TY  - THES
A1  - Eisenhuth, Nicole Juliana
T1  - Novel and conserved roles of the histone methyltransferase DOT1B in trypanosomatid parasites
T1  - Neue und konservierte Rollen der Histonmethyltransferase DOT1B in Parasiten der Ordnung Trypanosomatida
N2  - The family of trypanosomatid parasites, including the human pathogens Trypanosoma brucei and Leishmania, has evolved sophisticated strategies to survive in harmful host environments. While Leishmania generate a safe niche inside the host’s macrophages, Trypanosoma brucei lives extracellularly in the mammalian bloodstream, where it is constantly exposed to the attack of the immune system. Trypanosoma brucei ensures its survival by periodically changing its protective surface coat in a process known as antigenic variation. The surface coat is composed of one species of ‘variant surface glycoprotein’ (VSG). Even though the genome possesses a large repertoire of different VSG isoforms, only one is ever expressed at a time from one out of the 15 specialized subtelomeric ‘expression sites’ (ES). Switching the coat can be accomplished either by a recombination-based exchange of the actively-expressed VSG with a silent VSG, or by a transcriptional switch to a previously silent ES. 
The conserved histone methyltransferase DOT1B methylates histone H3 on lysine 76 and is involved in ES regulation in T. brucei. DOT1B ensures accurate transcriptional silencing of the inactive ES VSGs and influences the kinetics of a transcriptional switch. The molecular machinery that enables DOT1B to execute these regulatory functions at the ES is still elusive, however. To learn more about DOT1B-mediated regulatory processes, I wanted to identify DOT1B-associated proteins. 
Using two complementary approaches, specifically affinity purification and proximity-dependent biotin identification (BioID), I identified several novel DOT1B-interacting candidates. To validate these data, I carried out reciprocal co-immunoprecipitations with the most promising candidates. An interaction of DOT1B with the Ribonuclease H2 protein complex, which has never been described before in any other organism, was confirmed. Trypanosomal Ribonuclease H2 maintains genome integrity by resolving RNA-DNA hybrids, structures that if not properly processed might initiate antigenic variation. I then investigated DOT1B’s contribution to this novel route to antigenic variation. Remarkably, DOT1B depletion caused an increased RNA-DNA hybrid abundance, accumulation of DNA damage, and increased VSG switching. Deregulation of VSGs from throughout the silent repertoire was observed, indicating that recombination-based switching events occurred. Encouragingly, the pattern of deregulated VSGs was similar to that seen in Ribonuclease H2-depleted cells. Together these data support the hypothesis that both proteins act together in modulating RNA-DNA hybrids to contribute to the tightly-regulated process of antigenic variation.
The transmission of trypanosomatid parasites to mammalian hosts is facilitated by insect vectors. Parasites need to adapt to the extremely different environments encountered during transmission. To ensure their survival, they differentiate into various specialized forms adapted to each tissue microenvironment. Besides antigenic variation, DOT1B additionally affects the developmental differentiation from the mammalian-infective to the insect stage of Trypanosoma brucei. However, substantially less is known about the influence of chromatin-associated proteins such as DOT1B on survival and adaptation strategies of related Leishmania parasites. To elucidate whether DOT1B’s functions are conserved in Leishmania, phenotypes after gene deletion were analyzed. As in Trypanosoma brucei, generation of a gene deletion mutant demonstrated that DOT1B is not essential for the cell viability in vitro. DOT1B deletion was accompanied with a loss of histone H3 lysine 73 trimethylation (the lysine homologous to trypanosomal H3K76), indicating that Leishmania DOT1B is also solely responsible for catalyzing this post-translational modification. As in T. brucei, dimethylation could only be observed during mitosis/cytokinesis, while trimethylation was detectable throughout the cell cycle in wild-type cells. In contrast to the trypanosome DOT1B, LmxDOT1B was not essential for differentiation in vitro. However, preliminary data indicate that the enzyme is required for effective macrophage infection. 
In conclusion, this study demonstrated that the identification of protein networks and the characterization of protein functions of orthologous proteins from related parasites are effective tools to improve our understanding of the parasite survival strategies. Such insights are a necessary step on the road to developing better treatments for the devastating diseases they cause.
N2  - Vertreter der Familie der Trypanosomatidae einschließlich der humanpathogenen Trypanosoma brucei und Leishmania Arten entwickelten eine Reihe von ausgeklügelten Strategien, um in ihren Wirten zu überleben. Während sich Leishmanien eine sichere Nische in den Makrophagen ihrer Wirte aufbauen, lebt Trypanosoma brucei ausschließlich extrazellulär im Blutkreislauf der Säugetiere. Dort ist der Parasit ständig dem Angriff des Immunsystems ausgesetzt. Um sein Überleben zu sichern, wechselt er regelmäßig seine variablen Oberflächenproteine (VSG), eine Strategie, die auch als antigene Variation bekannt ist. Obwohl das Genom des Parasiten über ein enormes Repertoire an VSG Genen verfügt, wird immer nur eine einzige Art von einer von 15 spezialisierten telomerproximalen Expressionsstellen (ES) transkribiert. Um die VSG-Zelloberfläche zu wechseln, können Trypanosomen das VSG Gen der aktiven ES gegen ein inaktives VSG aus dem gigantischen Repertoire mittels Rekombination eintauschen. Eine weitere Möglichkeit ist der Transkriptionswechsel zu einer zuvor stillen ES.
Die konservierte Histonmethyltransferase DOT1B katalysiert die Methylierung von Histon H3 am Lysin 76 und ist an der ES-Regulation beteiligt. DOT1B gewährleistet den transkriptionell inaktiven Status der ES und beeinflusst die Kinetik eines transkriptionellen ES Wechsels. Die molekularen Komponenten, die DOT1B diese regulatorischen Funktionen an der ES ermöglichen, sind jedoch noch unbekannt. Um mehr über die von DOT1B vermittelten Mechanismen zu erfahren, ist es notwendig, DOT1B-assoziierte Proteine zu identifizieren. 
Durch die Anwendung von komplementären biochemischen Proteinaufreinigungsmethoden gelang es mir, mehrere potentielle Proteininteraktionen zu DOT1B zu entdecken. Um die Daten zu validieren, führte ich weitere Proteinaufreinigungen mit den vielversprechendsten Kandidaten durch. Eine Interaktion zwischen DOT1B und der Ribonuklease H2 konnte bestätigt werden - eine Interaktion, die noch nie zuvor in anderen Organismen beschrieben wurde. In Trypanosomen gewährleistet Ribonuklease H2 die Genomintegrität, indem das Enzym RNA-DNA-Hybride auflöst. Diese Strukturen können zudem, wenn sie nicht richtig prozessiert werden, antigene Variation initiieren. In dieser Studie wurde daher außerdem DOT1B’s Beitrag zu diesem Weg der Initiation der antigenen Variation analysiert. In der Tat konnte gezeigt werden, dass DOT1B RNA-DNA-Hybride moduliert und die Genomintegrität sowie VSG-Wechselrate beeinflusst. Die Tatsache, dass in DOT1B-Mutanten VSG Isoformen von den unterschiedlichsten Genomregionen exprimiert wurden, deutet darauf hin, dass rekombinations-basierte Ereignisse dem VSG-Wechsel zu Grunde lagen. Da in den DOT1B-Mutanten ähnliche VSG exprimiert wurden wie in Ribonuklease H2-Mutanten, kann vermutet werden, dass beide Proteine bei der Modulation der RNA-DNA-Hybride zusammenwirken, um antigene Variation zu regulieren.  
Trypanosomen und Leishmanien werden mittels Insektenvektoren auf den nächsten Säugerwirt übertragen. Sie müssen daher nicht nur im Säugerwirt überleben, sondern sich auch an die extrem unterschiedliche Umgebung im Vektor anpassen. Dafür differenzieren sich die Parasiten in speziell angepasste Zellstadien. Zusätzlich zu der antigenen Variation beeinflusst DOT1B die Entwicklungsdifferenzierung in Trypanosoma brucei. In Leishmanien hingegen ist über den Einfluss von chromatin-assoziierten Proteinen wie DOT1B auf die Überlebens- und Anpassungsstrategien wesentlich weniger bekannt. Um herauszufinden, ob die Funktionen von DOT1B in Leishmanien konserviert sind, wurden Phänotypen nach Gendeletion analysiert. Wie auch in Trypanosoma brucei konnte gezeigt werden, dass DOT1B für das Überleben der Parasiten nicht essentiell ist. Die Deletion von DOT1B ging mit einem Verlust der Trimethylierung von Histon H3 am Lysin 73 (dem zum trypanosomalen H3K76 homologen Lysin) einher, was darauf hinweist, dass DOT1B auch in Leishmanien allein für die Katalyse dieser posttranslationalen Modifikation verantwortlich ist. Wie in Trypanosoma brucei konnte eine Dimethylierung nur in der Mitose/Zytokinese beobachtet werden, wobei die Trimethylierung während des gesamten Zellzyklus in Wildtyp-Zellen nachweisbar war. Im Gegensatz zum trypanosomalen DOT1B war LmxDOT1B für die Differenzierung in vitro entbehrlich. Vorläufige Daten zeigen jedoch, dass das Enzym für eine wirksame Makrophageninfektion wesentlich ist.
Zusammenfassend zeigte diese Studie, dass die Identifizierung von Proteinnetzwerken und die Charakterisierung von Funktionen orthologer Proteine aus verwandten Parasiten wirksame Werkzeuge sind, um unser Verständnis der Überlebensstrategien der Parasiten zu verbessern. Solche Erkenntnisse sind ein notwendiger Schritt auf dem Weg zu effektiveren Behandlungsmethoden für die verheerenden Krankheiten, die diese Parasiten verursachen.
KW  - Trypanosoma brucei
KW  - Leishmania
KW  - Chromatin
KW  - Histon-Methyltransferase
KW  - DNA repair
KW  - developmental differentiation
KW  - DOT1
KW  - Ribonuclease H2
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-219936
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A1  - Saedtler, Marco
T1  - Pharmaceutical formulation strategies for novel antibiotic substances utilizing salt formation and two- and three-dimensional printing techniques
T1  - Pharmazeutische Formulierungsstrategien für neuartige, antibiotische Substanzen unter Verwendung von Salzbildung sowie zwei- und dreidimensionalen Drucktechniken
N2  - Salt formation is a routinely used strategy for poorly water-soluble drugs and traditionally performed with small inorganic counterions. High energy crystal lattices as well as effects on the local pH within the aqueous boundary layer during dissolution drive the increased dissolution rate and apparent solubility. Ionic liquids however, by definition low melting ionic salts with often large organic counterions, combine an increased dissolution rate with solubilization of the drug by the counterion itself. Long lasting supersaturation profiles of increased kinetic solubility were reported for several drugs formulated as ionic liquids increasing their overall bioavailability. Furthermore, aggregation and micellization between highly lipophilic compounds and amphiphilic bile acids was described before, demonstrating the capabilities of the human body itself to utilize solubilization of poorly water-soluble compounds. Development of novel counterions not only tailoring the desired physicochemical properties e.g. dissolution rate of the parent drug but adding – in a best-case scenario synergistic – pharmacological activity has been driven forward in the last years. However, salt formation can only be applied for ionizable i.e. acidic or basic compounds. While co-crystals can be used as a nonionized alternative, their formation is not always successful leading to an urgent need for other formulation strategies. In these lines, development of 2D and 3D printing techniques has been ongoing for the last decades and their pharmaceutical application has been demonstrated. The versatile nature and commercial availability allow a decentralized production further elaborating this technique for a highly flexible and patient-oriented supply with medication.
This thesis focuses on the theoretical background and potential application of salt formation in the pharmaceutical development of a drug candidate. The first section presents the current knowledge and state of the art in preparation of low melting ionic liquids i.e. salts and is translated to the in vitro investigation of molecular interaction between the poorly water-soluble drug imatinib and components of the human intestinal fluid in the second section. Development of novel antibiotic counterions and assessment of their potential use in pharmaceutical formulations with fluoroquinolones is described in the last two sections.

Chapter I describes the application of low melting ionic liquids in pharmaceutical formulation and details their development in the last two decades from versatile organic solvents in chemical synthesis towards amorphous strategies for drug delivery. The chapter gives a general overview on molecular structure and physicochemical properties of several drug containing ionic liquids and details the mechanisms which attribute to a typically fast dissolution, increased aqueous solubility as well as enhanced permeation which was reported in several publications.

Chapter II translates the increased aqueous solubility of drugs by an organic counterion to the human gastrointestinal tract with taurocholate and lecithin as main drivers for the solubilization of highly lipophilic and poorly water-soluble drugs. Investigation of the interaction of imatinib – a poorly water-soluble weak base – with fasted- and fed state simulated intestinal fluids revealed a complex interplay between the components of the intestinal fluid and the drug. Mixed vesicles and micelles were observed in concentration dependent aggregation assays and revealed differences in their size, molecular arrangement as well as composition, depending on the tested drug concentration. Overall, the study outlines the effective interaction of weakly basic drugs with taurocholate and lecithin to minimize recrystallization during intestine passage finally leading to favorable supersaturation profiles.

Chapter III focuses on the development of novel antibiotic counterions which potentially move the evolution of ionic liquids from a pharmaceutical salt with tailored physicochemical properties to a synergistic combination of two active pharmaceutical ingredients. The natural occurring anacardic acid derived from the cashew nut shell inspired a series of antibacterial active acidic compounds with increasing alkyl chain length. Their physicochemical properties, antibacterial activity, bacterial biofilm inhibition and cytotoxicity were detailed and in vivo activity in a Galleria mellonella model was assessed.  This group of anacardic acid derivatives is synthetically accessible, easily modifiable and yielded two compounds with favorable activity and physicochemical profile for further drug development.

Chapter IV outlines the potential application of anacardic acid derivatives in pharmaceutical formulations by salt formation with fluoroquinolone antibiotics as well as novel techniques such as 2D/3D printing for preparation of drug imprinted products. Despite anacardic acid derivatives demonstrated promising physicochemical properties, salt formation with fluoroquinolone antibiotics was not feasible. However, 2D/3D printed samples with anacardic acid derivative alone or in combination with ciprofloxacin demonstrated physical compatibility between drug and matrix as well as antibacterial activity against three S. aureus strains in an agar diffusion assay. Conclusively, drug printing can be applied for the herein tested compounds, but further process development is necessary.

In summary, preparation of low melting ionic liquids, salts or co-crystals is an appropriate strategy to increase the aqueous solubility of poorly water-soluble drugs and tailor physicochemical properties. The counterion itself solubilizes the drug and furthermore potentially interferes with the complex micellar environment in the human intestine. However, salt formation as routinely used formulation strategy is not feasible in every case and development of alternative techniques is crucial to hurdle challenges related to unfavorable physicochemical properties. The outlined techniques for 2D/3D drug printing provide versatile production of drug products while extending the design space for novel drug development.
N2  - Die Salzbildung mit pharmazeutischen Wirkstoffen – als routinemäßig durchgeführte Strategie für schlecht wasserlösliche Substanzen – wird traditionell mit kleinen, anorganischen Gegenionen durchgeführt. Eine tragende Rolle spielen hierbei ein hochenergetisches Kristallgitter sowie die Beeinflussung des pH-Wertes in der ruhenden Grenzschicht während des Auflösungsprozesses. Diese treiben eine beschleunigte Auflösungsrate sowie eine Erhöhung der scheinbaren Löslichkeit an. Ionische Flüssigkeiten stellen per Definition niederschmelzende ionische Salze mit oftmals großen, organischen Gegenionen dar. Sie kombinieren, aufgrund ihrer hohen Gitterenergie, eine beschleunigte Auflösungsratemit der Solubilisierung des Wirkstoffs durch das Gegenion. Langanhaltende Übersättigungen mit erhöhter kinetischer Löslichkeit und eine damit einhergehende, verbesserte Bioverfügbarkeit, wurden bereits bei verschiedenen Wirkstoffen beobachtet, die als ionische Flüssigkeiten formuliert wurden. Auch der menschliche Körper nutzt diesen Effekt und solubilisiert schlecht wasserlösliche Substanzen durch Aggregation und Mizellisierung lipophiler Substanzen mit amphiphilen Gallensäuren. Die Entwicklung neuartiger – meist kationischer – Gegenionen wurde in den letzten Jahren vorangetrieben. Vor allem Gegenionen, die nicht nur die gewünschten physikochemischen Eigenschaften (z.B. Auflösungsrate) hervorbringen, sondern einen eigenen – im besten Fall synergistischen – pharmakologischen Effekt aufweisen. Jedoch kommt eine Salzbildung nur für ionisierbare Substanzen respektive Säuren und Basen in Frage. Während Co-Kristalle als Alternative für nicht-ionisierbare Substanzen dienen können, ist deren Herstellung nicht immer erfolgreich und neue Formulierungsstrategien werden notwendig. Deshalb wurde unter anderem die Entwicklung von 2D- und 3D-Druckverfahren in den letzten Jahrzehnten vorangetrieben und deren Relevanz für pharmazeutische Fragestellungen aufgezeigt. Die vielseitige Natur und kommerzielle Verfügbarkeit des 2D/3D-Drucks erlaubt eine dezentrale Produktion und ermöglicht eine flexible und patientenorienterte Medikamentenversorgung.
Diese Dissertation beschäftigt sich vorrangig mit den theoretischen Hintergründen und den praktischen Anwendungsmöglichkeiten der Salzbildung in der pharmazeutischen Entwicklung eines potenziellen Wirkstoffes. Das erste Kapitel  präsentiert den gegenwärtigen Stand der Technik zur Verwendung von niederschmelzenden ionischen Flüssigkeiten. Diese Erkenntnisse werden  im Anschluss auf eine Untersuchung der Interaktionen des schlecht wasserlöslichen Wirkstoffs Imatinib und den Bestandteilen der menschlichen Verdauungssäfte übertragen. Die Entwicklung neuartiger, antibiotisch wirksamer Gegenionen und deren potenzielle Verwendung in pharmazeutischen Formulierungen mit Fluorchinolonen ist Gegenstand der letzten zwei Kapitel.

Kapitel I beschreibt niederschmelzende ionische Flüssigkeiten in pharmazeutischen Formulierungen und führt deren Entwicklung in den letzten drei Jahrzehnten aus: Vom vielfältig anwendbaren, organischen Lösemittel für die chemische Synthese hin zur amorphen Darreichungsform. Das Kapitel gibt einen Überblick über die molekularen Strukturen und physikochemischen Eigenschaften verschiedener wirkstoffbeinhaltender, ionischer Flüssigkeiten. Hierbei werden die zugrundeliegenden Mechanismen dargelegt, was im Besonderen die rasche Auflösung, eine erhöhte Löslichkeit in wässrigen Medien sowie eine Beeinflussung der Permeation meint.

Kapitel II überträgt die Beobachtung einer erhöhten Löslichkeit in Gegenwart eines organischen Gegenions auf den menschlichen Verdauungstrakt, in dem Taurocholat und Lecithin hauptverantworlich für die Solubilisierung von liphilen und schlecht wasserlöslichen Substanzen sind. Untersuchungen der Interaktion von Imatinib, einer schlecht wasserlöslichen, schwachen Base, mit simulierten, intestinalen Flüssigkeiten zeigten ein komplexes System aus Bestandteilen der intestinalen Flüssigkeit und dem Wirkstoff. Gemische aus Vesikel und Mizellen, die mithilfeeines Aggregationsassays untersucht wurden, zeigten, in Abhängigkeit von momentanen Wirkstoffkonzentrationen, Unterschiede in ihrer Größe sowie der molekularen Anordnung und Zusammensetzung. Zusammenfassend beschreibt dieses Kapitel die effektive Interaktion von schwachen Basen mit Taurocholat und Lecithin sowie eine Möglichkeit zur Minimierung von Rekristallisation und damit der Aufrechterhaltung von übersättigten Zuständen während der Wirkstoff den Verdauungstrakt passiert.

Kapitel III befasst sich mit der Entwicklung neuartiger antibiotischer Gegenionen. Diese treiben möglicherweise die Weiterentwicklung von ionischen Flüssigkeiten mit optimierten physikochemischen Eigenschaften zu synergistischen Kombinationen aus zwei pharmakologisch aktiven Substanzen voran. Die natürlich vorkommende Anacardsäure, welche sich aus der Schale der Cashewnuss gewinnen lässt, hat eine Reihe von antibakteriellen, sauren Substanzen inspiriert, die sich allein in der Länge ihrer Alkylkette unterschieden. Physikochemische Eigenschaften, antibakterielle Aktivität, Inhibition des bakteriellen Biofilms sowie Zytotoxizität wurden untersucht und anschließend in vivo mittels Galleria mellonella-Modell beleuchtet. Diese Gruppe aus Anacardsäurederivaten ist synthetisch zugänglich, einfach chemisch modifizierbar und brachte zwei Substanzen mit vorteilhafter Aktivität und physikochemischen Eigenschaften zur weiteren Entwicklung hervor.

Kapitel IV beschreibt die potenzielle Anwendung der Anacardsäurederivate in pharmazeutischen Formulierungen. Durch Salzbildung mit Fluorchinolon-Antibiotika sowie Nutzung neuerer Techniken, wie dem 2D/3D-Druck, wurden wirkstoffbedruckte Darreichungsformen hergestellt. Obwohl die Anacardsäurederivate vielversprechende physikochemische Eigenschaften zeigten, eigneten sie sich nicht für eine Salzbildung mit Fluorchinolonen. Trotzdem war es möglich Anacardsäurederivate allein oder in Kombination mit Ciprofloxacin auf Oberflächen zu drucken, wobei keine physische Inkompatibilität zwischen Wirkstoff und Matrix erkennbar war jedoch eine antibakterielle Wirkung gegen drei S. aureus Stämme gezeigt werden konnte. Abschließend stellte sich der Druck von Wirkstoffen, mit den untersuchten Techniken, als machbar heraus, wobei eine Weiterentwicklung des Prozesses sicherlich notwendig ist.

Zusammenfassend stellt die Herstellung von niederschmelzenden, ionischen Flüssigkeiten, Salzen oder Co-Kristallen eine geeignete Strategie dar, die Löslichkeit schlecht wasserlöslicher Substanzen zu verbessern und deren physikochemische Eigenschaften zu optimieren. Das Gegenion kann dabei dazu beitragen den Wirkstoff zu solubilisieren, wobei es sehr wahrscheinlich ist, dass er auch mit dem komplexen mizellaren System des menschlichen Verdauungstrakts interagiert. Trotzdem ist eine routinemäßige Salzbildung nicht in allen Fällen zielführend und alternative Technologien müssen entwickelt werden, um die Herrausforderungen mit unvorteilhaften physikochemischen Eigenschaften zu meistern. Die beschriebenen 2D/3D-Druckverfahren bieten hierbei eine Produktion variabler und vielfältiger Darreichungsformen und erweitern den Gestaltungsraum für neuartige Wirkstoffentwicklungen.
KW  - Löslichkeit
KW  - Solubilisation
KW  - Antibiotikum
KW  - Formulierung
KW  - Anacardic acid derivatives
KW  - Formulation development
KW  - Anacardsäurederivate
KW  - Formulierungsentwicklung
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-219784
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TY  - THES
A1  - Berberich, Jonas Philipp
T1  - Fluids in Gravitational Fields – Well-Balanced Modifications for Astrophysical Finite-Volume Codes
T1  - Fluide in Gravitationsfeldern - Wohl-Balancierte Modifikationen für Astrophysikalische Finite-Volumen-Codes
N2  - Stellar structure can -- in good approximation -- be described as a hydrostatic state, which which arises due to a balance between gravitational force and pressure gradient. Hydrostatic states are static solutions of the full compressible Euler system with gravitational source term, which can be used to model the stellar interior. In order to carry out simulations of dynamical processes occurring in stars, it is vital for the numerical method to accurately maintain the hydrostatic state over a long time period. In this thesis we present different methods to modify astrophysical finite volume codes in order to make them \emph{well-balanced}, preventing them from introducing significant discretization errors close to hydrostatic states. Our well-balanced modifications are constructed so that they can meet the requirements for methods applied in the astrophysical context: They can well-balance arbitrary hydrostatic states with any equation of state that is applied to model thermodynamical relations and they are simple to implement in existing astrophysical finite volume codes. One of our well-balanced modifications follows given solutions exactly and can be applied on any grid geometry. The other methods we introduce, which do no require any a priori knowledge, balance local high order approximations of arbitrary hydrostatic states on a Cartesian grid. All of our modifications allow for high order accuracy of the method. The improved accuracy close to hydrostatic states is verified in various numerical experiments.
N2  - Die Struktur von Sternen kann in guter Näherung als hydrostatischer Zustandbeschrieben werden, der durch ein Gleichgewicht zwischen Gravitationskraft undDruckgradient gegeben ist. Hydrostatische Zustände sind statische Lösungen dervollständigen komprimierbaren Euler-Gleichungen mit Gravitationsquellenterm, diezur Modellierung des Sterninneren verwendet werden können. Um Simulationendynamischer Prozesse in Sternen durchführen zu können, ist es wichtig, dass dieverwendete numerische Methode den hydrostatischen Zustand über einen langenZeitraum genau aufrechterhalten kann. In dieser Arbeit stellen wir verschiedene Me-thoden vor, um astrophysikalische Finite-Volumen-Codes so zu modifizieren, dasssie diewell-balancing-Eigenschaft erhalten, d.h., dass sie keine signifikanten Diskre-tisierungsfehler nahe hydrostatischer Zustände verursachen. Unsere well-balancing-Modifikationen sind so konstruiert, dass sie die Anforderungen für Methoden er-füllen, die im astrophysikalischen Kontext angewendet werden: Sie können beliebi-ge hydrostatische Zustände mit jeder Zustandsgleichung, die zur Modellierung derthermodynamischen Beziehungen angewendet wird, balancieren und sind einfach invorhandene astrophysikalische Finite-Volumen-Codes zu implementieren. Eine un-serer well-balancing Modifikationen erhält bekannte Lösungen exakt und kann aufjede Gittergeometrie angewendet werden. Die anderen Methoden, für die keine A-priori-Kenntnisse erforderlich sind, balancieren lokale Approximationen beliebigerhydrostatischer Zustände mit hoher Fehlerordnung auf einem kartesischen Gitter.Alle unsere Modifikationen erlauben eine hohe Fehlerordnung der Methode. Dieverbesserte Genauigkeit nahe an hydrostatischen Zuständen wird in verschiedenennumerischen Experimenten verifiziert.
KW  - well-balancing
KW  - Euler equations
KW  - finite volume methods
KW  - Fluid
KW  - Gravitationsfeld
KW  - Finite-Volumen-Methode
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-219679
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TY  - THES
A1  - Lorenz, Thomas
T1  - Conjugated Polymers with BN Units in the Main Chain
T1  - Konjugierte Polymere mit BN-Einheiten in der Hauptkette
N2  - In recent years <mi>PI</mi>-conjugated organoboron polymers and BN-doped polycyclic aromatic hydrocarbons have attracted a lot of interest due to their great potential in organic electronics. However, there are only few known examples of conjugated polymers with BN units in their main chain. Within this work silazane cleavage with silicon-boron (Si/B) exchange for the synthesis of a novel class of inorganic-organic hybrid polymers is demonstrated. These polymers consist of alternating NBN and para-phenylene units in the main chain. Photophysical studies and TD-DFT calculations for the polymer and molecular model systems were carried out, revealing a low extent of <mi>PI</mi>-conjugation across the NBN units. The new polymers can be used as macromolecular polyligands by a cross-linking reaction with a ZrIV compound. In the next chapter the synthesis and characterization of the first poly(p-phenylene iminoborane) is presented. This novel inorganic–organic hybrid polymer can be described as a BN analogue of the well-known poly(p-phenylene vinylene) (PPV) and is also accessible using the previously described Si/B exchange as synthetic strategy. Photophysical investigations and TD-DFT calculations on the polymer and corresponding model oligomers provide clear evidence for <mi>PI</mi>-conjugation across the B=N units and extension of the conjugation path with increasing chain length. Furthermore, a possible application of Si/B exchange for the synthesis of polysulfoximines was explored. Herein, diaryl sulfoximines and a p-phenylene bisborane serve as building blocks for new BN- and BO-doped alternating inorganic–organic hybrid copolymers. While the BN-linked polymers were accessible by a facile silicon/boron exchange protocol, the synthesis of polymers with B–O linkages in the main chain is achieved by salt elimination. In the last chapter the concept of Si/B exchange was investigated for the synthesis of BP-linked oligomers. Herein oligomers with sterically less demanding substituents (substituents: 2,4,6-trimethylphenyl or 2,4,6-tri-iso-propylphenyl) at the phosphorus are accessible using Si/B exchange, but the oligomer with Mes* (2,4,6-tri-tert-butylphenyl) as substituent needed a salt elimination pathway to give the desired product. Experimental data and theoretical investigations indicate, that the P-substituent has a high influence on the geometry of the phosphorus center and therefore on the possible conjugation over the BP units.
N2  - In den letzten Jahren haben <mi>PI</mi>-konjugierte Organoborpolymere und BN-dotierte polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe aufgrund ihres großen Potenzials in organischer Elektronik großes Interesse auf sich gezogen. In der Literatur sind jedoch nur wenige Beispiele für konjugierte Polymere mit BN-Einheiten in ihrer Hauptkette bekannt. In dieser Arbeit wird die Silazanspaltung mit Silizium-Bor (Si/B)-Austausch zur Synthese einer neuen Klasse von anorganisch-organischen Hybridpolymeren vorgestellt. Diese Polymere bestehen aus alternierenden NBN- und para-Phenylen-Einheiten in der Hauptkette. Es wurden photophysikalische Untersuchungen und TD-DFT-Berechnungen für das Polymer und molekulare Modellsysteme durchgeführt, welche auf ein geringes Ausmaß an <mi>PI</mi>-Konjugation über die NBN-Einheiten deuten. Durch eine Vernetzungsreaktion über ZrIV-Verbindungen besteht die Möglichkeit diese neuen Polymere als makromolekulare Polyliganden einzusetzen. Im nächsten Kapitel wird die Synthese und Charakterisierung des ersten Poly(p-phenyleniminoborans) vorgestellt. Dieses neue anorganisch-organische Hybridpolymer kann als ein BN-Analogon des bekannten Poly(p-phenylenvinylen) (PPV) beschrieben werden und ist auch über den zuvor beschriebenen Si/B-Austausch als Synthesestrategie zugänglich. Photophysikalische Untersuchungen und TD-DFT-Berechnungen an dem Polymer und an entsprechenden Oligomeren als Modellsystem liefern deutliche Hinweise auf eine <mi>PI</mi>-Konjugation über die B=N-Einheiten und eine Erweiterung der Konjugationslänge mit wachsender Kettenlänge. Weiterhin wurde die Anwendungsmöglichkeit des Si/B-Austausches für die Synthese von Polysulfoximinen untersucht. Dabei dienen Diarylsulfoximine und p-Phenylenbisboran als Bausteine für neue BN- und BO-dotierte alternierende anorganisch-organische Hybridkopolymere. Während die BN-verknüpften Polymere über den Silizium/Bor-Austausch als Synthesestrategie zugänglich waren, wird die Synthese der Polymere mit B-O-Bindungen in der Hauptkette durch eine Salzeliminierung erreicht. Im letzten Kapitel wurde das Konzept des Si/B-Austausches für die Synthese von BP-verknüpften Oligomeren untersucht. Dabei sind Oligomere mit sterisch weniger anspruchsvollen Substituenten (Substituenten: 2,4,6-trimethylphenyl oder 2,4,6-tri-iso-propylphenyl) am Phosphor mittels Si/B-Austausch zugänglich, während für die Synthese des Oligomers mit Mes* (2,4,6-tri-tert-Butylphenyl) als Substituent eine Salzeliminierung notwendig war um das gewünschte Produkt zu erhalten. Experimentelle Daten und theoretische Untersuchungen deuten darauf hin, dass der P-Substituent einen großen Einfluss auf die Geometrie des Phosphorzentrums und damit auf die mögliche Konjugation über die BP-Einheit hat.
KW  - Polyphenylenvinylenanaloga
KW  - Iminoborane
KW  - Sulfoximin
KW  - Konjugierte Polymere
KW  - Silizium-Boraustausch
KW  - silicon-boron exchange
KW  - diimidoborane
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-219230
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A1  - Pernitzsch, Sandy Ramona
T1  - Functional Characterization of the abundant and conserved small regulatory RNA RepG in Helicobacter pylori
T1  - Funktionelle Charakterisierung der abundanten und konservierten kleinen regulatorischen RNA RepG in Helicobacter pylori
N2  - Bacterial small non-coding RNAs (sRNAs) play fundamental roles in controlling and finetuning gene expression in a wide variety of cellular processes, including stress responses, environmental signaling and virulence in pathogens. Despite the identification of hundreds of sRNA candidates in diverse bacteria by genomics approaches, the mechanisms and regulatory capabilities of these posttranscriptional regulators have most intensively been studied in Gram-negative Gammaproteobacteria such as Escherichia coli and Salmonella. So far, almost nothing is known about sRNA-mediated regulation (riboregulation) in Epsilonproteobacteria, including the major human pathogen Helicobacter pylori. H. pylori was even thought to be deficient for riboregulation as none of the sRNAs known from enterobacteria are conserved in Helicobacter and since it lacks the major RNA chaperone Hfq, which is crucial for sRNA function as well as stability in many bacteria. Nonetheless, more than 60 cis- and trans-acting sRNA candidates were recently identified in H. pylori by a global RNA sequencing approach, indicating that this pathogen, in principle, has the capability to use riboregulation for its gene expression control. However, the functions and underlying mechanisms of H. pylori sRNAs remained unclear.

This thesis focused on the first functional characterization and target gene identification of a trans-acting sRNA, RepG (Regulator of polymeric G-repeats), in H. pylori. Using in-vitro and in-vivo approaches, RepG was shown to directly base-pair with its C/Urich terminator loop to a variable homopolymeric G-repeat in the 5’ untranslated region (UTR) of the tlpB mRNA, thereby regulating expression of the chemotaxis receptor TlpB. While the RepG sRNA is highly conserved, the length of the G-repeat in the tlpB mRNA leader varies among different H. pylori isolates, resulting in a strain-specific tlpB regulation. The modification of the number of guanines within the G-stretch in H. pylori strain 26695 demonstrated that the length of the homopolymeric G-repeat determines the outcome of posttranscriptional control (repression or activation) of tlpB by RepG. This lengthdependent targeting of a simple sequence repeat by a trans-acting sRNA represents a new twist in sRNA-mediated regulation and a novel mechanism of gene expression control, since it uniquely links phase variation by simple sequence repeats to posttranscriptional regulation.

In almost all sequenced H. pylori strains, tlpB is encoded in a two gene operon upstream of HP0102, a gene of previously unknown function. This study provided evidence that HP0102 encodes a glycosyltransferase involved in LPS O-chain and Lewis x antigen production. Accordingly, this glycosyltransferase was shown to be essential for mice colonization by H. pylori. The coordinated posttranscriptional regulation of the tlpB-HP0102 operon by antisense base-pairing of RepG to the phase-variable G-repeat in the 5’ UTR of the tlpB mRNA allows for a gradual, rather than ON/OFF, control of HP0102 expression, thereby affecting LPS biosynthesis in H. pylori. This fine-tuning of O-chain and Lewis x antigen expression modulates H. pylori antibiotics sensitivity and thus, might be advantageous for Helicobacter colonization and persistence.

Whole transcriptome analysis based on microarray and RNA sequencing was used to identify additional RepG target mRNAs and uncover the physiological role of this riboregulator in H. pylori. Altogether, repG deletion affected expression of more than 40 target gene candidates involved various cellular processes, including membrane transport and adhesion, LPS modification, amino acid metabolism, oxidative and nitrosative stress, and nucleic acid modification. The presence of homopolymeric G-repeats/G-rich sequences in almost all target mRNA candidates indicated that RepG hijacks a conserved motif to
recognize and regulate multiple target mRNAs in H. pylori.

Overall, this study demonstrates that H. pylori employs riboregulation in stress response and virulence control. In addition, this thesis has successfully established Helicobacter as a new model organism for investigating general concepts of gene expression control by Hfq-independent sRNAs and sRNAs in bacterial pathogens.
N2  - Bakterielle kleine, nicht-kodierende RNAs (sRNAs, engl. für small RNAs) spielen eine fundamentale Rolle in der Kontrolle und Feinabstimmung der Genexpression in Bakterien. Sie sind an einer Vielzahl von zellulären Prozessen, einschließlich der Adaption an unterschiedliche Stress- sowie Umweltbedingungen und der Virulenz von bakteriellen Pathogenen, beteiligt. Trotz der Identifizierung von Hunderten von sRNA-Kandidaten in diversen Bakterien durch genomweite Untersuchungsmethoden, wurden die regulatorischen Eigenschaften und Mechanismen dieser posttranskriptionellen Regulatoren bisher hauptsächlich in Gram-negativen Gammaproteobakterien wie Escherichia coli und Salmonella untersucht. Bislang ist nur wenig über sRNA-basierte Regulation (Riboregulation) in Epsilonproteobakterien, einschließlich dem weitverbreiteten
Humanpathogen Helicobacter pylori, bekannt. Es wurde sogar angenommen, dass H. pylori über keine Art der Riboregulation verfügt, da keine der enterobakteriellen sRNAs in Helicobacter konserviert sind. Zudem konnte in diesem Erreger kein Homolog für das RNAChaperon Hfq, welches in vielen Bakterien essentiell für die Funktion und Stabilität von sRNAs ist, identifiziert werden. Nichtsdestotrotz wurden mit Hilfe einer globalen RNASequenzierungsstudie,die auf der Sequenzierung primärer Transkripte in einem Hochdurchsatzverfahren basiert, kürzlich mehr als 60 in cis- und in trans-agierende sRNAKandidaten in H. pylori identifiziert. Diese Transkriptomanalyse deutet darauf hin, dass H. pylori prinzipiell die Fähigkeit hat Riboregulation zur Kontrolle seiner Genexression zu nutzen. Die Funktionen und Mechanismen von sRNAs in H. pylori sind jedoch immer noch unklar.

In der vorgelegten Arbeit wurde erstmals eine in trans-agierende sRNA, RepG (Regulator of polymeric G-repeats), in Helicobacter charakterisiert sowie dessen zelluläre Zielgene identifiziert. Mit Hilfe diverser in-vitro und in-vivo Analysen konnte gezeigt werden, dass der C/U-reiche Transkriptionsterminatorloop von RepG direkt an eine variable, repetitive G-Sequenz in der 5‘ untranslatierten Region (UTR) der tlpB mRNA bindet. Durch diese direkte sRNA-mRNA Interaktion wird die Expression des Chemotaxis Rezeptors TlpB reguliert. Im Gegensatz zu einer hohen Konservierung der Sequenz der RepG sRNA, variiert die Länge des G-Stretches im 5‘ UTR der tlpB mRNA zwischen unterschiedlichen H. pylori Isolaten. Diese Längenvariation resultiert in einer Stamm-spezifischen Regulation der TlpB
Expression. Die Modifikation der Anzahl der Guanin-Basen im G-Stretch des H. pylori Stammes 26695 demonstrierte, dass die Länge der repetitiven G-Sequenz das Ergebnis der posttranskriptionellen Regulation (Repression oder Aktivierung) von tlpB durch RepG beeinflusst. Die hier beschriebene Längen-abhängige Interaktion zwischen einer in transagierenden sRNA und einer einfachen, repetitiven Sequenz repräsentiert nicht nur ein neues Konzept für die Genregulation durch sRNAs, sondern stellt auch einen neuen Mechanismus der Genexpressionskontrolle dar. Darüber hinaus, veranschaulicht die hier beschriebene sRNA-mRNA Interaktion eine bislang einzigartige Verknüpfung von Phasenvariation durch hochvariabel, repetitive Sequenzen mit Genregulation durch sRNAs.

In nahezu allen sequenzierten H. pylori Stämmen ist das tlpB Gen in einem Operon zusammen mit einem Gen mit bisher unbekannter Funktion, HP0102, kodiert. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass HP0102 für eine Glykosyltransferase kodiert, die an der Synthese der O-Seitenketten des LPS und des Lewis x Antigens in H. pylori beteiligt ist. Darüber hinaus konnte demonstriert werden, dass diese Glykosyltransferase für die Kolonisierung des murinen Magens durch H. pylori essentiell ist. Die koordinierte, posttranskriptionelle Regulation des tlpB-HP0102 Operons, welche durch antisense Basenpaarung zwischen RepG und der phasen-variablen, repetitiven G-Sequenz im 5‘ UTR der tlpB mRNA vermittelt wird, ermöglicht eine graduelle Kontrolle der Genexpression von HP0102, und somit Einflussnahme auf die LPS Biosynthese in H. pylori. Diese Feinabstimmung der LPS O-Seitenketten und Lewis x Antigen Expression beeinflusst die Resistenz von H. pylori gegen diverse Antibiotika und könnte somit sowohl für die Kolonisierung als auch für die persistente Infektion des Wirts durch H. pylori vorteilhaft sein.

Um Einblicke in die physiologische Funktion von RepG zu gewinnen, wurden in einer genom-weiten Transkriptomanalyse mittels Microarray und RNA-Sequenzierung weitere Zielgene von RepG bestimmt. Insgesamt beeinflusste die Deletion von repG die Expression von mehr als 40 potentiellen Zielgenen, welche an diversen zellulären Prozessen beteiligt sind, wie z.B. Membrantransport und Adhäsion, Aminosäure- und Nukleinsäure-Metabolismus, oxidative und nitrosative Stressantwort sowie LPS Modifizierung. Die Identifizierung von homopolymeren G-Stretchen bzw. G-reichen Sequenzen in allen ZielmRNAs deutet darauf hin, dass RepG ein konserviertes Motiv bindet, um mehrere Zielgene in H. pylori zu erkennen und zu regulieren.

Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass H. pylori Riboregulation basierend auf sRNAs nutzt, um seine Genexpression in unterschiedlichen Stress- und Virulenzbedingungen zu regulieren. Darüber hinaus hat diese Studie Helicobacter als neuen Modelorganismus für die Untersuchung genereller Wirkungsweisen Hfq-unabhängiger sRNAs und sRNAs in bakteriellen Pathogenen etabliert.
KW  - Small RNA
KW  - Helicobacter pylori
KW  - Genregulation
KW  - Riboregulation
KW  - Chemotaxis
KW  - LPS Biosynthese
KW  - Sequenzwiederholung
KW  - Phasenvariation
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-122686
ER  -