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A New Method for Calculating the Energies Associatedwith Particle Reactions
No full textA new method in which the energy and mass of elementary particles can be calculated is presented. Gluon-gluon interactions within a single elementary particle are considered, and the number of possible interactions per particle is determined. This procedure can be formalized and standardized via a newly introduced microcanonical partition function. The possibility of calculating the energetic relationships provides new and more in-depth insights into the reaction possibilities of the particles. In addition, the application of this method of calculating the partition function to the known quarks themselves suggests that they are composed of even more elementary particles. The properties of these particles match the Rishons of the Harari–Shupe preon model. In combination with the Rishon model, the method presented here for calculating the energetic situation of particle reactions provides a profound and new understanding of the processes at an absolute elementary level; this opens new possibilities for the calculation and understanding of particle reactions and might change our understanding of particle physics in fundamental ways.Gefördert durch den Open-Access-Publikationsfonds der UB Marburg
Molecular biological investigations nonribosomal peptide synthetases, polyketide synthases and prenyltransferases from ascomycetes
No full textZwischen Menschen und Pilzen besteht schon lange eine Verbindung. Dem Menschen sind Pilze sowohl für ihre nützlichen Substanzen und Anwendungen als auch für ihre schädlichen Wirkungen bekannt. In den letzten Jahren ist die Anzahl sequenzierter Pilze aus verschiedenen ökologischen Nischen und biodiversen Hotspots gestiegen. Dadurch steigt auch die Anzahl neuer biosynthetischer Gencluster, die in der Lage sind, neue noch unbekannte Sekundärmetabolite herzustellen. Diese neuen Sekundärmetabolite bieten die Chance, neue pharmakologisch aktive Substanzen oder Grundstrukturen zu finden. Die wichtigsten Vertreter von Enzymen, die Grundstrukturen von Sekundärmetaboliten herstellen, sind Polyketidsynthasen (PKSs), nichtribosomale Peptidsynthasen (NRPSs) und Terpensynthasen. Diese bauen aus einfachen universell vorkommenden Bausteinen komplexe Strukturen. Acyl-CoA dient PKSs und Terpensynthasen als Baustein, während NRPS Aminosäuren als Grundbausteine nutzen. Nach der Synthese des Grundgerüstes kann dieses noch weiter modifiziert werden. Dies kann z.B. durch Cytochrom P450 Enzyme oder Prenyltransferasen erfolgen.
Im ersten Teil dieser Arbeit soll die Funktion der NRPS Pc21g15480 aus Penicillium chrysogenum Wisconsin 54-1255 und der NRPS NFIA_074300 aus Neosartorya fischeri untersucht werden. Die beiden NRPS sind in Genclustern lokalisiert, die für die Bildung von Roquefortin C verantwortlich sind. Im Gencluster der NRPS Pc21g15480 sind zusätzlich die Gene für die Bildung von Meleagrin vorhanden. Im ersten Schritt der Biosynthese von Roquefortin C wird mit Hilfe einer NRPS cyclo-L-Trp-L-His gebildet.
In früheren Arbeiten durch Frau Dr. Kathrin Mundt wurden bei der Expression von Pc21g15480 und NFIA_074300 in A. nidulans das erwartete Produkt cyclo-L-Trp-L-His, aber auch cyclo-L-Trp-L-Pro identifiziert. Dies soll im Rahmen dieser Arbeit durch die Expression in S. cerevisiae und A. nidulans verifiziert werden.
Zunächst werden Hefestämme für die Expression von NRPS in S. cerevisiae angefertigt, diese sind an die Bedürfnisse des Labors angepasst und können ebenfalls für die Expression von Prenyltransferasen bzw. zur Coexpression von NRPS und Prenyltransferasen verwendet werden. Nachdem geeignete Hefestämme und Expressionkonstrukte der beiden NRPS hergestellt worden sind, werden diese in S. cerevisiae exprimiert. Trotz der Optimierung der Expression der NRPS in S. cerevisiae konnten nur geringe Intensitäten der Masse der beiden Produkte nachgewiesen werden. Auch ließ sich die Expression nicht zuverlässlich reproduzieren. Deshalb wurde zuerst die NRPS Pc21g15480 in A. nidulans LO8030 exprimiert. Die NRPS wurde dann erfolgreich in das Genom von A. nidulans LO80030 integriert. Nachdem anfänglich die Produktion beider Produkte nachgewiesen wurde, konnte dies nicht reproduziert werden. Auch die erneute Integration der NRPS Pc21g15480 in A. nidulans LO8030 führte zu keiner weiteren Produktion von cyclo-L-Trp-L-His und cyclo-L-Trp-L-Pro.
Im zweiten Teil der Arbeit soll die Funktion zweier kryptischer Gencluster aus Penicillium crustosum PRB-2 untersucht werden. Beide Gencluster besitzen eine PKS mit einer KS-AT-DH-cMeT-ER-KR-ACP-Domänenstruktur, diese sind unter Pcr5819_g und Pcr11425_g annotiert worden. Zunächst soll die PKS Pcr5819_g heterolog in A. nidulans exprimert werden. Nach der Herstellung des Expressionskonstruktes wurde dieses in A. nidulans LO8030 integriert. Bei der Untersuchung der Transformanten, in deren Genom Pcr5819_g integriert worden ist, konnte bis zu diesem Zeitpunkt kein Produkt identifiziert werden.
Weiterhin sollen die beiden Gencluster gezielt durch die Integration des konstitutiven Promotors gdpA vor den hypothetischen Transkriptionsfaktor Pcr5825_g bzw. Pcr11422_g aktiviert werden. Bis zu diesem Zeitpunkt liegen bereits Konstrukte für die Aktivierung der beiden Transkriptionsfaktoren vor. Die Integration in P. crustosum JZ02 war jedoch bis jetzt nicht erfolgreich.
Im dritten Teil der Arbeit soll die Funktion der Prenyltransferase HK57_00371 aus Aspergillus ustus 3.3904 untersucht werden. Anhand der genomischen Analyse könnte HK57_00371 and der Bildung von Phenylahistin beteiligt sein. Um dies zu überprüfen wurde ein Konstrukt für die Produktion von HK57_00371 in E. coli hergestellt. Bis zu diesem Zeitpunkt konnte trotz Optimierungen nur eine geringe Menge des Proteins aus E. coli isoliert werden. In einem Aktivitätsassay konnte keine Aktivität gegenüber dem vermuteten Substrat cyclo-L-Phe-L-His festgestellt werden.The connection between humans and fungi has been documented for a long time. Human recognize that fungi have helpful compunds and uses, but they can also cause a threat for humans. In the last years the number of genomes of fungi from biological nischens and biodiverse hotspots has been increased. This leads to the discovery of new biosynthetic gene clusters, that could produce previously unknown secondary metabolites. These new secondary metabolites harbor the chance of being new pharmacologically active substances or strucures. The most important enzymes, that catalyse the main strucure of secondary metabolites, are polyketide synthases (PKS), nonribosomal peptidesynthetases (NRPS) and terpene synthases. These enzymes are able to create complex structures out of simple universally available small molecules. PKS and terpene synthetases use acyl-CoA as a substrate, while NRPS usally use amino acids as their substrates. After the synthesis of the main structure, it can be further modified. For the further modification a cytochrome P450 enzyme or a prenyltransferases can accept the main structures as their substrates.
In the first part of this work, the function of the NRPS Pc21g15480 from Penicillium chrysogenum Wisconsin 54-1255 and the NRPS NFIA_074300 from Neosartorya fischeri NRRL 181 should be investigated. Both NRPS are part of gene clusters that produce Roquefortin C.
In the gene cluster of Pc21g15480 further genes for the production of meleagrin are present. The first step of roquefortin C biosynthesis is the building of cyclo-L-Trp-L-His by a NRPS. During the expression of Pc21g15480 and NFIA_074300 performed by Dr. Kathrin Mundt the production of cyclo-L-Trp-L-His could be verified. Unexpectedly cyclo-L-Trp-L-Pro was also detected. This should be verified by the expression of the NRPS Pc21g15480 and NFIA_074300 in S. cerevisiae and A. nidulans in this thesis. First there was a need for new yeast strains that are adapted to the expression of NRPS in S. cerevisiae and the needs of the laboratory. They are also able to express or coexpress prenyltransferases. After the production of suitable yeast strains and expression constructs, both NRPSs were expressed in S. cerevisiae. Eventhough the conditions oft he expression were optimized, only a low intensity of the mass of both products could be observed. However, these results could not be reliably reproduced. So the NRPS Pc21g15480 was to be expressed in A. nidulans further. The NRPS Pc21g15480 was successfully integrated into the genome of A. nidulans LO8030. At first both products could be detected, but the results could not be reproduced. Even a new integration of the NRPS Pc21g15480 in A. nidulans LO8030 yielded no production of cyclo-L-Trp-L-His or cyclo-L-Trp-L-Pro.
In the second part the function of two cryptic biosynthetic gene clusters from P. crustosum PRB-2 should be identified. Both gene clusters contain a PKS with a KS-AT-DH-cMeT-ER-KR-ACP domain structure, they are annotated as Pcr5819_g and Pcr11425_g. First the PKS5819_g should be heterologously expressed in A. nidulans. After the cloning of an expression construct, it was integrated into the genome of A. nidulans LO8030. During the analysis of the A. nidulans LO8030 transformants, in whose genome Pcr5819_g was integrated, no product could be identified. Secondly, both gene clusters should be specificly activated by the integration oft he constitutive promotor gdpA in front of the hypothetical transcriptionfactors Pcr5819_g and Pcr11422_g. Until now constructs for the activation have been produced. Unfortunately the integration of these constructs in P. crustosum JZ02 has not been successful yet.
In the third part, the function of the prenyltransferase HK57_00371 from Aspergillus ustus 3.3904 should be identified. Due to a genomic analysis HK57_00371 could be responsible for the production of phenylahistin. To confirm this, a construct for the expression of HK57_00371 in E. coli was produced. Until now only a small amount of HK57_00371 could be isolated from E. coli culture. In an enzyme assay no activity against the proposed substrate cyclo-L-Phe-L-His could be observed
Transport of (Micro)plastic Within a River Cross-Section : Spatio-Temporal Variations and Loads
No full textDespite substantial research, the spatio-temporal dynamics of microplastic fluxes remain underexplored, especially in lower-order rivers. This study aims to quantify microplastic loads using a spatio-temporal sampling approach in a single cross-section of the Lahn River, a typical low-mountain river in Central Germany, over a sampling period from July 2020 to April 2021, covering varying discharge conditions, from low to high flow. A total of 198 plastic particles were detected, averaging 3.67 particles per hour, with a mean microplastic load of 0.03 ± 0.027 particles per cubic metre. Microplastic abundance varied spatially within the river cross-section, with lower concentrations found at deeper sampling positions. The data indicate that higher discharge conditions correlate with increased microplastic loads, predominantly at the water surface, suggesting that hydrological conditions significantly influence plastic transport dynamics. However, it remains unclear whether the microplastics observed at higher discharges originate from additional sources or are reactivated from river sediments. This research highlights the need for further studies to validate model assumptions and better understand the reactivation and transport mechanisms of microplastics in river systems.Gefördert durch den Open-Access-Publikationsfonds der UB Marburg
Basler Alexander : A Digital Edition
No full textThe present study offers a new edition of the Basler Alexander (B). It adopts a document-centered approach and presents B as a work situated within a specific manuscript and historical-geographical context. The edition provides three editorial levels: diplomatic, semi-diplomatic, and “critical.” The latter does not aim to reconstruct an original text in the Lachmannian sense but includes editorial interventions to elucidate the meaning of the text, as well as critical annotations on variant readings, marginal notes, and emendations by earlier editors. The edition has been conceived as a digital, and the text can be viewed alongside the digital facsimile, which features interactive hotspots for marginal notes and palaeographic information; at the same time, it is also available as a “traditional” edition. The edition is part of the broader Digital Alexanderlied (DAL) project, which aims to produce a digital synoptic edition of all versions of the Alexanderlied, and serves as a test case for the use of the Edition Visualization Technology (EVT) software in the publication of digital editions. The first chapter introduces the Alexanderlied and its manuscript tradition, with a particular focus on B. It also outlines the current state of research regarding the relationship between the three redactions and Lambrecht’s original text. The second chapter analyzes the manuscript from codicological, palaeographical, and linguistic perspectives. The third chapter discusses the challenges and solutions involved in editing B and compares traditional and digital approaches. In this context, editorial criteria and specific encoding standards (XML-TEI), as well as the visualization (with EVT) and functionality of the digital edition, are also described. The main part of the dissertation consists of the edition of B, accompanied by a commentary. The edited text has been made available both as a printed and as a digital edition: this dual publication allows for a comparative evaluation of traditional and digital editorial methods. The study concludes with a bibliography and an appendix on the XML-TEI elements used for the encoding. The digital edition and its XML files (available online) form an integral part of this dissertation.Die vorliegende Arbeit legt eine Neuedition des Basler Alexander (B) vor. Diese verfolgt einen dokumentzentrierten Ansatz und präsentiert B als ein zeitgebundenes Werk innerhalb eines spezifischen handschriftlichen, historischen und geografischen Kontexts. Zudem bietet sie drei editorische Ebenen: diplomatisch, halbdiplomatisch und „kritisch“. Letztere zielt nicht auf die Rekonstruktion eines Originaltextes im lachmannschen Sinne, sondern umfasst redaktionelle Eingriffe für die Erschließung des Textsinns sowie kritische Anmerkungen zu Lesarten, Marginalien und früheren Emendationen. Die Edition wurde als digitale Ausgabe konzipiert, und der Text kann zusammen mit digitalen Faksimiles und interaktiven Hotspots für marginale Notizen und paläografische Informationen visualisiert werden; zugleich ist die Edition zugleich auch als gedruckte Ausgabe verfügbar. Sie steht im Kontext des größeren Projekts Digital Alexanderlied (DAL), das eine digitale synoptische Edition aller Fassungen des Alexanderlieds zum Ziel hat, und dient zugleich als Testfall für den Einsatz der Software Edition Visualization Technology (EVT) bei der Publikation von digitalen Editionen. Das erste Kapitel führt in das Alexanderlied und dessen Überlieferung ein; ein besonderer Fokus wird auf die Basler Redaktion gelegt. Zudem wird der aktuelle Forschungsstand zur Beziehung der drei Redaktionen und zu Lambrechts Originaltext behandelt. Im zweiten Kapitel wird die Handschrift aus kodikologischer, paläographischer und linguistischer Perspektive analysiert. Das dritte Kapitel diskutiert die Herausforderungen und Lösungen bei der Edition von B und vergleicht traditionelle und digitale Ansätze. Dabei werden auch die Editionskriterien und spezifische Kodierungsstandards (XML-TEI) sowie die Visualisierung (mit der Software EVT) und Funktionalität der digitalen Ausgabe beschrieben. Den Hauptteil der Dissertation bildet die Edition des Basler Textes, die von einem Kommentar begleitet wird. Der edierte Text wurde sowohl als gedruckte als auch als digitale Edition bereitgestellt. Diese Doppelpublikation bietet die Möglichkeit, traditionelle und digitale Editionsmethoden vergleichend zu bewerten. Die Arbeit schließt mit einer Bibliographie und einem Anhang zur verwendeten Kodierung. Die digitale Edition und ihre XML-Dateien sind integraler Bestandteil der Forschung
Organotetrel chalcogenide clusters as functional materials in inkjet printing and as reactants towards transition metal complexes
No full textIm Rahmen der Dissertation wurden die in Kapitel „2.Zielsetzung und Motivation“ erläuterten Teilprojekte bearbeitet, die in Abbildung 20 und Abbildung 21 zusammenfassend dargestellt sind. Das erste Teilprojekt beschäftigte sich mit dem Druck von Organozinnsulfidclustern mit Adamantan-Topologie. Hierzu wurden zuerst bereits bekannte Cluster auf ihre Eigenschaften hin untersucht und festgestellt, dass die Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln zu gering ist, um einen nennenswerten Materialauftrag per Tintenstrahldruck zu realisieren. Für diesen Zweck wurden Clusterderivate mit verschiedenen organischen Substituenten im Hinblick auf ihre Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln getestet. Der Cluster [(p-nPentyl-PhSn)4S6] stellte sich bezüglich seiner NLO-Eigenschaften, der chemischen- und der Temperaturstabilität, dem Löslichkeitsverhalten, den rheologischen Eigenschaften und der Oberflächenspannung in Lösungen als geeignet für den Tintenstrahldruck heraus. Die Herstellung dieses neuen Weißlicht-Emitters konnte anschließend auf einen Multigramm-Maßstab hochskaliert werden und in Folgearbeiten in verschiedenen Tintenzusammensetzungen in unterschiedlichen Tintenstrahldruckern getestet werden. Dabei erwies sich das Lösungsmittel Anisol als geeignetste Basis. Eine auf dieser Basis hergestellte Tinte wurde dafür verwendet, homogen angeordnete Punkte auf Glas aufzutragen, diese wurden anschließend durch Oberflächenanalytik charakterisiert. Eine Zersetzung von [(p-nPentyl-PhSn)4S6] wurde während des Druckprozesses
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nicht beobachtet, und über Raman-Spektroskopie konnte nachgewiesen werden, dass das aufgetragene Material mit dem eingesetzten Cluster identisch ist. Im nächsten Schritt wurden die Zeichenfolgen der Projekt-Akronyme „MOSLA“ (Molekulare Speicher zur Langzeitarchivierung) und „3DMM2O“ (3D Matter Made to Order) in einen Binärcode konvertiert, wobei „0“ und „1“ einem Blank und dem [(p-nPentyl-PhSn)4S6]-Cluster entsprechen. Diese Kodierung konnte erfolgreich auf Glas gedruckt werden, was den „Schreibvorgang“ eines Datenträgers darstellt. Der „Auslesevorgang“, die Messung von WLG, wurde in Kooperation mit der Arbeitsgruppe Rosemann durchgeführt und konnte bisher aufgrund eines sich in Entwicklung befindenden Messaufbaus für geringe Probenmengen nicht erfolgreich realisiert werden. Im Allgemeinen konnte jedoch gezeigt werden, dass Organotetrelchalkogenidcluster dazu geeignet sind, mit Tintenstrahldruck auf Substrate aufgetragen zu werden, was den Weg zu weiteren Anwendungen eröffnet. Der zweite Teil der Dissertation befasste sich mit Untersuchungen zur Synthese ternärer Organosiliziumsulfidcluster. Solche Verbindungen sind interessant als potentielle Bausteine und Einzelmolekül-Vorstufen komplexerer ternärer Chalkogenide. Hierzu wurde die Reaktivität von [(PhSi)4S6] gegenüber Kupfer(I)chlorid oder Silber(I)chlorid in An- und Abwesenheit einer Sulfidquelle studiert. Außerdem wurde in allen Fällen ein Phosphin, PMe3, PEt3, PPh3, PMe2Ph oder dppb (1,4-Bis(diphenylphosphino)butan), zur Komplexierung der Münzmetallkationen hinzugegeben (siehe Abbildung 21).
Bei Umsetzungen mit Münzmetallkomplexen in Abwesenheit einer Sulfidquelle wurde der [(PhSi)4S6]-Clusterkern angegriffen und eine {PhSi}-Einheit abgespalten. An das so entstandene {(PhSi)3S6}3−-Fragment lagerten sich drei Münzmetallphosphin-Einheiten an und kompensierten somit die negativen Ladungen. Auf diese Weise konnten die beiden Cluster [{(dppbCu2)CuP(Ph2)(CH2CH2)(PhSi)3S6}2] und [(Et3PAg)3(PhSi)3S6] synthetisiert werden. Für die Bildung von [(Et3PAg)3(PhSi)3S6] wurde weiterhin ein Reaktionsmechanismus postuliert, wonach die Bildung des Clusters schrittweise erfolgte und erst bei der Kristallisation vollendet wurde. Diese Annahmen konnten durch 29Si-NMR-Spektroskopie gestützt werden.
Wurde im ersten Reaktionsschritt Na2S zu [(PhSi)4S6] hinzugegeben und anschließend Münzmetallkomplexe hinzugefügt, konnten ähnliche Beobachtungen gemacht werden. Bei Reaktionen dieser Art wurde ebenfalls eine {PhSi}-Einheit abgespalten, aber im Gegensatz zu den vorher genannten Clustern wurden die negativen Ladungen nun durch eine Münzmetallphosphin-Einheit und zwei Na+-Ionen kompensiert. Die Anwesenheit der Na+-Ionen hatte außerdem die Bildung von ausgedehnten Koordinationspolymernetzwerken zur Folge. [Na2(thf)2.33][(Me3PCu)(PhSi)3S6] bildete dabei ein hexameres Ringsystem aus, bei dem zusätzlich jedes Hexamer mit zwei weiteren Hexameren verknüpft ist, so dass ein eindimensionaler Strang entstand. Die Verbindung [Na2(thf)1.5][(Me2PhPAg)(PhSi)3S6] wurde auf dieselbe Art synthetisiert und bildete ebenfalls hexamere Koordinationsoligomere aus. Außerdem erfolgte erneut die Verknüpfung mit weiteren Ringen, hier jedoch unter Ausbildung eines zweidimensionalen Netzwerks. Bei Reaktionen in DCM statt THF wurde mit dem sterisch anspruchsvollen Liganden PPh3 und AgCl die Verbindung [(Ph3P)3Ag(μ-S)SiCl2Ph] gebildet. Weitere ähnliche Reaktionen mit CuCl und dem bidentaten Liganden dppb zeigten, dass während der Reaktion eine {CH2}-Einheit von zersetztem Lösungsmittel übertragen wird und zur Bildung von [{PhCl(S)SiSCH2P(Ph2)CH2CH2}2] führt.
Es konnte somit gezeigt werden, dass durch die Umsetzung von Organosiliziumsulfidclustern mit Münzmetallkomplexen ternäre Cluster synthetisiert werden können die als Bausteine für ein- und zweidimensionale Koordinationspolymere fungieren können. Mit den oben beschriebenen Ergebnissen trug diese Dissertation zur Erweiterung der Kenntnisse auf dem Gebiet der funktionalen Organotetrelchalkogenidcluster bei. In zukünftigen Arbeiten können darauf aufbauend die nächsten Schritte in Richtung druckbarer Datenspeicher und in Richtung von clusterbasierten dreidimensionalen Netzwerken unternommen werden.In the framework of this dissertation, the sub-projects described in chapter “2.Zielsetzung und Motivation” were examined. The findings are summarized in figure 22 and figure 23. The first sub-project dealt with the printing of organotin sulfide clusters with adamantane topology. For this purpose, the properties of already known clusters were first examined and it was found that the solubility in organic solvents is too low to realize a significant material application by inkjet printing. For this purpose, cluster derivatives with various organic substituents were tested with regard to their solubility in organic solvents. The cluster [(p-nPentyl-PhSn)4S6] was examined regarding its non-linear optical properties, chemical and temperature stability, solubility behavior, rheological properties and surface tension in solutions and was found to be suitable for inkjet printing. The synthesis of this new white light emitter was then scaled up to a multigram scale and various ink compositions were tested in different inkjet printers. The solvent anisole turned out to be the most suitable base and an ink produced with this base was used to deposit homogeneously arranged dots on glass, which then were characterized by surface analysis. No decomposition of [(p-nPentyl-PhSn)4S6] was observed during the printing process and Raman spectra were recorded to prove that the deposited material is identical to the pure cluster. In the next step, the strings of the project’s acronyms "MOSLA" and "3DMM2O" were converted into a binary code, where "0" and "1" correspond to a blank and the [(p-nPentyl-PhSn)4S6] cluster. This binary sequence could be successfully printed on glass, which represents the "writing process" of a data storage medium. The "readout process", the measurement of WLG, was carried out in cooperation with the Rosemann group and could not be successfully realized due to a measurement setup for small sample quantities which is still in development. In general, it could be shown that organotetrelchalcogenide clusters are suitable for deposition to substrates using inkjet printing, which opens the way to further applications.
The second part of the dissertation dealt with studies on the synthesis of ternary organosiliconsulfide clusters. These compounds are interesting as potential building blocks and single-molecule precursors of complex ternary chalcogenides. For this the reactivity of [(PhSi)4S6] towards copper(I) chloride or silver(I) chloride in the presence and absence of a sulfide source was studied. In addition, the phosphine ligands PMe3, PEt3, PPh3, PMe2Ph or dppb (1,4-diphenylphosphinobutane), for the complexation of coinage metal-cations were added (see Figure 23).
In reactions with coinage metal complexes in the absence of a sulfide source, the [(PhSi)4S6]-clustercore was attacked and a {PhSi}-unit was cleaved off. Three coinage metal phosphine units were attached to the resulting {(PhSi)3S6}3− fragment, thus compensating for the negative charges. In this way, the two clusters [{(dppbCu2)CuP(Ph2)(CH2CH2)(PhSi)3S6}2] and [(Et3PAg)3(PhSi)3S6] could be synthesized. Furthermore, a reaction mechanism was postulated for the formation of [(Et3PAg)3(PhSi)3S6], according to which the formation of the cluster occurred stepwise and was only completed during crystallization. These assumptions were supported by 29Si-NMR spectroscopy. If Na2S was added to [(PhSi)4S6] in the first reaction step and then coinage metal complexes were added, similar observations could be made. In reactions of this type, a {PhSi}-unit was also cleaved off, but in contrast to the previously mentioned clusters, the negative charges were compensated by a coinage metal phosphine unit and two Na+ ions. The presence of the Na+ ions also resulted in the formation of extended coordination polymer networks. [Na2(thf)2.33][(Me3PCu)(PhSi)3S6] formed a hexameric ring system in which each hexamer additionally is linked to two other hexamers and formed a one-dimensional strand. The compound [Na2(thf)1.5][(Me2PhPAg)(PhSi)3S6] was synthesized in the same way and also formed hexameric coordination oligomers. In addition, these coordination hexamers linked again with additional rings but in this case they form a two-dimensional network.
In reactions in DCM instead of THF, the compound [(Ph3P)3Ag(μ-S)SiCl2Ph] was formed with the sterically demanding ligand PPh3 and AgCl. Further similar reactions with CuCl and the bidentate ligand dppb showed that a {CH2}-unit is transferred from decomposed solvent during the reaction and leads to the formation of [{PhCl(S)SiSCH2P(Ph2)CH2CH2}2]. In summary, it could be shown that ternary organosiliconsulfide clusters can act as building blocks for one- and two-dimensional coordination polymers. With the results described above, this dissertation contributed to the expansion of knowledge in the field of functional organotetrel chalcogenide clusters. Building on this, future work can take the next steps towards printable data storage and cluster-based three-dimensional networks
Koordinierung von Virulenzfaktoren und Lebensstilwechsel bei Pseudomonas aeruginosa anhand von Einzelzellanalysen
No full textPseudomonas aeruginosa, a versatile Gram-negative opportunistic pathogen, relies on multiple virulence mechanisms, including a Type III Secretion System (T3SS) and several Type VI Secretion Systems (T6SS), to establish infections. The bacterial universal second messenger cyclic di-guanylate (c-di-GMP) orchestrates the lifestyle transitions of Pseudomonas aeruginosa between motile and biofilm-associated states, and influences the expression of virulence traits. However, while previous research suggests that c-di-GMP downregulates the T3SS and upregulates the H1-T6SS, recent evidence challenges this simplicity. Besides, a comprehensive virulence picture of P. aeruginosa, especially the crosstalk existed among the virulence systems, has still not emerged. In this thesis, I combine the population-level and single-cell analysis to dissect the role of c-di-GMP in regulating secretion systems’ functions, as well as the virulence functional diversification of P. aeruginosa populations. The results show that on the single-cell level, as on the population level, high c-di-GMP levels lead to increased formation and activity of the H1-T6SS, while negatively influencing formation and activity of the T3SS. Moreover, this thesis shows a comparison of the c-di-GMP – T3SS relationship between Pseudomonas aeruginosa and Yersinia enterocolitica, which presents possible different virulence strategies in various pathogen species.
The lifestyle transition, modulated by c-di-GMP, helps the pathogen to deal with diverse environments. Different virulence features, as well as their combinations, might reflect the survival strategy of the pathogens from another perspective. Therefore, the association among the presence of various virulence systems is also analyzed in this thesis. On the single-cell level, I demonstrate a previously uncharacterized division of labor within P. aeruginosa populations by presenting a cooperative relationship among T3SS and flagellum, as well as an antagonistic relationship between presence of the H1-T6SS and the T3SS, as well as the flagellum. This division of labor suggests a strategy for optimizing survival and pathogenicity under varying environmental conditions.
An optogenetic switch capable of translocating cytosolic proteins to the cell membrane, thereby sequestering their functions, was developed and evaluated. This model offers a powerful tool for manipulating virulence systems such as T3SS and T6SS in P. aeruginosa, holding significant potential for advancing our understanding of P. aeruginosa as a pathogen and facilitating downstream applied bioscience studies. Collectively, this thesis provides a comprehensive and in-depth exploration of P. aeruginosa virulence, offering valuable insights that could inform future strategies to combat P. aeruginosa infections.Pseudomonas aeruginosa, ein vielseitiges gramnegatives opportunistisches Pathogen, nutzt mehrere Virulenzmechanismen, darunter ein Typ-III-Sekretionssystem (T3SS) und mehrere Typ-VI-Sekretionssysteme (T6SS), um Infektionen zu verursachen. Der universelle bakterielle Botenstoff zyklisches Di-Guanylat (c-di-GMP) steuert den Übergang der Lebensweise von P. aeruginosa zwischen dem beweglichen und dem Biofilm-assoziierten Zustand und beeinflusst die Ausprägung von Virulenzmerkmalen. Während frühere Forschungsarbeiten darauf hindeuten, dass c-di-GMP das T3SS herunterreguliert und das H1-T6SS hochreguliert, stellen neuere Erkenntnisse diese Einfachheit in Frage. Außerdem ist ein umfassendes Bild der Virulenz, insbesondere der Wechselwirkungen zwischen den Virulenzsystemen, immer noch nicht ausreichend bekannt. In dieser Arbeit kombiniere ich die Analyse auf Populationsebene mit der Analyse einzelner Zellen, um die Rolle von c-di-GMP bei der Regulierung der Funktionen von Sekretionssystemen sowie die Diversifizierung der Virulenzfunktionen von P. aeruginosa-Populationen zu untersuchen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass hohe c-di-GMP-Konzentrationen auf der Einzelzellebene ebenso wie auf der Populationsebene zu einer erhöhten Bildung und Aktivität des H1-T6SS führen, während sie die Bildung und Aktivität des T3SS negativ beeinflussen. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit einen Vergleich der c-di-GMP-T3SS-Beziehung zwischen P. aeruginosa und Y. enterocolitica, der mögliche unterschiedliche Virulenzstrategien bei verschiedenen Pathogenarten aufzeigt.
Der durch c-di-GMP modulierte Lebensstilwechsel hilft dem Erreger, mit unterschiedlichen Umgebungen zurechtzukommen. Verschiedene Virulenzmerkmale sowie deren Kombinationen könnten die Überlebensstrategie der Erreger aus einer anderen Perspektive widerspiegeln. Daher wird in dieser Arbeit auch der Zusammenhang zwischen dem Vorhandensein verschiedener Virulenzsysteme untersucht. Auf der Ebene der einzelnen Zelle zeige ich eine bisher nicht charakterisierte Arbeitsteilung innerhalb von P. aeruginosa-Populationen, indem ich eine kooperative Beziehung zwischen T3SS und Flagellum sowie eine antagonistische Beziehung zwischen dem Vorhandensein des H1-T6SS und des T3SS sowie des Flagellums aufzeige. Diese Arbeitsteilung deutet auf eine Strategie zur Optimierung des Überlebens und der Pathogenität unter verschiedenen Umweltbedingungen hin.
Es wurde ein optogenetischer Schalter entwickelt und evaluiert, der in der Lage ist, zytosolische Proteine in die Zellmembran zu verlagern und dadurch ihre Funktionen zu isolieren. Dieses Modell bietet ein leistungsfähiges Werkzeug zur Manipulation von Virulenzsystemen wie T3SS und T6SS und birgt ein erhebliches Potenzial für ein besseres Verständnis von P. aeruginosa als Krankheitserreger und für die Erleichterung nachgelagerter angewandter biowissenschaftlicher Studien. Insgesamt bietet diese Arbeit eine umfassende und eingehende Untersuchung der Virulenz von P. aeruginosa und liefert wertvolle Erkenntnisse, die für künftige Strategien zur Bekämpfung von P. aeruginosa-Infektionen genutzt werden können
Charakterisierung der luminalen Kompartimentierung von Peroxisomen und ihrer Rolle bei der Entstehung peroxisomaler Subpopulation
No full textPeroxisomen sind hochkonservierte eukaryotische Organellen mit wesentlichen Funktionen beim oxidativen Abbau von Fettsäuren und der Entgiftung von Wasserstoffperoxid. Darüber hinaus haben Peroxisomen diverse andere metabolische Funktionen, die auch hochspezifisch für eine Gruppe von Organismen sein können, z.B. werden Sekundärmetaboliten wie Penicillin in den Peroxisomen mancher Pilze hergestellt. Es ist weitgehend unerforscht, wie in den Peroxisomen diverse sehr unterschiedlich Stoffwechselwege miteinander koexistieren können. Es handelt sich ultrastrukturell um simple von einer einfachen Membran umschlossenen Vesikel. Schon lange weiß man aber, dass manche Enzyme in stabilen Kernstrukturen vorliegen, die resistent gegenüber Detergenzien sind. Zum Beispiel liegt die Urat-Oxidase, für den oxidativen Abbau von Harnsäure verantwortlich, in den Peroxisomen mancher Säugetiere als kristalliner Kern im Lumen der Organellen vor. In dem Brandpilz Ustilago maydis war bei der Analyse der Biosynthese von extrazellulären Glykolipiden aufgefallen, dass die zwei peroxisomalen Acyltransferasen Mac1 und Mac3 nicht gleichmäßig über alle Peroxisomen verteilt sind, sondern nur in einer Subpopulation vorliegen. Die genauere Charakterisierung dieses Phänomens war das Ziel dieser Arbeit. Es zeigte sich, dass nach Induktion der Peroxisomen-Proliferation durch Zugabe einer langkettigen Fettsäure (Ölsäure) die ungleichmäßige Lokalisation zunahm. Es können sich demnach unter veränderten Wachstumsbedingungen unterschiedliche Populationen von Peroxisomen bilden. Mit Hilfe von hochauflösender Mikroskopie konnte gezeigt werden, dass Mac1 und Mac3 an der Peripherie der Peroxisomen lokalisieren und stabile Subdomänen bilden, die nicht über das gesamte Lumen verteilt sind. Weitere Analysen führten zur Identifizierung eines kurzen Peptidmotiv mit der Aminosäuresequenz TIIV in Mac3, welches für die Akkumulation von Mac3 in peroxisomalen Subdomänen sowohl notwendig als auch ausreichend ist. Bei den Subdomänen handelte es sich vergleichbar mit der Urat-Oxidase aus Säugern um gegenüber Detergens resistenten Strukturen. Weitere Experimente zeigten, dass auch die Urat-Oxidase (Uox1) aus U. maydis ebenfalls in den Kernstrukturen vorliegt in denen auch die Mac Enzyme zu finden sind. Bei der Bildung dieser Strukturen handelt es demnach um ein vermutlich konserviertes Phänomen.
Ferner konnte gezeigt werden, dass die Bildung der Kernstrukturen der metabolischen Kompartimentierung der Peroxisomen dient. Varianten von Mac3 und Uox1, die nicht mehr in den Kernstrukturen lokalisieren können, behindern Wachstum und Metabolismus, wenn die Zellen nur über Ölsäure als Kohlenstoffquelle verfügen. Bisher untersuchte Enzyme die für die -Oxidation von Fettsäuren verantwortlich sind, akkumulieren nicht in den Kernen. Daraus
ergab sich die folgende Hypothese: Das peroxisomale Lumen ist unterteilt in eine -Oxidation-Zone und weitere Zonen. In den weiteren Zonen (Kernen) sind Enzyme für speziellere biochemische Aufgaben der Peroxisomen lokalisiert. Tatsächlich, konnte eine Reihe von weiteren peroxisomalen Enzymen in U. maydis identifiziert werden, die in Subdomänen lokalisiert sind und auch eher spezielle Funktionen erfüllen. Dazu zählen die D-Aminosäure-Oxidase (Dao1) und ein Enzym mit einer potentiellen Rolle für den Abbau von Xenobiotika. Die in U. maydis erarbeiteten Regeln sind vermutlich auch in Säugerzellen gültig. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die metabolische Vielfältigkeit der Peroxisomen durch die Bildung von Kernstrukturen ermöglicht wird.Peroxisomes are highly conserved eukaryotic organelles with essential functions in the
oxidative degradation of fatty acids and the detoxification of hydrogen peroxide. Peroxisomes
fulfill various other metabolic functions that can be highly specific to a group of organisms; for
example, secondary metabolites such as penicillin are produced in the peroxisomes of certain
fungi. It is largely unexplored how diverse and very different metabolic pathways can coexist
within peroxisomes. They appear as ultrastructurally simple vesicles enclosed by a single
membrane. However, it has long been known that some peroxisomal enzymes exist in stable
core structures that are even resistant to treatment with detergent. For instance, urate oxidase,
which is involved in the oxidative degradation of uric acid, is present as a crystalline core in
the lumen of mammalian peroxisomes.
In the smut fungus Ustilago maydis, studies on the biosynthesis of extracellular glycolipids
revealed that the two peroxisomal acyltransferases, Mac1 and Mac3, are not evenly distributed
across all peroxisomes but are found only in a subpopulation. The precise characterization of
this phenomenon was the aim of my thesis. After induction of peroxisome proliferation by the
addition of a long-chain fatty acid (oleic acid), the irregular localization pattern increased.
Using high-resolution microscopy, we could show that Mac1 and Mac3 localize at the periphery
of the peroxisomes and form stable subdomains. Further analysis led to the identification of a
short peptide motif with the amino acid sequence TIIV in Mac3. Presence of this sequence is
necessary and sufficient for the accumulation of Mac3 in peroxisomal subdomains and
subpopulations. Purification of organelles demonstrate that these subdomains are detergent-
resistant structures similar to urate oxidase from mammals. Interestingly, Urate oxidase (Uox1)
from U. maydis is also present in detergent-resistant condensates. Hence, the formation of these
structures appears to be a conserved phenomenon. Furthermore, we found that the formation of
core structures enables metabolic compartmentalization of peroxisomes. Variants of Mac3 and
Uox1 that can no longer localize in cores affect cell growth and metabolism when the cells rely
solely on oleic acid as a carbon source. Moreover, several enzymes responsible for β-oxidation
of fatty acids do not accumulate in cores. This led to the following working model: the
peroxisomal lumen is divided into a β-oxidation compartment and other regions. In the other
regions (cores), enzymes for more specialized biochemical tasks of the peroxisomes are
localized. Indeed, a number of other peroxisomal enzymes in U. maydis that are localized in
subdomains fulfill more specialized functions. These include D-amino acid oxidase (Dao1) and
an enzyme with a potential role in the degradation of xenobiotics. Further investigations
Zusammenfassung | IV
indicated that the rules developed in U. maydis are also applicable to mammalian cells. In
summary, the research underlying my thesis shows that the metabolic diversity of peroxisomes
is supported by the formation of stable core structure
Phylogeny and metabolism of novel spirochetes from cockroaches and evolutionary origin of reductive acetogenesis in termite gut treponemes
No full textSpirochetes (phylum Spirochaetota or Spirochaetes) are widely distributed in various environments but most densely colonize the gut of termites, where they can make up even more than half of the prokaryotic population. Most termite gut spirochetes belong to the so-called “termite (Treponema) cluster I”, a highly diverse but monophyletic clade that occurs exclusively in termite guts. The functional roles of this cluster are largely unelucidated because most members are still uncultured. During my doctoral thesis, I investigated evolutionary history and metabolic potential of symbiotic spirochetes in the gut of termites and their closest relatives, cockroaches, combining cultivation with comparative genomic and phylogenomic approaches. The results have been partially published and are reported in this cumulative thesis.
While termite gut spirochetes have received considerable attention during the past decades, almost nothing is known about the cockroach gut spirochetes. Here, I isolated Breznakiella homolactica, the first representative of the termite cluster I from cockroaches. Its basal position in the entire cluster indicates that representatives of this clade were present already in the omnivorous cockroach ancestor of termites and have coevolved with their termite host. Breznakiella homolactica is a homolactic bacterium that produces acetate only in the presence of oxygen. Moreover, it is not capable of reductive acetogenesis – the most intriguing property among termite gut spirochetes – because it lacks genes encoding key enzymes of the Wood–Ljungdahl pathway, i.e., hydrogen dependent CO2 reductase (HDCR) and CO dehydrogenase and acetyl-CoA synthase (CODH/ACS). This provides strong evidence that the ancestral form of termite cluster I was not a CO2-reducing acetogen.
Using 292 metagenome-assembled genomes (MAGs) reconstructed from 22 lower and 21 higher termite species, I was able to assess the distribution of CO2-reducing acetogens also among the numerous, so far uncultured lineages of termite cluster I. A complete Wood–Ljungdahl pathway (WLP), the prerequisite for reductive acetogenesis, is encoded only by certain lineages from lower termites, whereas all MAGs from higher termites (fam. Termitidae) lack key genes of the pathway. This suggests that members of termite cluster I contribute to the gut reductive acetogenesis only in lower termites but not in higher termites. Phylogenies of HDCR and CODH/ACS indicate that the capacity for reductive acetogenesis in this cluster was acquired multiple times by a lateral transfer of genes originating from Firmicutes. My analyses of the distribution of the WLP in all other bacterial MAGs from termite guts suggests that the high activities for reductive acetogenesis in higher termites are caused by members of a lineage of uncultured deltaproteobacteria, Candidatus Adiutricaceae. In addition, the apical, non-homoacetogenic lineages of termite cluster I from higher termites possess numerous genes encoding putatively secreted carbohydrate-activated enzymes (CAZymes) for xylan degradation, which indicates that they have occupied the new niche in gut of higher termites that opened after the loss of the (hemi)cellulolytic protists.
So far, members of termite cluster I have been classified into the genus Treponema (fam. Treponemataceae). Based on a detailed phylogenomic analysis, we documented that current members of the family represent two separate family-level clades and reclassified the clade that includes members of termite cluster I into a new family, Breznakiellaceae. However, also Treponemataceae comprise uncultured representatives from insect guts. I isolated Brucepasteria parasyntrophica, the closest relative of Treponema zuelzerae, from the gut of a cockroach. It is a mixed-acid fermenter but unlike its relative, inhibited by high H2 partial pressures. However, its growth improved considerably when H2 was removed from the headspace or in the presence of a hydrogen-consuming partner. These findings provide new insights into the diversity of Treponemataceae and the metabolic adaptation of spirochetes to the intestinal environment, where hydrogen production and consumption are strongly coupled.
The results of my research shed new light on the evolutionary history of symbiotic spirochetes in the guts of termites and cockroaches and their metabolic adaptations to an environment characterized by the rapid turnover of molecular hydrogen. The coevolution of termite cluster I and their apparently originated already in the omnivorous cockroach ancestor of termites, whereas the capacity for H2-dependent CO2-reductive acetogenesis evolved later during the radiation of the host.Spirochäten (Stamm Spirochaetota order Spirochaetes) sind in verschiedenen Umgebungen weit verbreitet. Besonders abundant sind sie im Darm von Termiten, wo sie sogar mehr als die Hälfte der prokaryotischen Population ausmachen können. Die meisten Termitendarmspirochäten gehören zum sogenannten „Termitencluster (Treponema) I“, einer sehr vielfältigen, aber monophyletischen Klade, das ausschließlich in Termitendärmen vorkommt. Die funktionalen Rollen dieses Clusters sind bisher weitgehend ungeklärt, da die meisten Mitglieder noch unkultiviert sind. In dieser Dissertation untersuche ich die Evolutionsgeschichte und das metabolische Potenzial symbiotischer Spirochäten im Darm von Termiten und ihren nächsten Verwandten, den Schaben, und kombiniere Kultivierung mit vergleichenden genomischen und phylogenomischen Ansätzen.
Während es in den letzten Jahrzehnten viele Studien über die Darmspirochäten von Termiten gegeben hat, ist über die Darmspirochäten von Schaben fast nichts bekannt. In dieser Arbeit habe ich Breznakiella homolactica isoliert, den ersten Vertreter des Termitencluster I aus Schaben. Die basale Position des Stammes im gesamten Cluster weist darauf hin, dass Vertreter dieser Klade bereits in den omnivoren Schabenvorfahren der Termiten vorhanden war und es zu Co-Evolution mit ihrem Termitenwirt gekommen ist. Breznakiella homolactica ist ein homolaktisches Bakterium, das nur in Gegenwart von Sauerstoff Acetat produziert. Darüber hinaus ist es nicht zur reduktiven Acetogenese – der faszinierendsten Eigenschaft unter den Termitendarmspirochäten – in der Lage, da ihm Gene fehlen, die die Schlüsselenzyme des Wood–Ljungdahl-Wegs codieren, zum Beispiel die wasserstoffabhängige CO2-Reduktase (HDCR) und CO-Dehydrogenase/Acetyl-CoA-Synthase (CODH/ACS). Dies ist ein starker Beweis dafür, dass die Vorfahren der Spirochäten im Termitecluster I keine CO2-reduzierenden Acetogene waren.
Mit 292 metagenom-assemblierten Genomen (MAGs), die aus 22 niederen und 21 höheren Termitenarten rekonstruiert wurden, konnte ich die Verteilung der CO2-reduzierenden Acetogenen auch unter den zahlreichen, bisher unkultivierten Gruppen des Termitencluster I untersuchen. Ein kompletten Wood–Ljungdahl-Weg (WLP), die Voraussetzung für die reduktiven Acetogenese, wird nur von bestimmten Abstammungslinien niederer Termiten kodiert, während in allen MAGs von höheren Termiten (Fam. Termitidae) Schlüsselgene fehlen, was darauf hindeutet, dass Mitglieder des Termitencluster I nur bei niederen Termiten, nicht aber bei höheren Termiten zur reduktiven Acetogenese im Darm beitragen. Die Phylogenien von HDCR und CODH/ACS zeigen, dass die Fähigkeit zur reduktiven Acetogenese in diesem Cluster mehrfach durch einen lateralen Transfer von Genen , die von Firmicutes stammen, erworben wurde. Meine Analysen der Verteilung des WLP in allen bakteriellen Termiten-Darm-MAGs legen nahe, dass die hohen Aktivitäten für die reduktive Acetogenese bei höheren Termiten von Mitgliedern eine Gruppe von unkultivierten Deltaproteobakterien, Candidatus Adiutricaceae, verursacht werden. Darüber hinaus besitzen die apikalen, nicht homoacetogenen Abstammungslinien des Termitenclusters I aus höheren Termiten zahlreiche Gene, die für mutmaßlich sezernierte kohlenhydrataktivierte Enzyme (CAZymes) für den Xylanabbau kodieren, was darauf hindeutet, dass sie die neue Nische im Darm höherer Termiten besetzt haben, die sich nach dem Verlust der (hemi)cellulolytischen Protisten öffnete.
Bisher wurden Mitglieder des Termitencluster I in die Gattung Treponema (fam. Treponemataceae) eingeteilt. Basierend auf einer detaillierten phylogenomischen Analyse haben wir dokumentiert, dass die derzeitigen Mitglieder der Familie zwei separate Kladen auf Familienebene darstellen, und haben die Klade, die die Mitglieder des Termitencluster I einschließt, basierend auf phylogenomischen Analysen in eine neue Familie, Breznakiellaceae, neu klassifiziert. Aber auch Treponemataceae umfassen unkultivierte Vertreter aus Insektendärmen. Ich habe Brucepasteria parasyntrophica, den nächsten Verwandten von Treponema zuelzerae, aus dem Schabendarm isoliert. Es handelt sich dabei um einen gemischter Säurefermenter, der jedoch im Gegensatz zu seinem Verwandten durch hohe H2-Partialdrücke gehemmt wurde. Sein Wachstum verbesserte sich jedoch erheblich, wenn H2 aus der Gasphase entfernt wurde oder in Gegenwart eines Wasserstoff verbrauchenden Partners. Diese Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse über die Diversität der Treponemataceae und eine metabolische Anpassung bei Spirochäten an ein Darmmilieu, in dem Wasserstoffproduktion und -verbrauch stark gekoppelt sind.
Die Ergebnisse meiner Forschung werfen ein neues Licht auf die Evolutionsgeschichte von symbiotischen Spirochäten im Darm von Termiten und Schaben und ihre metabolischen Anpassungen an eine Umgebung, die durch den schnellen Umsatz von molekularem Wasserstoff gekennzeichnet ist. Die Co-Evolution von Termitencluster I und seines Wirts entstand offensichtlich bereits in den allesfressenden Schabenvorfahren der Termiten, während sich die Fähigkeit zur H2-abhängigen CO2-reduktiven Acetogenese später während der Radiation des Wirts entwickelte
Untersuchungen zur Biosynthese von Terpenoiden und Alkyl Salicylaldehyd-Derivaten in Aspergillus ustus auf der Grundlage von Genome mining
No full textNatural products (NPs), defined here as those derived from secondary metabolism, are produced by bacteria, fungi and plants. They are not essential for growth, development, and reproduction of an organism, but equip their producers with specific advantages. As a result, many secondary metabolites exhibit bioactivities that can benefit human health as drugs or drug leads. In context of the discovery of NPs, fungi serve as a prolific source. With advances in sequencing technologies and bioinformatics analysis tools the great potential deposited in genomes can be disclosed. Genetic engineering methods and improvements in analytical technologies provide the toolbox for exploiting that hidden potential of fungal genomes. The discovery of biosynthetic genes is facilitated by their cluster architecture. Based on the gene coding for the respective backbone enzyme, the produced secondary metabolites can be classified, e.g. polyketides, non-ribosomal peptides, and terpenoids.
Genome mining of Aspergillus ustus 3.3904 unveiled several uncharacterized biosynthetic gene clusters (BGCs) with genes coding for different backbone enzymes and several tailoring enzymes. Among them, two putative terpene cyclases and a presumably twelve-gene BGC that are subject in this thesis.
In the first project, a sesquiterpene cyclase, GdlS, was identified and confirmed as germacradienol synthase by heterologous expression and biochemical characterization including testing substrate specificity, ion dependence and determination of the kinetic parameters. Germacradienol is the key intermediate in the biosynthesis of the ‘earthy odor’ geosmin. The biosynthetic mechanism of a bifunctional germacradienol/geosmin synthase has been extensively studied in bacteria over the past 25 years. Only two reports on the biosynthesis of germacradienol and geosmin in fungi were described. Phylogenetic analysis of both N-termini und C-termini of the germacradienol/geosmin synthase SCO6073 from Streptomyces coelicolor with homologues from other bacteria and fungi revealed unequivocally the existence of distinct clades for bacteria, ascomycetous fungi, and basidiomycetous fungi. In particular, the existence of putative bifunctional enzymes in bacteria that catalyze both the conversion of FPP to germacradienol and its fragmentation to geosmin, and the existence of homologues for fungi that most likely code for two distinct enzymes catalyzing the two reactions independently. This led to the suggestion of a different strategy for germacradienol and geosmin production in bacteria and fungi.
The workflow for the second project was the same as for the first project. Heterologous expression and in vitro reaction with recombinant protein unveiled MfdS as malfilanol D synthase. The enzyme’s promiscuity was tested by using different substrates and metal ions as additives. The kinetic parameters were determined. Malfilanol D is a sesquiterpenoid of the less investigated bicyclo[5.4.0]undecane class. The biosynthesis of other compounds belonging to this class, e.g. β-himachalene, is proposed via a C-1 to C-11 ring closure after isomerization of FPP to NPP. As a result of this cyclization procedure, the geminal dimethyl group is directly attached to the 6/7 fused ring. Malfilanol D and its congeners, malfilanol A – C, differ in that the geminal dimethyl group is separated from the fused ring by one CH2 group. Therefore, a different cyclization strategy is assumed. In order to get deep insights into the mechanism of MfdS, feeding with 13C labeled precursors was performed. Subsequent isolation and interpretation of the 13C NMR data provided evidence for a C-1 to C-10 cyclization with successive alkyl and hydride migrations and C-1 to C-6 ring closure to form the core skeleton of malfilanols. These results confirm a novel cyclization mechanism for sesquiterpenoids with a bicyclo[5.4.0]undecane skeleton. This work was done in collaboration with Zheng-Xi Zhang.
In the third project, a putative twelve-gene psa BGC was identified with genes coding for a highly-reducing polyketide synthase (HR-PKS), several short-chain dehydrogenases / reductases (SDRs), and a cupin-domain containing protein, among other modifying enzymes. Because the formation of alkyl salicylaldehydes and derivatives requires the involvement of a HR-PKS, two SDRs, and a cupin-domain containing protein that acts as aromatase, similar cluster products were proposed. Indeed, heterologous expression of these genes confirmed this hypothesis, but with one major exception. More precisely, heterologous expression of merely psaPS (HR-PKS), psaOX1 (SDR), and psaOX2 (SDR) led to the accumulation of four compounds, 6-propyl salicylaldehyde, 6-propyl salicyl alcohol, 6-propyl salicylic acid, and a dihydro-γ-pyrone derivative. Single gene deletion proved the necessity of those three genes for the formation of the aromatic compounds. The introduction of psaCP (cupin-domain containing protein) does not increase the production of aromatic products by a water elimination catalyzed aromatization, as reported in a very recent publication. PsaCP directs the biosynthetic pathway towards the main products rather than shunt products and most likely acts as a reductase. This hypothesis will be the subject of further biochemical investigation.Naturstoffe, definiert als solche, die dem Sekundärstoffwechsel entstammen, werden von Bakterien, Pilzen und Pflanzen produziert. Sie sind nicht essentiell für Wachstum, Entwicklung und Fortpflanzung eines Organismus, verschaffen ihren Produzenten aber spezifische Vorteile. Infolgedessen weisen viele Sekundärmetaboliten biologische Aktivitäten auf und können als Arzneimittel oder Leitsubstanzen solcher für die Gesundheit von Menschen zum Nutzen sein. Pilze sind eine ergiebige Quelle für die Entdeckung von Naturstoffen. Mit Fortschritten bei Sequenzierungstechnologien und bioinformatischen Analysetools kann das große Potenzial, das in Genomen steckt, erschlossen werden. Gentechnische Methoden und Verbesserungen in den Analysetechnologien bieten die dafür notwendigen Werkzeuge. Die Entdeckung biosynthetischer Gene wird durch ihre Clusterarchitektur erleichtert. Anhand des Gens, das das jeweilige ‘Backbone-Enzym’ kodiert, kann eine Klassifizierung des produzierten Sekundärmetaboliten vorgenommen werden, z.B. Polyketide, nicht-ribosomale Peptide und Terpenoide.
Durch die Genomanalyse von Aspergillus ustus 3.3904 wurden mehrere uncharakterisierte biosynthetische Gencluster (BGCs) mit Genen aufgedeckt, die für verschiedene ‘Backbone Enzyme’ und mehrere modifizierende Enzyme kodieren. Darunter sind zwei mutmaßliche Terpenzyklasen und ein vermutlich zwölf Gene umfassendes BGC, welche Gegenstand dieser Arbeit sind.
Im ersten Projekt wurde eine Sesquiterpenzyklase, GdlS, identifiziert und als Germacradienolsynthase durch heterologe Expression und biochemische Charakterisierung einschließlich Tests zur Substratspezifität, Ionenabhängigkeit und Bestimmung kinetischer Parameter bestätigt. Germacradienol ist das wichtigste Zwischenprodukt in der Geosmin-Biosynthese. Der Mechanismus einer bifunktionellen Germacradienol/Geosmin Synthase wurde in den letzten 25 Jahren ausführlich in Bakterien untersucht. Es wurden nur zwei Berichte über die Biosynthese von Germacradienol und Geosmin in Pilzen beschrieben. Die phylogenetische Analyse der N-Termini und der C-Termini der Germacradienol/Geosmin-Synthase SCO6073 aus Streptomyces coelicolor mit Homologen aus anderen Bakterien und Pilzen ergab eindeutig die Existenz unterschiedlicher Kladen für Bakterien, Ascomyceten und Basidiomyceten. Genauer, die Existenz mutmaßlicher bifunktioneller Enzyme in Bakterien, die sowohl die Umwandlung von FPP in Germacradienol als auch dessen Fragmentierung zu Geosmin katalysieren, sowie die Existenz von Homologen für Pilze, die sehr wahrscheinlich für zwei unterschiedliche Enzyme kodieren, die die beiden Reaktionen unabhängig voneinander katalysieren. Dies führte zu der Annahme einer anderen Strategie für die Germacradienol- und Geosminproduktion in Bakterien und Pilzen.
Der Arbeitsablauf für das zweite Projekt war der gleiche wie für das erste Projekt. Heterologe Expression und in vitro Reaktion mit rekombinantem Protein bestätigen MfdS als Malfilanol D Synthase. Die Promiskuität des Enzyms wurde durch Verwendung verschiedener Substrate und Metallionen getestet. Die kinetischen Parameter wurden bestimmt. Malfilanol D ist ein Sesquiterpenoid der weniger untersuchten Bicyclo[5.4.0]undecan Klasse. Die Biosynthese anderer zu dieser Klasse gehörenden Substanzen, z. B. β-Himachalene, wird über einen C-1 zu C-11 Ringschluss nach der Isomerisierung von FPP zu NPP vorgeschlagen. Als Ergebnis dieses Zyklisierungsverfahrens wird die geminale Dimethylgruppe direkt an den 6/7 fusionierten Ring gebunden. Malfilanol D und seine Artgenossen, Malfilanol A – C, unterscheiden sich davon, dass die geminale Dimethylgruppe durch eine CH2-Gruppe vom fusionierten Ring getrennt ist. Daher wird von einer anderen Zyklisierungsstrategie ausgegangen. Um tiefe Einblicke in den Mechanismus von MfdS zu erhalten, wurde ein Fütterungsexperiment mit 13C-markierten Vorstufesubstanzen durchgeführt. Die anschließende Isolierung und Interpretation der 13C-NMR-Daten lieferte Hinweise auf eine C 1 zu C-10 Zyklisierung mit aufeinanderfolgenden Alkyl- und Hydridmigrationen und einem C-1 zu C-6 Ringschluss, um das Grundgerüst von Malfilanol A – D zu generieren. Diese Ergebnisse bestätigen einen neuartigen Zyklisierungsmechanismus für Sesquiterpenoide mit einem Bicyclo[5.4.0]undecan Gerüst. Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Zheng-Xi Zhang durchgeführt.
Im dritten Projekt wurde ein mutmaßliches psa BGC mit zwölf Genen identifiziert, das neben anderen modifizierenden Genen für eine hoch-reduzierende Polyketidsynthase (HR-PKS), mehrere kurzkettige Dehydrogenasen / Reduktasen (SDRs) und ein Cupin-Domänen enthaltendes Protein kodiert. Da die Bildung von Alkylsalizylaldehyden und deren Derivaten die Beteiligung einer HR-PKS, zweier SDRs und eines Cupin-Domänen enthaltenden Proteins erfordert, das als Aromatase fungiert, wurden ähnliche Clusterprodukte vormutet. Die heterologe Expression dieser Gene bestätigte diese Hypothese, aber mit einer großen Ausnahme. Genauer gesagt führte die heterologe Expression von nur der HR-PKS und zwei SRDs zur Akkumulation von vier Produkten, darunter drei aromatische Substanzen. Die Deletion einzelner Gene bewies die Notwendigkeit dieser drei Gene für die Bildung aromatischer Produkte. Die Einführung von psaCP (cupin-Domänen enthaltendes Protein) erhöht nicht die Produktion aromatischer Produkte durch eine durch Wassereliminierung katalysierte Aromatisierung, wie in einer sehr aktuellen Veröffentlichung berichtet wird. PsaCP lenkt den Biosyntheseweg auf die Hauptprodukte anstelle auf die Nebenprodukte und fungiert wahrscheinlich als Reduktase. Diese Hypothese wird weiterhin untersucht
The International Intellectual Property Rights System from the Perspective of the Economic Theory of Legal Federalism
No full textIntellectual property rights (IPRs), such as patents and copyrights, are quintessentially national rights. However, for a long time, national IP regimes have been complemented by international treaties aimed at resolving cross-border challenges in the protection of innovation and creative works. This has led to the emergence of a complex two-level system of IP laws, combining national laws with multilateral agreements. The most recent and most comprehensive of these treaties is the Agreement on Trade Related Aspects of Intellectual Property Rights (TRIPS Agreement), adopted in 1994 under the World Trade Organization (WTO), which introduced more stringent harmonized minimum standards for national IP regimes. Its adoption sparked significant tensions between developed and developing countries, particularly around the difficult balance between incentivizing innovation and ensuring access to essential medicines. While firms in developed countries generally supported stronger IP protections to secure returns on innovation, many developing countries advocated for greater flexibility to pursue public health goals and provide affordable medicines for populations unable to pay patent-based prices. These tensions reflect broader and ongoing conflicts about the appropriate design of IP laws – not only in the context of public health but also in emerging fields such as biotechnology and artificial intelligence. This dissertation investigates the institutional architecture of the international IP system through the lens of the economic theory of legal federalism, which offers a framework for evaluating the trade-offs between harmonization and legal diversity. It asks whether, from an economic perspective, greater global harmonization of IP laws is justified, or whether maintaining differences between national regimes can yield important benefits. The analysis explores whether legal diversity can enhance innovation, accommodate differing policy priorities, and promote experimentation. Given the complexity and shortcomings of the international IP system, the dissertation also considers pragmatic reforms to address persistent inefficiencies and tensions in the two-level system of IP laws.
Chapter 2 begins by examining the institutional architecture of the international intellectual property (IP) rights system, conceptualizing it as a two-level structure comprising national regimes and multilateral treaties. It traces the evolution of this framework through key instruments such as the Paris and Berne Conventions, the Patent Cooperation Treaty (PCT), and the TRIPS Agreement, highlighting the enduring tension between harmonization and national discretion. The chapter argues that although TRIPS established a higher baseline for global IP standards, it preserved critical flexibilities that protect national sovereignty and legal diversity. It concludes that the system remains fundamentally decentralized, shaped by ongoing “action-reaction” dynamics between developed and developing countries.
Chapter 3 develops the theoretical foundation for the analysis, drawing on the economic theories of intellectual property rights – particularly patent rights – and the theory of legal federalism. It examines the limitations and uncertainties surrounding the optimal design of patent systems, including difficulties in determining the appropriate scope and strength of patent protection and the mixed empirical evidence regarding its actual benefits. These challenges underscore the ambiguity of what constitutes an economically optimal patent policy and, by extension, cast doubt on the case for further harmonization of IP laws. The chapter proposes applying the economic theory of legal federalism, which provides a framework for determining the appropriate jurisdictional level for legal rulemaking. This theory offers economic criteria for evaluating whether legal competences – such as those for patent law – should be centralized and harmonized or decentralized and left to national discretion. It argues that intermediate institutional solutions, such as partial harmonization or the establishment of minimum standards, are often more effective than either full centralization or complete decentralization. These nuanced arrangements can balance the benefits of international coordination with the advantages of legal diversity and policy experimentation.
Chapter 4 provides a comprehensive economic analysis of the key criteria relevant to determining the appropriate degree of harmonization versus diversity of IP rules. It focuses on four core economic factors: (1) cross-border externalities and knowledge spillovers, (2) economies of scale and cost advantages, (3) differences in national policy objectives and local conditions, (4) legal experimentation and innovation. It shows that arguments based on cross-border externalities and geographical spillovers as well as economies of scale and cost advantages tend to support greater harmonization and centralization. National differences in policy goals, development levels, and economic structures argue in favor of decentralization, allowing legal frameworks to reflect local priorities and conditions. Furthermore, decentralization enables experimentation, which is especially valuable in adapting IP law to rapid technological change, such as in biotechnology or digital innovation. The analysis concludes that both harmonization and diversity offer important economic benefits. As such, the chapter emphasizes the need to strike a careful balance between these competing economic considerations.
Chapter 5 addresses the highly contentious issue of access to affordable medicines in developing and emerging countries, focusing on the inherent tension between the monopoly-based incentives that drive pharmaceutical innovation and the public health imperative of providing life-saving treatment to populations that cannot afford high-priced medicines. This conflict reflects a deeper normative tension between economic models that prioritize innovation through exclusivity and global health objectives rooted in equity and human rights. It raises fundamental questions that go beyond static and dynamic efficiency, demanding a broader balancing of economic and ethical values. The chapter situates this debate within the framework of the TRIPS Agreement, particularly its flexibilities, such as compulsory licensing. While these legal tools were designed to help countries protect public health, their practical implementation has faced significant legal, procedural, and political obstacles. The chapter examines how different WTO members have interpreted and applied these flexibilities – some actively seeking to expand their use, while others, particularly developed countries, have sought to limit their effectiveness through trade pressures (TRIPS-plus rules). In addition to analyzing the legal design and real-world challenges of TRIPS flexibilities, the chapter explores alternative strategies for improving global medicines access, including the recent and highly visible debate over a COVID-19 waiver. The chapter concludes that while TRIPS flexibilities are important, they are not sufficient. Achieving genuine equity in global health requires deeper structural reforms, notably technology transfer and capacity building in developing countries, to reduce long-term dependence on external supplies and foster sustainable pharmaceutical innovation and access.
Chapter 6 addresses the cost and efficiency challenges of the still largely decentralized system for obtaining patent protection. Under this system, innovators seeking protection in multiple countries must undergo separate, parallel examinations of the same patent application by different national patent offices, each applying its own legal standards. The chapter examines collaborative work-sharing between patent offices as a pragmatic solution – in comparison to creating a global patent office or adopting a system of full mutual recognition – to reduce duplication, lower costs and improve efficiency. It begins by explaining the core concept of work-sharing and its gradual evolution. The chapter analyzes how various bilateral and regional groupings of patent offices have developed diverse collaborative mechanisms, including outsourcing parts of the examination process (sometimes to private entities) and sharing access to common databases. These efforts aim to address key problems of the current system: significant application backlog, lengthy examination periods, and declining examination quality – without requiring changes to international patent law. A qualitative empirical analysis is conducted to evaluate the impact of collaborative work-sharing on three key dimensions: (1) the cost of obtaining patent protection, (2) the duration of examination, and (3) the quality of examination outcomes. The analysis draws on data from WIPO’s Standing Committee on the Law of Patents (SCP), particularly responses to a 2016/2017 survey of patent offices regarding the effects of work-sharing, as well as insights from other empirical studies. Overall, the findings indicate that collaborative work-sharing has contributed to lowering costs for both applicants and patent offices, reducing examination pendency, and improving examination quality. The chapter concludes by proposing two key measures to further enhance the effectiveness of work-sharing: task specialization among patent offices and the outsourcing of specific examination functions.
In conclusion, the dissertation argues that the international IP system is best served by a flexible federal structure – one that combines global coordination with national autonomy and accommodates legal, technological, and economic diversity.Rechte des geistigen Eigentums (Intellectual Property Rights, IPRs) wie Patente und Urheberrechte sind im Wesentlichen nationale Rechte. Dennoch werden nationale Systeme des geistigen Eigentums seit langem durch internationale Abkommen ergänzt, die darauf abzielen, grenzüberschreitende Herausforderungen beim Schutz von Innovationen und kreativen Werken zu bewältigen. Dies hat zur Entstehung eines komplexen Zwei-Ebenen-Systems des IP-Rechts geführt, das nationale Gesetze mit multilateralen Vereinbarungen kombiniert. Das jüngste und umfassendste dieser Abkommen ist das Abkommen über handelsbezogene Aspekte der Rechte des geistigen Eigentums (TRIPS-Abkommen), das 1994 im Rahmen der Welthandelsorganisation (WTO) angenommen wurde und strengere harmonisierte Mindeststandards für nationale IP-Systeme einführte. Seine Verabschiedung führte zu erheblichen Spannungen zwischen Industrie- und Entwicklungsländern, insbesondere im Hinblick auf das schwierige Gleichgewicht zwischen der Förderung von Innovation und dem Zugang zu lebenswichtigen Medikamenten. Während Unternehmen in Industrieländern in der Regel stärkere IP-Schutzmaßnahmen unterstützten, um Erträge aus Innovationen zu sichern, setzten sich viele Entwicklungsländer für größere Flexibilität ein, um gesundheitspolitische Ziele zu verfolgen und bezahlbare Medikamente für Bevölkerungen bereitzustellen, die sich patentbasierte Preise nicht leisten können. Diese Spannungen spiegeln breitere und anhaltende Konflikte über die angemessene Ausgestaltung von IP-Rechten wider – nicht nur im Bereich der öffentlichen Gesundheit, sondern auch in aufkommenden Technologiefeldern wie Biotechnologie und Künstlicher Intelligenz.
Diese Dissertation untersucht die institutionelle Architektur des internationalen IP-Systems durch die Linse der ökonomischen Theorie des rechtlichen Föderalismus, die einen Rahmen zur Bewertung der Abwägung zwischen Harmonisierung und rechtlicher Vielfalt bietet. Sie stellt die Frage, ob aus ökonomischer Sicht eine stärkere globale Harmonisierung der IP-Gesetze gerechtfertigt ist oder ob der Erhalt nationaler Unterschiede wichtige Vorteile bringen kann. Die Analyse geht der Frage nach, ob rechtliche Vielfalt Innovation fördern, unterschiedliche politische Prioritäten berücksichtigen und rechtliche Experimente ermöglichen kann. Angesichts der Komplexität und der Mängel des internationalen IP-Systems zieht die Dissertation auch pragmatische Reformen in Betracht, um anhaltende Ineffizienzen und Spannungen im Zwei-Ebenen-System des IP-Rechts zu beheben.
Kapitel 2 untersucht zunächst die institutionelle Architektur des internationalen IP-Systems, das als Zwei-Ebenen-Struktur konzipiert wird – bestehend aus nationalen Regimen und multilateralen Verträgen. Es zeichnet die Entwicklung dieses Rahmens anhand zentraler Instrumente wie der Pariser und Berner Übereinkommen, des Vertrags über die internationale Zusammenarbeit auf dem Gebiet des Patentwesens (PCT) und des TRIPS-Abkommens nach und hebt die anhaltende Spannung zwischen Harmonisierung und nationaler Gestaltungsfreiheit hervor. Das Kapitel argumentiert, dass TRIPS zwar ein höheres globales Mindestniveau für IP-Schutz eingeführt hat, gleichzeitig jedoch wichtige Flexibilitäten bewahrt hat, die nationale Souveränität und rechtliche Vielfalt schützen. Es schließt mit der Feststellung, dass das System im Wesentlichen dezentral bleibt und durch ein anhaltendes „Aktions-Reaktions“-Verhältnis zwischen Industrie- und Entwicklungsländern geprägt ist.
Kapitel 3 entwickelt das theoretische Fundament der Analyse unter Rückgriff auf ökonomische Theorien der Rechte des geistigen Eigentums – insbesondere des Patentrechts – sowie auf die Theorie des rechtlichen Föderalismus. Es beleuchtet die Grenzen und Unsicherheiten bei der optimalen Ausgestaltung von Patentsystemen, einschließlich der Schwierigkeiten, den geeigneten Umfang und die Stärke des Patentschutzes festzulegen, sowie der uneinheitlichen empirischen Befunde zu dessen tatsächlichem Nutzen. Diese Herausforderungen verdeutlichen die Unklarheit darüber, was eine ökonomisch optimale Patentpolitik ausmacht, und werfen damit Zweifel an der Notwendigkeit weiterer Harmonisierung auf. Das Kapitel schlägt vor, die ökonomische Theorie des rechtlichen Föderalismus als Bewertungsrahmen zu verwenden, um zu bestimmen, auf welcher staatlichen Ebene rechtliche Regelungskompetenz – etwa im Patentrecht – am besten verortet ist. Die Theorie liefert ökonomische Kriterien zur Bewertung, ob Rechtsnormen zentralisiert und harmonisiert oder dezentral und national geregelt werden sollten. Sie argumentiert, dass Zwischenlösungen – wie partielle Harmonisierung oder Mindeststandards – häufig effektiver sind als vollständige Zentralisierung oder völlige Dezentralisierung. Solche differenzierten Arrangements können die Vorteile internationaler Koordination mit denen rechtlicher Vielfalt und politischer Experimentierfreude in Einklang bringen.
Kapitel 4 liefert eine umfassende ökonomische Analyse der maßgeblichen Kriterien zur Bestimmung des geeigneten Grades an Harmonisierung versus Diversität von IP-Regeln. Es konzentriert sich auf vier zentrale ökonomische Faktoren: (1) grenzüberschreitende externe Effekte und Wissensspillovers, (2) Skaleneffekte und Kostenvorteile, (3) Unterschiede in nationalen politischen Zielsetzungen und lokalen Bedingungen, (4) rechtliche Experimente und Innovation. Es zeigt, dass Argumente, die auf externe Effekte und Spillovers sowie Skaleneffekte abstellen, tendenziell für mehr Harmonisierung sprechen. Dagegen sprechen nationale Unterschiede in Entwicklungsstand, politischen Prioritäten und Wirtschaftsstruktur eher für Dezentralisierung. Zudem erlaubt Dezentralisierung rechtliche Experimente, die besonders wertvoll sind, um IP-Recht an den raschen technologischen Wandel – z. B. in der Biotechnologie oder digitalen Innovation – anzupassen. Die Analyse kommt zu dem Schluss, dass sowohl Harmonisierung als auch Diversität wichtige ökonomische Vorteile bieten. Das Kapitel betont daher die Notwendigkeit eines sorgfältigen Ausgleichs zwischen diesen konkurrierenden wirtschaftlichen Überlegungen.
Kapitel 5 behandelt das hochumstrittene Thema des Zugangs zu bezahlbaren Medikamenten in Entwicklungs- und Schwellenländern. Im Mittelpunkt steht der inhärente Widerspruch zwischen den auf Monopolen beruhenden Anreizen, die pharmazeutische Innovationen fördern sollen, und dem gesundheitspolitischen Imperativ, lebensrettende Behandlungen für Bevölkerungen bereitzustellen, die sich teure Medikamente nicht leisten können. Dieser Konflikt reflektiert eine tiefere normative Spannung zwischen ökonomischen Modellen, die Innovation durch Exklusivität priorisieren, und globalen Gesundheitszielen, die auf Gerechtigkeit und Menschenrechte ausgerichtet sind. Die Debatte geht über rein ökonomische Effizienzüberlegungen hinaus und verlangt eine umfassendere Abwägung ökonomischer und ethischer Werte. Das Kapitel verortet diese Debatte im Rahmen des TRIPS-Abkommens, insbesondere seiner Flexibilitäten wie der Zwangslizenzierung. Obwohl diese Instrumente ursprünglich geschaffen wurden, um Ländern den Schutz der öffentlichen Gesundheit zu ermöglichen, stoßen sie in der Praxis auf erhebliche rechtliche, prozedurale und politische Hürden. Das Kapitel analysiert, wie WTO-Mitglieder diese Flexibilitäten interpretieren und anwenden – manche bemühen sich aktiv um deren Ausweitung, während andere, vor allem Industrieländer, ihre Effektivität durch Handelsdruck (TRIPS-Plus-Regeln) zu begrenzen suchen. Neben der Analyse der rechtlichen Ausgestaltung und der praktischen Herausforderungen der TRIPS-Flexibilitäten untersucht das Kapitel auch alternative Strategien zur Verbesserung des weltweiten Zugangs zu Medikamenten, einschließlich der aktuellen Debatte über einen COVID-19-Ausnahmewunsch. Es kommt zu dem Schluss, dass TRIPS-Flexibilitäten zwar wichtig, aber nicht ausreichend sind. Echte Gerechtigkeit im Bereich der globalen Gesundheit erfordert tiefgreifendere strukturelle Reformen, insbesondere Technologietransfer und Kapazitätsaufbau in Entwicklungsländern, um langfristige Abhängigkeiten zu verringern und nachhaltige pharmazeutische Innovation und Zugang zu fördern.
Kapitel 6 widmet sich den Kosten- und Effizienzproblemen des noch weitgehend dezentralisierten Systems zur Erlangung von Patentschutz. Nach diesem System müssen Innovatoren, die Patentschutz in mehreren Ländern anstreben, parallele Prüfungsverfahren durchlaufen, wobei jedes nationale Patentamt seine eigenen Rechtsstandards anwendet. Das Kapitel untersucht die Zusammenarbeit zwischen Patentämtern als pragmatische Lösung – im Vergleich zur Schaffung eines globalen Patentamts oder zur Einführung eines Systems gegenseitiger Anerkennung – zur Reduzierung von Doppelarbeit, Senkung von Kosten und Verbesserung der Effizienz. Es erläutert das Kernkonzept der Arbeitsaufteilung (Work-Sharing) und seine schrittweise Entwicklung. Das Kapitel analysiert, wie bilaterale und regionale Zusammenschlüsse von Patentämtern unterschiedliche Kooperationsmechanismen entwickelt haben, darunter die Auslagerung von Teilen des Prüfungsverfahrens (teilweise an private Akteure) und die gemeinsame Nutzung von Datenbanken. Diese Bemühungen zielen darauf ab, zentrale Probleme des aktuellen Systems – wie Antragsrückstau, lange Bearbeitungszeiten und sinkende Prüfqualität – zu bewältigen, ohne das internationale Patentrecht zu ändern. Eine qualitative empirische Analyse bewertet die Auswirkungen solcher Kooperationen in drei Bereichen: (1) Kosten der Patenterlangung, (2) Dauer des Prüfverfahrens und (3) Qualität der Prüfungsergebnisse. Die Analyse stützt sich auf Daten des Ständigen Ausschusses für Patentrecht (SCP) der WIPO, insbesondere auf Antworten einer Umfrage von 2016/2017 unter Patentämtern zu den Auswirkungen von Work-Sharing, sowie auf weitere empirische Studien. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass Work-Sharing zur Senkung der Kosten für Antragsteller und Ämter, zur Reduzierung der Prüfungsdauer und zur Verbesserung der Prüfqualität beigetragen hat. Das Kapitel schließt mit zwei Vorschlägen zur weiteren Steigerung der Wirksamkeit: Aufgaben-Spezialisierung unter den Ämtern sowie die gezielte Auslagerung bestimmter Prüffunktionen.
Fazit: Die Dissertation argumentiert, dass das internationale IP-System am besten durch eine flexible föderale Struktur bedient wird – eine Struktur, die globale Koordination mit nationaler Autonomie verbindet und rechtliche, technologische sowie ökonomische Vielfalt berücksichtigt