wachstum und Zerfall beobachtet.

An automated version of the solvent-assisted flavor evaporation, an established approach for artifact-avoiding isolation of volatiles from food, was developed and evaluated. The automated approach showed improved yield and reproducibility. Application to walnut kernels, followed by odorant screening using gas chromatography-olfactometry, quantitation, and sensory studies eventually revealed sotolon and (2E,4E,6Z)-nona-2,4,6-trienal as key odorants characterizing the aroma of walnuts., Eine automatisierte Version der Solvent-Assisted Flavor Evaporation, eines etablierten Verfahrens zur Isolierung flüchtiger Substanzen aus Lebensmitteln, wurde entwickelt und evaluiert. Die Methode zeigte bessere Ausbeuten und eine bessere Reproduzierbarkeit. Ihre Anwendung auf Walnusskerne, gefolgt von Gaschromatographie-Olfaktometrie, Quantifizierung und sensorischen Studien ergab schließlich Sotolon und (2E,4E,6Z)-Nona-2,4,6-trienal als Schlüsselgeruchsstoffe für das Aroma von Walnüssen.

This doctoral thesis presented the synthesis and isolation of a novel non-transient acyclic imino(silyl)silylene, bearing a bulky super silyl group and N-heterocyclic imine ligand with a methylated backbone. The striking activation of various small molecules such as benzene, pyridine, alkene, alkynes and isocyanide under mild conditions was achieved. Oxidative addition/reductive elimination at a silicon center opens the door for the potential silicon based catalysis., In dieser Doktorarbeit wurde die Synthese und Isolierung eines neuartigen, nicht transienten azyklischen Imino(silyl)silylens vorgestellt, das eine voluminöse Supersilylgruppe und einen N-heterozyklischen Iminliganden mit einem methylierten Rückgrat trägt. Die Aktivierung verschiedener kleiner Moleküle wie Benzol, Pyridin, Alkene, Alkine und Isocyanide wurde unter milden Bedingungen erreicht. Die oxidative Addition/reduktive Eliminierung an einem Siliziumzentrum öffnet die Tür für die potenzielle siliziumbasierte Katalyse.

This work focuses on the sustainable production of high-value lipids. The nutrient requirements of Rhodococcus erythropolis were investigated over a wide range of nitrogen and carbon sources. Nutrient concentrations were optimized using a central composite design. Stress adaptation to different wavelengths of light was examined. White light increased carotenoid production and altered the fatty acid profile. Proteomics was used to study the cellular response., Diese Arbeit konzentriert sich auf die nachhaltige Produktion von hochwertigen Lipiden. Der Nährstoffbedarf von Rhodococcus erythropolis wurde über ein breites Spektrum von Stickstoff- und Kohlenstoffquellen untersucht. Die Nährstoffkonzentrationen wurden mit Hilfe eines Central Composite Designs optimiert. Die Stressanpassung an verschiedene Lichtwellenlängen wurde untersucht. Weißes Licht erhöhte die Carotinoidproduktion und veränderte das Fettsäureprofil. Zur Untersuchung der zellulären Reaktion wurde Proteomik genutzt.

Limited treatment options for patients suffering from progressed MTC led to the development of radiolabeled minigastrin analogs targeting the CCK-2R. Within this thesis we successfully developed three different minigastrin derivatives (DOTA-CCK-66, DOTA-rhCCK-18 and DOTA-rhCCK-84), each displaying beneficial preclinical properties, rendering them promising for clinical translation. Among those, [68Ga]Ga-DOTA-CCK-66 has already been applied for PET/CT examinations, which confirmed its diagnostic value., Limitierte Behandlungsmöglichkeiten für Patienten, welche an fortgeschrittenem MTC leiden, führte zu der Entwicklung von radiomakierten Minigastrin Analoga, welche den CCK-2R adressieren. Im Rahmen dieser Arbeit konnten wir erfolgreich drei neue Minigastrin Derivate entwickeln, welche alle vorteilhafte präklinische Eigenschaften aufwiesen und deshalb vielversprechend sind für eine klinische Translation. Von diesen wurde [68Ga]Ga-DOTA-CCK-66 bereits für PET/CT Untersuchungen angewendet, welche den diagnostischen Wert der Verbindung bestätigten.

This thesis was part of the ChitoMat project, aiming to explore novel enzymes for chitin conversion into tailored chitooligosaccharides. It led to the discovery of a novel chitinolytic bacterium, named Jeongeupia wiesaeckerbachi in a first publication. In the second publication, a comprehensive systems biology approach was used to study J. wiesaeckerbachi's chitinolytic response system, identifying potential enzymes for biotechnological chitin valorization., Diese Arbeit war Teil des ChitoMat-Projekts, welches neue Enzyme für die Umwandlung von Chitin in maßgeschneiderte Chitooligosaccharide erforschte. Es führte zur Entdeckung eines neuen chitinolytischen Bakteriums mit dem Namen Jeongeupia wiesaeckerbachi in der ersten Veröffentlichung. In der zweiten Veröffentlichung wurde die Chitinantwort von J. wiesaeckerbachi mit einem umfassenden systembiologischen Ansatz untersucht, um potenzielle Enzyme für die biotechnologische Chitinverwertung zu finden.

In pursuit of a novel low-temperature oxygen generator for aviation purposes, the catalytic decomposition of inorganic peroxides in ionic liquids with transition metal catalysts was examined. Promising behavior was especially observed for lithium peroxide, imidazolium-based ionic liquids and homogeneous Mn(II)-based catalysts. Also an airworthy and technically full equipped generator was developed., Auf der Suche nach einem neuartigen Niedertemperatur-Sauerstoffgenerator für die Luftfahrt wurde die katalytische Zersetzung von anorganischen Peroxiden in ionischen Flüssigkeiten mit Übergangsmetallkatalysatoren untersucht. Ein vielversprechendes Verhalten wurde insbesondere für Lithiumperoxid, ionische Flüssigkeiten auf Imidazoliumbasis und homogene Katalysatoren auf Mn(II)-Basis beobachtet. Auch ein flugfähiger und technisch voll ausgestatteter Generator wurde entwickelt.

The chemoprofile of willow bark (Salix cortex) for pharmaceutical use was investigated using a combination of in vitro bioassays and analytical techniques. Salicylates were isolated by means of (semi-)preparative HPLC, and their structure was elucidated by means of LC-MS and 1D/2D-NMR experiments. Bioactivity assays identified key compounds of selected Salix extracts contributing to the overall anti-inflammatory potential. Finally, these phytochemicals were mapped quantitatively by means of LC-MS/MS., Die Chemoprofilierung der Weidenrinde (Salix cortex) für die pharmazeutische Nutzung wurde unter Verwendung einer Kombination aus in vitro-Bioassays und analytischen Techniken untersucht. Salicylate wurden mittels (semi-)präparativer HPLC isoliert und ihre Struktur mittels LC-MS und 1D/2D-NMR-Experimenten aufgeklärt. Bioaktivitätsassays identifizierten Schlüsselverbindungen ausgewählter Salix-Extrakte, die zum gesamten entzündungshemmenden Potenzial beitragen. Abschließend wurden diese Pflanzenstoffe mittels LC-MS/MS quantifiziert.

In dieser Arbeit wurde die Variante 10-2-C3 der Phosphotriesterase aus Brevundimonas diminuta hinsichtlich katalytischer Aktivität und Stabilität weiterentwickelt, um später als Gegenmittel bei Vergiftungen mit Organophosphatverbindungen eingesetzt werden zu können. Hierfür wurde unter anderem die oxidative Empfindlichkeit des Enzyms reduziert und die Struktur einer vielversprechenden Mutante durch Röntgen-Kristallographie aufgeklärt. Die Ergebnisse zeigen, dass die untersuchte Variante, trotz eines bislang fehlerhaften Strukturmodells, bereits gut optimiert für die Hydrolyse von Organophosphatverbindungen ist., In this work, the variant 10-2-C3 of the phosphotriesterase from Brevundimonas diminuta was further developed with regard to its catalytic activity and stability in order to be used later as an antidote for intoxication with organophosphorus compounds. To this end, the oxidative sensitivity of the enzyme was reduced and the structure of a promising variant was elucidated by X-ray crystallography, among others. The results show that the investigated variant, despite a so far erroneous structural model, is already well-optimized for the hydrolysis of organophosphorus compounds.

Das humane Lipocalin 2 (Lcn2) wurde durch Erweiterung des genetischen Codes mit der nicht natürlichen Aminosäure Boronophenylalanin funktionalisiert und hinsichtlich der Bindungseigenschaften von Zuckern sowohl spektroskopisch als auch strukturell analysiert. Des weiteren wurde versucht, eine Aminoacyl-tRNA Synthetase für die selektive Erkennung von 7 Hydroxycoumarylalanin aus synthetischen Genbibliotheken zu selektieren. Darüber hinaus wurde der Release Factor 1 in den Genomen von E. coli MG1655 und BL21 editiert, um die Effizienz des Einbaus von nicht natürlichen Aminosäuren zu steigern., Using an expanded genetic code, the human lipocalin 2 (Lcn2) was functionalized with the unnatural amino acid boronophenylalanine and analyzed spectroscopically and structurally with regard to the binding properties of sugars. Furthermore, an attempt was made to select an aminoacyl-tRNA synthetase from synthetic gene libraries for the selective recognition of 7-hydroxycoumarylalanine. In addition, the Release factor 1 in the genomes of E. coli MG1655 and BL21 was edited to increase the efficiency of unnatural amino acid incorportation.

Weak and transient biomolecular interactions have greater cellular function than was thought before. These interactions are difficult to study, because they occur faster than most methods can resolve. In this dissertation, a novel optical method with the potential to unveil fast and transient biomolecular interactions is introduced. It is based on freely diffusing nanoparticle sensors that change their optical output upon changes at their surface. This output is analyzed on a custom-built optical device with high temporal and spectral resolution., Schwache und transiente biomolekulare Interaktionen haben eine größere zelluläre Funktion als bisher angenommen. Diese Interaktionen sind schwer zu messen, da sie schneller auftreten, als die meisten Methoden auflösen können. In dieser Dissertation wird eine neuartige optische Methode vorgestellt, mit der kinetische Informationen über transiente biomolekulare Systeme enthüllt werden können. Hierzu werden frei in der Lösung bewegende Nanopartikelsensoren genutzt, die ihre Streuresonanz ändern bei Veränderungen an ihrer Oberfläche. Ein home-built optischer Aufbau misst das gestreute Licht mit hoher zeitlicher und spektraler Auflösung.

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der chemischen Modifikation von membranaktiven Naturstoffen. Hierzu wurden die von Blaualgen produzierten Teleocidine und Minutissamide sowie die indigoiden Farbstoffe Indirubin und Qingdainon untersucht. Durch Synthese verschiedener Derivate konnte der Einfluss bestimmter Strukturmerkmale analysiert und eine Verbesserung der pharmakologischen Wirksamkeit erreicht werden. Die neu erhaltenen Substanzen bieten Anwendungspotential bei der Behandlung von Tumorerkrankungen oder mikrobiellen Infektionen., This dissertation deals with the chemical modification of membrane-active natural products. For this purpose, Teleocidins and Minutissamides produced by blue-green algae as well as the indigoid dyes Indirubin and Qingdainone were investigated. By synthesizing different derivatives, the influence of certain structural features was analyzed and an improvement of the pharmacological efficacy was achieved. The newly obtained substances offer application potential in the treatment of tumor diseases or microbial infections.

Metal-organic frameworks (MOFs) can be designed to be smart porous materials. They show huge chemical variety with great potential to improve energy efficiency in separation processes and enable novel applications. This thesis is focused on identifying underlying design principles to be able to purposefully design responsiveness in MOFs. Two key aspects are elucidated: the impact of nanoparticles on flexibility of MOFs and the functionalization-induced responsiveness in rigid MOFs., Metallorganische Gerüststrukturen (MOFs) können als intelligente poröse Materialien konzipiert werden. Sie haben großes Potenzial energieeffiziente Trennprozess und neue Anwendungen zu ermöglichen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Identifizierung fundamentaler Designprinzipien, um responsive MOFs gezielt designen zu können. Zwei Hauptspekte werden untersucht: der Einfluss von Nanopartikeln auf die Flexibilität von MOFs und die funktionalisierungs-abhängige Responsivität in starren MOFs.

This thesis describes a bioinformatics approach for the pathway identification of valuable terpenoid molecules from Caryopteris x clandonensis. The extraction of RNA and genomic DNA is depicted, as well as consecutive sequencing. The bioinformatics analysis pipeline contains the assembly of a reference genome as well as consecutive mapping of transcribed reads. The thesis concludes with a functional annotation of putative novel proteins for terpene biosynthesis., Diese Arbeit beschreibt die bioinformatische Herangehensweise zur Identifizierung des Synthesewegs von wertschöpfenden terpenoiden Verbindungen aus Caryopteris x clandonensis. Es wird die Extraktion der genomischen DNA und der transkribierten RNA beschrieben, sowie der nachfolgenden Sequenzierungen. Die bioinformatische Auswertung umfasst die Assemblierung eines Referenzgenoms, das Mapping der Transkriptsequenzen als auch die funktionelle Annotierung potenzieller terpenbildender Proteine.

This study examines the potential of magnetic drug delivery using iron oxide nanoparticles coated with different materials to deliver the antimicrobial peptide lasioglossin for the potential treatment of cancer and intracellular infections. A multi-analytical approach was used to characterize the particles, determine the antimicrobial behavior of the drug delivery system and analyze the applicability in the human body., Diese Studie untersucht das Potenzial der magnetischen Wirkstoffdarreichung unter Verwendung von Eisenoxid-Nanopartikeln die mit verschiedenen Materialien beschichtet sind, um das antimikrobielle Peptid Lasioglossin für die potenzielle Behandlung von Krebs und intrazellulären Infektionen zu verabreichen. Ein multi-analytischer Ansatz wurde verwendet, um die Partikel zu charakterisieren, das antimikrobielle Verhalten des Arzneimittelabgabesystems zu bestimmen und die Anwendbarkeit im menschlichen Körper zu analysieren.

In this work, approaches were investigated to optimize pharmacokinetics of a PSMA-targeted lead structure for the radiotherapy of prostate cancer. The radiohybrid design allows the labeling with lutetium-177 and fluorine-18 for a theranostic use. Optimizations resulted in the promising candidate [177Lu]Lu-MSM-6 for clinical translation. Moreover, a novel, prosthetic group for 18F-labeling with a facilitated modulation of pharmacokinetics was developed., In dieser Arbeit wurden Ansätze erforscht, um die Pharmakokinetik einer PSMA-adressierenden Leitstruktur zur Radiotherapie von Prostatakrebs zu optimieren. Das radiohybride Design erlaubt die Markierung mit Lutetium-177 und Fluor-18 für einen theranostischen Gebrauch. Optimierungen resultierten in dem vielversprechenden Kandidaten [177Lu]Lu-MSM-6 zur klinischen Translation. Auch wurde eine neue prosthetische Gruppe zur 18F-Markierung mit erleichterter Modulation der Pharmakokinetik entwickelt.

The catechol moiety forms part of a breadth of natural products with biological relevance for plants, animals, and bacteria. In this work, protein targets of catechol compounds were elucidated in bacteria and in human cells using chemical proteomics. In the first part, the chemotaxis protein CheW was revealed as a major target of the eukaryotic catecholamine hormone epinephrine in the aquatic pathogen V. campbellii. In the second part, a minimalist catechol probe was developed to unravel protein targets of structurally diverse catechol compounds in mammalian cells., Das Katecholmotiv ist in vielen Naturstoffen enthalten, die für Pflanzen, Tiere und Bakterien biologisch relevant sind. Hier wurden mittels chemischer Proteomik Zielproteine von Katecholverbindungen in Bakterien und Humanzellen aufgeklärt. Im ersten Teil wurde das Chemotaxisprotein CheW als Hauptangriffspunkt des eukaryotischen Katecholaminhormons Epinephrin in V. campbellii identifiziert. Im zweiten Teil wurde eine minimalistische Katecholsonde entwickelt um Zielproteine strukturell unterschiedlicher Katecholverbindungen in Säugerzellen zu entdecken.

Im Rahmen der vorliegenden Promotionsarbeit wurde ein umweltfreundlicheres Synthesekonzept auf Phosphorsäure-Basis für die Herstellung von Peroxosäuren in der Waschmittelindustrie entwickelt. Mit dieser nachhaltigen Alternative soll erreicht werden, dass das Standard-Verfahren zur Synthese über die Caro’sche Säure allmählich ersetzt wird. Darüber hinaus wurde die katalytische Aktivität von zwei NHC Eisen-Epoxidations-Katalysatoren unter Berücksichtigung axialer und äquatorialer Modifikationen am Metallkomplex getestet., As part of the present doctoral thesis, a more environmentally friendly, phosphoric acid-based synthesis concept was developed for the production of peroxyacids in the detergent industry. The aim of this sustainable alternative is to gradually replace the standard procedure for the synthesis via Caro’s acid. In addition, the catalytic activity of two NHC iron epoxidation catalysts were tested considering axial and equatorial modifications at the metal complex.

The impact of Lewis acids on photochemical reactions of conjugated carbonyl compounds was studied in two projects. The first project used model complexes and a combination of experiments, theory and spectroscopy to evaluate mechanistic hypotheses and find novel reactivity. The second project investigated the photoinduced E-Z isomerization of cycloheptene derivatives, including cyclohept-2-en-1-one and cyclohept-1-ene-1-carbaldehyde. Thermal background reactions with Lewis acids rendered them unsuitable for photoinduced Diels-Alder reactions., Der Einfluss von Lewis-Säuren auf photochemische Reaktionen konjugierter Carbonylverbindungen wurde untersucht. Modellkomplexe und eine Kombination aus Experimenten, Theorie und Spektroskopie wurden genutzt, um mechanistische Hypothesen zu bewerten und neue Reaktivitäten zu finden. Außerdem wurde die photoinduzierte E-Z-Isomerisierung von Cycloheptenderivaten untersucht, einschließlich Cyclohept-2-en-1-on und Cyclohept-1-en-1-carbaldehyd. Thermische Hintergrundreaktionen mit Lewis-Säuren machten sie für photoinduzierte Diels-Alder-Reaktionen ungeeignet.

Závěrečná práce doplňkového pedagogického studia je zaměřena na přípravu didaktické pomůcky pro předmět chemie na 2. stupni základní školy a odpovídajícím stupni víceletých gymnázií. Teoretická část je věnována oborové didaktice a vyučovacím metodám. Praktická část je věnována aktuálně dostupným možnostem procvičování základního chemického názvosloví a prezentaci navržených didaktických her., The final thesis of the Supplementary Pedagogical Study focuses on the preparation of a didactic tool for Chemistry at the Upper Primary School and the corresponding level of multi-year Grammar School. The theoretical part is devoted to subject-specific didactics and teaching methods. The practical part focuses on currently available options for practicing basic chemical nomenclature and presents the proposed didactic games.

Drug delivery systems that release hydrophobic drugs with zero-order kinetics remain rare and are often complicated to use. In my thesis, I developed and optimized a simple and versatile hydrolyzable oil-based drug delivery platform that can release hydrophobic drugs with zero-order kinetics. Moreover, the system can be combined into a dual-release system that can release a hydrophobic drug with zero-order kinetics, followed by a rapid release of cholesterol-conjugated DNA., Wirkstoffabgabesysteme die hydrophobe Medikamente linear abgeben können, sind sehr selten und oft kompliziert anzuwenden. In meiner Dissertation habe ich eine einfache und vielseitige Wirkstoffabgabeplattform entwickelt und optimiert, die hydrophobe Medikamente linear freisetzen kann. Diese Plattform basiert auf einem hydrolysierbaren Öl welches in ein Hydrogel eingebettet ist. Des Weiteren kann dieses System als Dual-release Plattform hydrophobe Medikamente sowie Cholesterol-modifizierte DNA aufeinanderfolgend abgeben.

This thesis focuses on machine learning (ML) prediction of the energy of the highest occupied molecular orbital (HOMO) as well as the internal reorganization energy . First, we explore strategies to improve the performance of ML models for reorganization energy prediction by using semi-empirical methods for conformer sampling and as a baseline. Second, the novel orbital weighted average approach (OWA) is developed to accurately predict the HOMO energies and orbital distributions simultaneously., Der Fokus dieser Arbeit liegt auf Machine Learning (ML) zur Vorhersage der Energie des höchsten besetzten Molekülorbitals (HOMO) sowie der Reorganisationsenergie. Wir verbessern die Leistung von ML-Modellen für die Vorhersage der Reorganisationsenergie, indem wir semi-empirische Methoden für das Sampling von Konformeren und als Baseline verwenden. Der Ansatz des orbital gewichteten Durchschnitts (OWA) wird entwickelt, um gleichzeitig die HOMO-Energien und Orbitalverteilungen vorherzusagen.

Coinage metal chalcogenides offer promising application potential as thermoelectric materials due to their high ion mobility. Despite from these aspects, some of them show the intriguing capability of switching between p- and n-type semiconduction enabled by their highly dynamic structure chemistry. In this work, the first material with a pnp-switch directly at room temperature is assessed and utilized in a thermally controlled, one compound diode. The concept is verified using a second pnp-switching material, and a new series of coinage metal chalcogenides is developed., Münzmetallchalcogenide ermöglichen durch ihre hohe Ionenmobilität großes Potential für thermoelektrische Anwendungen. Einige dieser Verbindungen zeigen aufgrund ihrer hochdynamischen Strukturchemie die Möglichkeit, zwischen p- und n-Typ Halbleitung zu schalten. In dieser Arbeit wird das erste bei Raumtemperatur pnp-schaltende Material untersucht und in einer thermisch gesteuerten Einkomponentendiode angewendet. Dieses Konzept wird an einem zweiten pnp-schaltbaren Material bestätigt und es wird eine neue Serie an Münzmetallchalcogeniden entwickelt.