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Nanoscale electron transport in topological materials
Get PDFDiese Arbeit behandelt den nanoskopischen Elektronentransport in dünnen Bismutselenid(Bi2Se3)- und Bismuttellurid(Bi2Te3)-Schichten auf Si(111). Bi2Se3 und Bi2Te3 gehören zu der neuen Materialklasse der topologischen Isolatoren (TI). Diese Materialien haben eine Bandlücke in ihrem Inneren, die durch einen spinpolarisierten Oberflächenzustand geschlossen wird. Dieser wird durch die Topologie des Materials geschützt und ist daher sehr robust gegenüber nichtmagnetischen Defekten. Der lokale Elektronentransport in den TI-Filmen wurde mittels Rastertunnelpotentiometrie untersucht (STP), die eine Erweiterung der Rastertunnelmikroskopie (STM) darstellt, wobei zeitgleich die mikroskopische Topographie und das zugehörige elektrochemische Potential μ_ec der Probenoberfläche erfasst werden. Dabei unterstützen globale (µm-Skala) Mehrspitzenmessungen die lokalen (nm-Skala) STP-Messungen. In den TI-Filmen wird μ_ec durch einen konstanten Gradienten beherrscht. Zusätzlich zeigt μ_ec Sprünge an Stufenkanten und Domänengrenzen auf der Bi2Se3- und Bi2Te3-Oberfläche, d. h., diese morphologischen Strukturen stellen Transportbarrieren für Leitungselektronen dar. Zudem treten bei manchen Proben Thermospannungssignale auf. Zusätzlich wird der Einfluss von Adsorbaten auf die Transporteigenschaften der TI-Filme untersucht: Während Bi-Inseln auf Bi2Se3-Filmen den Leitwert erhöhen, haben Eiseninseln auf Bi2Te3-Filmen keinen signifikanten Einfluss auf den Elektronentransport.This thesis covers the nanoscale electron transport in thin films of bismuth selenide (Bi2Se3) and bismuth telluride (Bi2Te3) on Si(111). Bi2Se3 and Bi2Te3 belong to the new material class of topological insulators (TI). These materials are insulating in their bulk while they provide a metallic, spin-polarized surface state. The surface state is protected by the material’s topology which leads to a high robustness against non-magnetic defects. The local electron transport of the TI films was studied by scanning tunneling potentiometry (STP), an extension of the scanning tunneling microscope (STM) which gives access to the microscopic topography and the corresponding electrochemical potential μ_ec of the surface simultaneously. The local (nm-scale) STP measurements are supported by global (µm-scale) multi point probe studies. The STP analysis shows that the local electron transport in the TI film is dominated by a constant gradient of μ_ec. In addition, μ_ec drops suddenly at step edges and domain boundaries on the Bi2Se3 and Bi2Te3 surface. Therefore, these morphological structures are transport barriers for conduction electrons. For some samples thermovoltage signals were observed as well. Additionally, the influence of adsorbates on the transport properties of the TI films is studied. While Bi islands on Bi2Se3 films lead to an increased sheet conductance, additional iron islands on Bi2Te3 films have no significant influence on the electron transport
Decreased hypercapnic ventilatory response in long-term lung transplant recipients is associated with exercise impairment
Get PDFHintergrund: In der aktuellen Studie untersuchen wir die Atemregulation nach bilateraler Lungentransplantation und vergleichen diese mit gesunden Probanden, um den Einfluss der Denervation der Lungen auf die bekanntermaßen verminderte Leistungsfähigkeit nach einer Lungentransplantation zu untersuchen.
Patienten und Methode: Bei 46 bilateral lungentransplantierten Patienten mit unterschiedlichen Indikationen zur Transplantation führten wir eine Bodyplethysmographie, Blutgasanalyse, Spiroergometrie und CO2-Rückatmung mit Messung der Atempumpe durch und verglichen die Ergebnisse mit der Spirometrie, Blutgasanalyse und CO2-Rückatmung von 35 gesunden Probanden.
Ergebnisse: Die in der Literatur beschriebene verminderte Leistungsfähigkeit der Lungentransplantierten konnten wir bestätigen. Es ergab sich ein signifikanter Zusammenhang von Belastbarkeit, maximaler Sauerstoffaufnahme und Atemeffizienz mit der hyperkapnischen Atemantwort. Bei dem Vergleich der hyperkapnischen Atemantwort lungentransplantierter Patienten und gesunder Probanden zeigte sich diese vermindert. Des Weiteren ergaben sich Unterschiede des Atemmusters im Sinne einer Steigerung des Atemminutenvolumens durch Steigerung der Atemfrequenz anstelle des Tidalvolumens. Dieses Unvermögen der adäquaten Steigerung des Tidalvolumens könnte auf die Denervation zurückzuführen sein und führt zu einer erhöhten Atemarbeit, welche die Einschränkung der Leistungsfähigkeit erklären könnte. Des Weiteren zeigten sich in der Messung des Mundverschlussdruckes zur Darstellung der Atemarbeit erhöhte Werte bei den Transplantierten im Vergleich zum Normalkollektiv, welche auf eine schnellere Ermüdbarkeit der Atemmuskulatur durch fehlende Feedbackmechanismen als Schutz vor Ermüdung schließen lässt.
Schlussfolgerung: Der Zusammenhang der Atemregulation mit der körperlichen Leistungsfähigkeit lässt eine Steigerung der Belastbarkeit durch gezieltes Training der Atmung nach der Transplantation vermuten.PURPOSE:
Bilateral lung transplantation results in complete denervation of the lung and might impair hypercapnic ventilatory response (HCVR). However, experimental and clinical findings are scarce and conflicting. Therefore, this study investigated the relationship between HCVR and exercise capacity after long-term bilateral lung transplantation.
METHODS:
This cross-sectional analysis enrolled 46 bilateral lung transplant recipients between October 2011 and July 2012 who underwent cardiopulmonary exercise testing to evaluate maximum workload, and carbon dioxide (CO2) rebreathing. CO2 rebreathing was also evaluated in 35 control subjects.
RESULTS:
In lung transplant recipients age was 54 ± 11 years, body mass index (BMI) 25.4 ± 4.1 kg/m(2), and time after transplantation 4.5 ± 2.5 years (range 9 months to 10 years). Controls were aged 41 ± 12 years and had a BMI of 24.9 ± 4.0 kg/m(2). There were significant differences between lung transplant recipients and controls in forced expiratory volume in 1 s (76 ± 22 vs. 94 ± 12 % predicted, p < 0.001) and inspiratory vital capacity (91 ± 20 vs. 105 ± 14 % predicted, p = 0.001). Blood gases did not differ significantly in patients versus controls. HCVR in lung transplant recipients was 1.44 ± 1.07 L/min/mmHg compared with 2.09 ± 1.14 L/min/mmHg in controls (p = 0.001). Exercise capacity in lung transplant recipients (73 ± 24 W) was 49 % predicted. Linear regression analysis showed that exercise capacity was significantly associated with HCVR. A 1 L/min/mmHg decrease in HCVR decreased exercise capacity by 50 W.
CONCLUSION:
HCVR is reduced in long-term bilateral lung transplant recipients and this might explain the observed impairment of exercise capacity
Learning by generative drawing: An analysis of learning behavior and eye movements to evaluate theoretical assumptions
Get PDFDas Lernen mit komplexen Sachtexten stellt für viele Schülerinnen und Schüler ein großes Hindernis dar. Beim verstehenden Lesen eines solchen Textes haben Lernende häufig Schwierigkeiten, verschiedene Teile des Textes zu integrieren, ein genaues Textverständnis zu entwickeln und spezifisches Wissen gezielt zu nutzen, um das Gelesene zu interpretieren (Bos, Valtin, Hußmann, Wendt & Goy, 2017; Hußmann et al., 2017; Weis, Zehner, Sälzer, Strohmaier & Pfost, 2016). Das Hinzufügen von Abbildungen zu einem Text kann zwar das fachliche Verstehen maßgeblich unterstützen (Mayer, 2009, 2014c), jedoch gibt es auch Hinweise darauf, dass Lernende vorgegebene Abbildungen häufig nur oberflächlich betrachten und verstehen (z. B. Brandstetter-Korinth, 2017; Cook, Carter & Wiebe, 2008; Hannus & Hyönä, 1999). Eine Alternative bietet die Lernstrategie des sinnstiftenden Zeichnens, bei welcher Lernende selbst repräsentationale Abbildungen zu den zentralen Sachverhalten eines Textes erstellen (Alesandrini, 1984; Carney & Levin, 2002; van Meter & Garner, 2005). Im Gegensatz zum Lernen mit einem Text und vorgegebenen Abbildungen verlassen Lernende bei der Anwendung der Lernstrategie des sinnstiftenden Zeichnens die passive Rolle eines Rezipienten von Text- und Bildmaterial und gestalten stattdessen den Lernprozess aktiv mit, indem sie ihre Aufmerksamkeit gezielt den Schlüsselstellen eines Textes zuwenden, die relevanten Informationen aus dem Text selektieren, in mentalen Repräsentationen organisieren und diese schließlich mit dem Vorwissen in ein kohärentes mentales Modell integrieren (van Meter & Garner, 2005; van Meter & Firetto, 2013). Da die Lernenden die Zeichnungen von Grund auf Stück für Stück selbst zusammensetzen und sich so intensiv mit den verschiedenen Ebenen sowie einzelnen Elementen der Abbildung und derer Zusammenhänge auseinandersetzen, erhalten sie zudem über den Visualisierungsprozess einen intuitiven Zugang, um Bildinformationen aus komplexen Abbildunggen zu entnehmen.
Die Wirksamkeit des sinnstiftenden Zeichnens wird im zugrundeliegenden Cognitive Model of Drawing Construction (van Meter & Firetto, 2013) darauf zurückgeführt, dass Lernende beim Prozess der Bildgenerierung einen dreiphasigen Selbstregulationskreislauf durchlaufen, welcher die Ausführung der kognitiven Prozesse steuert. Weiterhin werden durch den Selbstregulationskreislauf metakognitive Prozesse der Selbstüberwachung und -regulation angestoßen, welche dafür verantwortlich sind, dass die Aufmerksamkeit der Lernenden verstärkt auf die zentralen Stellen des zu bearbeitenden Textes gelenkt wird und sinnstiftende Selektions-, Organisations- und Integrationsprozesse stattfinden, sodass unter Einbezug des Vorwissens ein kohärentes mentales Modell konstruiert werden kann. Durch das Erstellen einer Zeichnung erhalten die Lernenden außerdem eine direkte Rückmeldung darüber, ob die wesentlichen Aspekte des Textes erfasst und verstanden worden sind oder ob sich erneut mit dem Text auseinandergesetzt werden muss.
Bisherige Befunde zum sinnstiftenden Zeichnens legen nahe, dass die Lernstrategie dann ihr volles Potenzial entfalten kann, wenn Lernende qualitativ hochwertige Zeichnungen erstellen können, ohne sich beim Visualisierungsprozess kognitiv zu überlasten (Schmeck, 2010). Unter diesen Voraussetzungen kann das sinnstiftende Zeichnen sowohl das Textverständnis als auch die Transferleistungen fördern (für eine Übersicht siehe Fiorella & Mayer, 2015; Leutner & Schmeck, 2014; van Meter & Firetto, 2013). Weiterhin erweist sich die Qualität der von den Lernenden erstellten Zeichnungen als geeigneter Prädiktor für den Lernerfolg (prognostic drawing principle; Leutner & Schmeck, 2014; Schwamborn, Mayer, Thillmann, Leopold & Leutner, 2010).
Während die Lernförderlichkeit der Lernstrategie des sinnstiftenden Zeichnens empirisch gut belegt ist, gibt es bisher jedoch keine empirischen Belege für die in den theoretischen Modellen zum sinnstiftenden Zeichnen angenommenen zugrundeliegenden kognitiven und metakognitiven Prozesse. Anhand der Analyse von Blickbewegungen und Verhaltensspuren sind in der vorliegenden Arbeit Indikatoren für kognitive Verarbeitungsprozesse während des sinnstiftenden Zeichnens ausgemacht worden, sodass die theoretischen Annahmen im Cognitive Model of Drawing Construction (van Meter & Firetto, 2013) hinsichtlich des Selbstregulationskreislaufs und des Einflusses des Vorwissens auf die kognitiven Verarbeitungsprozesse empirisch überprüft werden konnten.
In der in dieser Arbeit präsentierten ersten und zweiten Studie lag der Fokus daher auf der Frage, welche Blickbewegungsmuster sich bei der Anwendung der Lernstrategie des sinnstiftenden Zeichnens nachweisen lassen und inwiefern sich diese Blickbewegungsmuster als Indikatoren für kognitive Verarbeitungsprozesse der Lernenden von denen solcher Lernenden unterscheiden, die vorgegebene Abbildungen zu einem Text erhalten (Studie I) oder die Lernstrategie des Zusammenfassens ausführen (Studie II). Weiterhin wurde in beiden Studien untersucht, inwiefern sich die Lernenden im Hinblick auf den Lernerfolg unterscheiden und ob bei Lernenden, welche sinnstiftende Zeichnungen erstellen, die Qualität der Zeichnungen prädiktiv für den Lernerfolg ist. Die Ergebnisse der Blickbewegungsanalysen und Lernerfolgstests legen nahe, dass, im Vergleich zu einer klassischen multimedialen Lernumgebung oder der Anwendung der Lernstrategie des Zusammenfassens, sinnstiftendes Zeichnen zu einer strategisch fokussierteren Nutzung der kognitiven Prozesse des Selektierens und Integrierens führt. Die gefundenen Blickbewegungsmuster für die Lernstrategie des sinnstiftenden Zeichnens stehen dabei im Einklang mit den Annahmen des theoretischen Modells: Lernende, welche sinnstiftende Zeichnungen zu einem Text erstellten, setzten sich wiederholt intensiv mit dem Text und den sich in der Entstehung befindenden Abbildungen auseinander und richteten dabei ihre Aufmerksamkeit verstärkt auf die zentralen Stellen des Textes, sodass ein höherer Anteil an sinnstiftenden Verknüpfungen zwischen depiktiven und deskriptiven Informationen erzeugt werden konnte. Weiterhin erwies sich die Qualität der während des Lernens erstellen Zeichnungen als prädiktiv für den Lernerfolg.
In der dritten Studie dieser Arbeit wurde schließlich der Einfluss des Vorwissens auf die kognitiven Verarbeitungsprozesse während des sinnstiftenden Zeichnens untersucht. Dabei konnte erwartungsgemäß gezeigt werden, dass das Vorwissen einen entscheidenden Einfluss auf die kognitiven Verarbeitungsprozesse während des sinnstiftenden Zeichnens ausübt und damit auch einen entscheidenden Einfluss auf die Konstruktion eines kohärenten mentalen Modells nimmt. Die Auswertung der Blickbewegungsmuster und Verhaltensspuren von Lernenden mit hohem und geringem Vorwissen bei der Strategieanwendung zeigen erwartungskonform, dass Lernende mit hohem Vorwissen nicht nur qualitativ hochwertigere Zeichnungen während des Lernens erstellen konnten und ein höheres Textverständnis und Transferwissen erwarben als Lernende mit geringem Vorwissen, sondern außerdem ausgeprägtere Selektionsprozesse aufwiesen. Im Hinblick auf sinnstiftende Integrationsprozesse konnte jedoch kein Unterschied zwischen Lernenden mit hohem und geringem Vorwissen bei der Anwendung der Lernstrategie des sinnstiftenden Zeichnens festgestellt werden. Die Qualität der Zeichnungen war wiederum positiv mit dem Lernerfolg verbunden.
Insgesamt weisen die empirischen Erkenntnisse der vorliegenden Arbeit auf die Gültigkeit der im Cognitive Model of Drawing Construction (van Meter & Firetto, 2013) getroffenen Annahmen hinsichtlich des Selbstregulationskreislaufs und des Einflusses des Vorwissens auf die kognitiven Verarbeitungsprozesse hin. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Lernende besonders dann im Hinblick auf ihr Textverständnis vom Einsatz der Lernstrategie des sinnstiftenden Zeichnens profitieren, wenn sie in der Lage sind, qualitativ hochwertige Zeichnungen zu erstellen. Zudem erwies sich sinnstiftendes Zeichnen für Lernende mit geringem Vorwissen als sinnvoll, um ihren Wissensrückstand im Vergleich zu Strategieanwendenden mit hohem Vorwissen auszugleichen. Damit bietet sich der Einsatz der Lernstrategie des sinnstiftenden Zeichnens im schulischen Kontext insbesondere bei leistungsheterogen Klassen an, um komplexe Sachtexte sinnstiftend zu erarbeiten.The requirements of a complex scientific text can be a major obstacle for students who study on their own for deep level understanding. In the process of making sense of a text, learners often struggle to integrate different parts of the text, to develop a precise text comprehension, and to use specific textual knowledge to interpret what they have just read (Bos, Valtin, Hußmann, Wendt, & Goy, 2017; Hußmann et al., 2017; Weis, Zehner, Sälzer, Strohmaier, & Pfost, 2016). Although providing pictures in addition to a text can promote learning (Mayer, 2009, 2014c), students tend to look at pictures only in a superficial way and often have difficulties interpreting them (e.g., Brandstetter-Korinth, 2017; Cook, Carter, & Wiebe, 2008; Hannus & Hyönä, 1999). A promising approach to improve learning in this regard is to encourage students to draw their own representational pictures, which reflect the main ideas of the text (Alesandrini, 1984; Carney & Levin, 2002; van Meter & Garner, 2005). Contrary to learning with author-provided pictures that are just added to a text, learners who engage in generative drawing are no longer passive consumers of information, but are actively involved in generative processing such as selecting key elements and relations, organizing them into mental representations, and integrating the mental representations with each other and with prior knowledge into a coherent mental model (van Meter & Firetto, 2013; van Meter & Garner, 2005). Since learners deal with the individual elements of the picture and their relations more intensively and create their drawings piece by piece, they also reach a deeper level of understanding in how to deal with complex pictures and how to extract information from these pictures.
The cognitive and metacognitive processes underlying generative drawing are described on a theoretical basis in the Cognitive Model of Drawing Construction (van Meter & Firetto, 2013), in which the processes of selecting, organizing, and integrating are interpreted in terms of self-regulated learning. When learners engage in generative drawing, they undergo a self-regulation cycle that begins with setting performance standards for the drawing by deciding on how many details need to be included and how to express relations between different parts. Metacognitive processes of self-monitoring and self-regulation are triggered, when learners compare their in-progress work to the standards set earlier. If learners are unable to reach the standards or have difficulties to externalize the mental model, metacognitive control guides them back to the instructional material to re-engage in the cognitive processes of selecting, organizing, and integrating in order to revise their mental model. Thus, van Meter and Firetto (2013) predict that, by using the drawing strategy, learners’ attention is directed towards key elements and relations in the text and that learners who generate drawings on their own use self-monitoring and self-regulation processes more frequently than learners who do not use this strategy.
Research shows that generative drawing is more likely to develop its full potential when the drawing process itself is supported. Providing a legend showing all relevant elements for drawing, for example, can reduce extraneous cognitive processing that the mechanics of drawing itself induce (Schmeck, 2010). Under this boundary condition, generative drawing as a self-regulated learning strategy can foster deep level understanding that leads to better learning outcomes in retention and transfer tests (for an overview see Fiorella & Mayer, 2015; Leutner & Schmeck, 2014; van Meter & Firetto, 2013). Moreover, the quality of learners’ drawings during learning predicts the quality of their learning outcomes (prognostic drawing principle; Leutner & Schmeck, 2014; Schwamborn, Mayer, Thillmann, Leopold, & Leutner, 2010).
While there is strong evidence that generative drawing promotes a deeper understanding of the learning materials, there is a lack of empirical evidence for the proposed underlying cognitive and metacognitive processes. To shed more light on the theoretical assumptions made in the Cognitive Model of Drawing Construction (van Meter & Firetto, 2013) concerning the self-regulation cycle and the influence of prior knowledge on cognitive processing, three studies were conducted, in which students' learning processes were analyzed as they engaged in generative drawing using eye-tracking measures and students' learning outcomes using posttest measures.
The purpose of the first and second study presented in this thesis was to examine if students exhibit different eye-movement patterns as indicators of cognitive processing during learning when they generate drawings than when they are given author-generated pictures in addition to a text (Study I) or when they generate written summaries (Study II). Furthermore, in both studies was examined how learners differed in learning outcome performance. A secondary goal was to determine whether the quality of the drawings was predictive for the quality of learning outcomes. The results of both experiments show that learners who engaged in generative drawing during reading a scientific text displayed more strategically focused processing of the text by focusing more attention on relevant text passages and connections between generated drawings and relevant text passages than learners who received a different instructional strategy (such as providing pictures in Study I) or who were prompted to use a different generative learning strategy (such as writing summaries in Study II). Thus, the results are in line with the assumptions made in the Cognitive Model of Drawing Construction (van Meter & Firetto, 2013): Learners who engage in generative drawing are more likely to direct their attention towards key elements and their relations in the text and to engage in meaningful self-monitoring and self-regulation processes in order to externalize the drawing. Moreover, the quality of the drawings was positively associated with the quality of learning outcomes.
The purpose of the third study presented in this thesis was to investigate the impact of prior knowledge on generative processing that leads to mental model construction during generative drawing. As expected, learners with high prior knowledge not only created drawings of significantly higher quality during learning and scored higher on all learning outcome measures than learners with low prior knowledge, but they also were better able to distinguish between important and less important information in the text, indicating more profound selection processing. However, both learners with high and low prior knowledge did not differ in making meaningful connections between their drawings and corresponding text passages. Furthermore, the quality of the drawings proved to be predictive of the quality of learning outcomes.
Overall, the empirical findings of this thesis contribute to evaluating the theoretical assumptions of the Cognitive Model of Drawing Construction (van Meter & Firetto, 2013) with regard to the underlying cognitive and metacognitive processes and the impact of prior knowledge on mental model construction. Moreover, learners benefit most from using the drawing strategy, when they are able to produce high-quality drawings. In particular, generative drawing is a strategy that is suitable for low-prior-knowledge learners in order to catch up with the knowledge that learners with high prior knowledge already possess before learning to a certain extent. Thus, generative drawing as a self-regulated learning strategy should be explicitly used in performance-heterogeneous classes at school in order to help students deal with complex scientific texts
Numerical investigation of uncertainties in experiments for flame structure analysis and particle synthesis
No full textThe objective of the presented work is the numerical investigation of experiments for the study of nanoparticle producing laminar flames. Popular, state of the art numerical tools for the investigation of the detailed structure of laminar flames are based on strong assumptions, leading to one-dimensional, steady state approximations of the transport and conservation equations. Unfortunately, these assumptions are often violated. The main focus of this thesis is on the quantification of uncertainties and model errors introduced by thermodynamic and gas dynamic effects, geometric constraints of the reactor and invasive measurement technique in real experiments by means of detailed multi-dimensional numerical simulations of the particle forming, reacting flow.
Five different experimental setups were investigated in close collaboration with the research groups conducting these experiments. First, the impact of a molecular beam sampling nozzle on the structure of an atmospheric, premixed hydrogen/oxygen flame. Second, the probing from a low-pressure flat flame of methane and oxygen, where additionally the impact of buoyancy at large heights above the burner was quantified. Third, iron pentacarbonyl doped, particle forming, low-pressure flames of hydrogen/oxygen and methane/oxygen, with and without probing nozzle. Fourth, an atmospheric, sooting, ethylene/oxygen stagnation flow flame with a probing orifice in the stagnation plane. And finally a silica producing low-pressure flame of hydrogen/oxygen doped with hexamethyldisiloxane, used for laser induced fluorescence measurements of SiO. All these investigations required two- and three-dimensional models of the burner and housing geometry in order to capture all deviations from the one-dimensional assumptions.
The results presented in this thesis demonstrated the need for such detailed investigations and also contributed to the improvement of experiments and of the kinetic models derived from the measurements. It could be shown that the one-dimensional assumptions are valid only for a very limited set of conditions and that empirical correction formulas are not of general validity. However, the deviations from the idealizing assumptions can be quantified by complementary fluid mechanical simulations of the individual experiment. Based on these finding, the multi-dimensional flow simulation became a permanent element of the experimental workflow at the Institute for Combustion and Gas Dynamics
Processes of feedback in the context of educational counseling in the midst of particular consideration of the social dimensions publicity and team dynamic
No full textEine Arbeitsgruppe in einer Stadt in Nordrhein-Westfalen ist eine Kooperation mit einer Universität (auch in Nordrhein-Westfalen) eingegangen, um die Wirksamkeit ihrer eigenen Beratungstätigkeit zu erforschen. Eine Interviewstudie (Studie 1) wurde geplant, um Erkenntnisse über diejenigen Beratungsprozesse zu gewinnen, die aus Sicht der Klientinnen und Klienten als wirksam erachtet wurden. Auf dieser Grundlage sollte ein Feedbackinstrument entwickelt werden. Die guten Ergebnisse der ersten Studie veranlassten die Arbeitsgruppe dazu, diese einer breiteren Öffentlichkeit auf einer Fachtagung vorzustellen. Aus dieser ungeplanten Tagung ergab sich im Nachhinein die zweite Studie: Die Analyse der Einschätzungen der Teilnehmenden stellte sich als interessant heraus, da die guten Resultate der ersten Studie verpufften und die Notwendigkeit professioneller Erziehungsberatung öffentlich angezweifelt wurde. Im letzten und abschließenden Kooperationstreffen zwischen den Forscherinnen und der Arbeitsgruppe hinsichtlich einer Nachbereitung der Fachtagung ergaben sich keine weiteren Absprachen bezüglich eines weiteren gemeinsamen Vorgehens, insbesondere hinsichtlich des noch zu entwickelnden Feedbackinstruments. Das ursprüngliche Vorhaben wurde nicht weiterverfolgt. Die Veränderung in der Zusammensetzung der Arbeitsgruppe hat - so wurde angenommen - zu Veränderungen sowohl bei der Zusammenarbeit innerhalb der Arbeitsgruppe als auch in der Kooperation mit den Forscherinnen geführt. Der indirekte Abschluss der Kooperation gab den Anlass für Studie 3. Hier wurde der Forschungsprozess der internen Evaluation anhand von gruppendynamischen Aspekten untersucht. Schließlich werden die Erkenntnisse aus dem Blickwinkel der Evaluation in Institutionen betrachtet. Der Blick ist hier besonders auf die Implikationen gerichtet, die sich für Evaluatorinnen und Evaluatoren ergeben.A work team in a city in North Rhine-Westphalia startet a cooperation with a university (also in North Rhine-Westphalia) to investigate the efficacy of their own educational counseling. An interview study (study 1) was planned to gain findings about those conseling processes that are effictive from the perspective of the clients. A feedback instrument should be generated on this basis. The good results of the first study induced the team to present them to the publicity on a conference. From this unplanned conference arose the second study afterwards: the analysis of the assessment of the participants turned out to be interesting, as the good results of study one crackled and the need of professional educational counselors was doubted in public. At the last and concluding meeting between the researcher and the work team concerning the post-processing of the conference there were no agreements on the further common procedure, particularly concerning the Development of the feedback instrument. The original planning was no longer pursued. The change of the composition of the work team led to – so it was supposed – changes within the work team and the collaboration with the researchers. The devious close of the cooperation led to study 3. Here the interior research process of the internal evaluation was analysed among group dyniamic aspects. Finally the gotten findings are discussed out of the perspective of evaluations in institutions. The view there in particular is on the omplications which surrender for the evaluators
Integrative and interactive mechanisms of decision making under objective risk: The processing of long-term consequences and approximate numbers
No full textDas Treffen von Entscheidungen stellt in Abhängigkeit von der Situation und der Person unterschiedliche Anforderungen an kognitive Prozesse. Die Situation bedingt, welche Informationen zum Treffen einer Entscheidung zur Verfügung stehen. Die Person bedingt, wie diese Informationen verarbeitet werden. Die vorliegende Dissertation fokussiert Entscheidungssituationen unter objektivem Risiko, bei denen im Vorfeld explizite Informationen über mögliche Konsequenzen einer Entscheidung und deren Wahrscheinlichkeiten vorliegen. Sogenannte Dual-Prozess Theorien postulieren zwei Arten von Informationsverarbeitungsprozessen, die miteinander interagieren: emotionsbasiert-intuitive und analytisch-reflektierende Prozesse (für einen Überblick siehe z.B. Evans & Stanovich, 2013). Derartige Dual-Prozess Annahmen finden sich in verschiedenen Forschungsansätzen wieder, so auch bezüglich Forschung zur Abwertung verzögerter Konsequenzen, Zahlenverarbeitung und Entscheidungsfindung unter objektivem Risiko. Studien zeigen, dass bei objektiven Risikoentscheidungen jene kognitiven Funktionen bedeutsam sind, die der reflektierenden Verarbeitung zugeschrieben werden (Arbeitsgedächtnis, Exekutivfunktionen und Wahrscheinlichkeits-verarbeitung). Mechanismen des Zusammenwirkens dieser mit intuitiven Faktoren wurden jedoch in diesem Kontext bislang kaum empirisch untersucht. Hierfür mangelt es unter anderem an experimentellen Methoden zur Operationalisierung von Fähigkeiten, intuitive und reflektierende Verarbeitungsprozesse beim Treffen von Entscheidungen zu integrieren. Die vorliegende kumulative Dissertation adressiert ebendiese Forschungs-lücken. Dabei werden Dual-Prozess Annahmen über die Verarbeitung zeitlich unterschiedlicher Konsequenzen sowie über die Verarbeitung von Zahlen im Kontext objektiver Risikoentscheidungen betrachtet. Schrift 1 untersucht Entscheidungen, die eine Integration von Informationen über in Konflikt stehende kurzfristige (intuitive Verarbeitung) und langfristige Konsequenzen (reflektierende Verarbeitung) erfordern. Zusätzlich werden Interaktionen zwischen Eigenschaften der Person und der Situation (in Form von Feedback), welche jeweils mit intuitiver bzw. reflektierender Verarbeitung assoziiert werden, bei derartigen Entscheidungen untersucht. Um diese spezifischen Entscheidungssituationen abzubilden, wurde ein neues Instrument entwickelt, mit dem Feedback über kurz- und langfristige Konsequenzen im Rahmen objektiver Risikoentscheidungen systematisch variiert werden kann. Die Ergebnisse zeigen, dass die individuelle Neigung zu reflektierender Verarbeitung nur dann einen positiven Effekt auf
die Entscheidungsleistung hat, wenn kein Feedback über langfristige Konsequenzen vorliegt. Schrift 2 und Schrift 3 untersuchen die Beteiligung intuitiver Zahlen-verarbeitungsprozesse (Approximation) beim Treffen objektiver Risikoentscheidungen. Schrift 2 prüft direkte Effekte von Fähigkeiten, ungefähre, approximierte Zahlen (intuitiv) zu verarbeiten und an verschiedenen Stufen des Entscheidungsprozesses adäquat zu integrieren. Zur Operationalisierung entsprechender Fähigkeiten bestand die Notwendigkeit der Entwicklung eines weiteren, neuen Instruments. Unter dessen Verwendung wird aufgezeigt, dass die Fähigkeit, von approximierten Zahlen präzise Risikoevaluationen ableiten zu können, die Entscheidungsleistung unter objektivem Risiko bedeutend mitbedingt, über den Einfluss reflektierender Kompetenzen hinaus. Daran anschließend prüft Schrift 3 Interaktionen zwischen ungefähren (intuitiven) und exakten (reflektierenden) Zahlenverarbeitungskompetenzen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine hohe Approximationspräzision mit Fähigkeiten zur exakten Zahlenverarbeitung (Exekutivfunktionen und Numeracy) interagiert. Die Befunde deuten an, dass intuitive Verarbeitungskompetenzen Defizite in reflektierenden Kompetenzen zum Teil kompensieren können.
Insgesamt bieten die Befunde der Schriften des vorliegenden Kumulus neue Erkenntnisse über das Zusammenspiel von intuitiv und reflektierend assoziierten Verarbeitungsprozessen im Rahmen der Entscheidungsfindung unter objektivem Risiko. Die Einordnung der Ergebnisse unter Einbezug multidisziplinärer Dual-Prozess Ansätze ermöglicht eine Konkretisierung und Erweiterung bisheriger Annahmen, wofür die vorliegende Arbeit Vorschläge anbietet. Die beiden neu entwickelten Instrumente stellen zudem wichtige Ansatzpunkte für Folgestudien zur Erforschung spezifischer kognitiver Teil-Prozesse der Entscheidungsfindung dar wie beispielsweise dem Abwägen von Konsequenzen oder dem (intuitiven) Evaluieren von Risiken.Decision making places different demands on cognitive processes, depending on situational and individual factors. Decision situations under objective risk offer information about possible consequences and their probabilities, which enables a priori evaluations of the given options based on objective criteria. Research shows that advantageous decisions in such situations are associated with characteristics that favor reflective information processing (e.g. low impulsivity, high executive control, or ratio processing skills). A variety of theories postulate a dual-process approach with reflective (analytical) and intuitive (emotion-based) processes interacting. This is also assumed for decisions under objective risk. However, interactions between these processes have yet rarely been differentiated regarding the involvement of situational and individual factors in this context. Also, there is a lack of instruments for operationalizing respective individual abilities and manipulating situational factors. This dissertation fills these research gaps. Script 1 investigates decisions that require the integration of conflicting short-term (intuitive processing) and long-term consequences (reflective processing). Therefore, a new decision task was developed, which represents respective situations and allows systematic feedback variations. Using this, interaction effects between processing preference (individual factors) and feedback (situational factor) on these kind of objective risk decisions are analyzed. The results indicate that intuitive processing preferences lead to risky (short-term-oriented) decision making, but only in case feedback on short- but not on long-term consequences was present. Script 2 and script 3 look at the involvement of intuitive number processing (approximation) in decision making under objective risk. Script 2 investigates direct effects of different abilities to integrate approximate numbers in the decision making process. By using a newly developed task, the meaningful effects of approximative risk-evaluation skills are highlighted. Script 3 analyses interactions of exact and approximate number processing on decisions under objective risk. Interactions between executive functions, numeracy, and approximation skills are reported, suggesting compensatory effects of intuitive number skills in case of low reflective skills.
Overall, the reported findings provide new insights on the interplay between reflective and intuitive processes with situational and individual factors in decision making under objective risk. The classification of the results by involving multidisciplinary dual-process approaches enables putting previous assumptions into concrete terms
The Long-Term Effects of Education on Health and Labor Market Outcomes: Evidence from Historical School Reforms in Sweden and Germany
No full textDiese Dissertation umfasst fünf empirische Essays im Bereich der Arbeitsmarkt-, Gesundheits-und Bildungsökonomik. Die einzelnen Kapitel beschäftigen sich mit den langfristigen Auswirkungen historischer Schulreformen auf das Einkommen und Gesundheit im Alter für Schweden und Deutschland. Zentraler Bestandteil aller Beiträge ist die Anwendung empirischer Methoden, die es erlauben kausale Wirkungsmechanismen zu identifizieren und diese von einer reinen Korrelation aufgrund nicht-beobachtbarer Hintergrundfaktoren oder Selbstselektion in höhere Schulbildung zu trennen. Dabei wird ein quasi-experimenteller Ansatz verfolgt, der historische Änderungen in den Schulsystemen nutzt, welche außerhalb des Einussbereichs der einzelnen Individuen liegen. Die Verwendung geeigneter statistischer Verfahren in Verbindung mit umfangreichen administrativen Daten ermöglicht die Erfassung der langfristigen Auswirkungen der Schulreformen auf die Lebensumstände im Alter
Specific methods of fluid selection and their applications using the examples of heat pumps and pumped heat electricity stroroage systems
No full textDie Auswahl eines geeigneten Arbeitsfluides ist bei der Auslegung thermodynamischer Kreisprozesse ein entscheidender Schritt, da sowohl das Betriebsverhalten als auch die Effizienz der Prozesse maßgeblich durch die ausgewählten Fluide beeinflusst werden. Zu dem großen Bereich thermodynamischer Kreisprozesse gehören grundsätzlich etablierte Energiewandlungsprozesse mit langer Historie wie Kompressionskältemaschinen und -wärmepumpen im niedrigen bis mittleren Temperaturbereich. Außerdem werden auch immer wieder neue Prozesse bzw. Anwendungen wie Hochtemperaturwärmepumpen oder Strom-Wärme-Strom-Speichersysteme diskutiert. Nicht nur für solche neuartigen Prozesse bzw. Randbedingungen stellt sich stets die Frage nach geeigneten und effizienten Fluiden, sondern auch für die etablierten Prozesse, für die auf Grund der aktuellen Problematik der hohen Treibhauswirksamkeit vieler Kältemittel zeitnah alternative Arbeitsmittel gefunden werden müssen. Bisher waren die Fluidauswahlmethoden allerdings häufig unstrukturiert und beruhten nicht auf grundlegendem thermodynamischen Verständnis, sondern meist auf dem Prinzip Versuch und Irrtum oder auf sehr einfachen Heuristiken.
Im Rahmen dieser Arbeit werden Methoden der Fluidauswahl für zwei Teilbereiche der thermodynamischen Energiewandlungsprozesse diskutiert, die bislang nicht ausreichend betrachtet wurden. Dies sind existierende Anlagen und Anlagenkonzepte von Kompressionskälte-
maschinen und -wärmepumpen sowie auf dem Clausius-Rankine-Prozess basierte Strom-Wärme-Strom-Speichersysteme, wobei die Anknüpfungspunkte hierbei auf Grund der bis-herigen Kenntnisstände deutlich voneinander abweichen.
Strom-Wärme-Strom-Speicher sind ein jüngst diskutierter Ansatz zur großtechnischen Speicherung elektrischer Energie. Eine mögliche Konfiguration dieses Konzepts ist die Kombination zweier Clausius-Rankine-Prozesse (Wärmepumpe und Organic Rankine Cycle) mit einem thermischen Energiespeicher. Der bisherige Kenntnisstand zu dieser Technologie kann prinzipiell als in der Anfangsphase befindlich bezeichnet werden. Der Einfluss des Fluides, generell infrage kommende Arbeitsmittel, vielversprechende Betriebsbedingungen und thermodynamische Grenzen der Effizienz sind bisher weitestgehend unbekannt. Zur Untersuchung dieser Punkte werden im Rahmen dieser Arbeit Strom-Wärme-Strom-Systeme, bestehend aus zwei Clausius-Rankine-Prozessen und einem idealen isothermen Speicher, modelliert, wobei die Irreversibilitäten der Prozesse schrittweise gesteigert werden. Die berücksichtigten Arbeitsfluide sind hierbei zunächst hypothetische Fluide, deren Parameter hinsichtlich des Prozesses und einiger Randbedingungen optimiert werden. Im weiteren Verlauf werden außerdem potenziell existierende Arbeitsmittel identifiziert. Die Untersuchung zeigt grundsätzlich für steigende Speichertemperaturen sinkende Wirkungsgrade und steigende Leistungen. Weiterhin geht aus der Untersuchung hervor, dass Leistungsabgabe und Wirkungsgrad bei konstanter Speichertemperatur zu einer Pareto-Front führen: bei der eine Leistungsabgabe nahe am Maximalwert zu einer deutlichen Reduktion des Wirkungsgrades führt. In diesem Zusammenhang wird ein Kompromissprozess vorgeschlagen, der beispielsweise für eine Speichertemperatur von 350 K und unter Berücksichtigung typischer isentroper Wirkungsgrade einzelner Komponenten mit dem optimierten hypothetischen Fluid einen Wirkungsgrad von 30 % aufwies. Aus der Fluidauswahl für diesen Prozess resultierte schließlich Ethylamin als bestes Fluid mit einem vorhergesagten Wirkungsgrad von 25,6 %.
Im Bereich der bereits ausgelegten Kältemaschinen und Wärmepumpen stehen im Rahmen dieser Arbeit Verfahren zur Identifizierung geeigneter Substitutionsfluide im Zentrum. Auf Grund der aktuellen Gesetzgebung müssen zeitnah Ersatzfluide für zahlreiche konkrete Anlagen mit unterschiedlichen Randbedingungen gefunden werden. Ein theoretisches Modell zur individuellen Fluidauswahl kann hierbei eine entscheidende Hilfe sein. Gegenwärtig ist allerdings nicht klar, mit welchem Detaillierungsgrad eine konkrete Anlage in einem Modell abgebildet werden muss, um eine verlässliche Fluidempfehlung zu erhalten. Zur Erörterung dieser Frage wurden Kreisprozessmodelle unterschiedlicher Komplexität anhand von Messwerten, gewonnen für verschiedene Fluide mit einer Wärmepumpenversuchsanlage, überprüft. Die Modellierungen höherer Komplexität beinhalten hierbei ein eigens entwickeltes Modell zur fluidabhängigen Bestimmung isentroper Wirkungsgrade und Liefergrade des Verdichters. Aus der Untersuchung resultiert grundsätzlich, dass die Berechnung der unterschiedlichen Prozessgrößen an Genauigkeit bezogen auf die Messungen gewinnt, wenn der Detaillierungsgrad der Modellierung gesteigert wird. Allerdings hat sich auch gezeigt, dass vor allem das Modell zur Berechnung isentroper Wirkungsgrade und Liefergrade des Verdichters für eine valide Auswahl von Substitutionsfluiden unerlässlich ist. Aus den Erkenntnissen wurde schließlich ein schrittweises Verfahren zur Auswahl geeigneter Substitutionsfluide entwickelt und vorgeschlagen.The selection of a suitable working fluid is a decisive factor in the design of thermodynamic cycles, since both the operating behaviour and the efficiency of the processes are significantly influenced by the selected fluids. The extensive field of thermodynamic cycles basically includes established energy conversion processes with a long history, such as vapour compression refrigeration cycles and heat pumps in the low to medium temperature ranges. Furthermore, new processes and applications such as high-temperature heat pumps or pumped heat electricity storages (PHES) are constantly being addressed. The question of suitable and efficient fluids arises not only for these new processes and new applications, but also for the established processes for which, due to the current problem of the high global warming potential of many refrigerants, alternative working fluids must be quickly identified. To date, however, the methods of fluid selection have often been unstructured and were not based on basic thermodynamic understanding, but mostly on the principle of trial and error or on very simple heuristics. Within the scope of this study, methods of fluid selection for two sub-areas of thermodynamic energy conversion processes are discussed which have so far not been adequately addressed. These include existing vapour compression refrigeration cycles and heat pumps, as well as Rankine-cycles-based PHES systems, whereby the starting points differ considerably due to the current state of knowledge.
Pumped heat electricity storage is a recently discussed approach to the large-scale storage of electrical energy. One possible configuration of this concept is the combination of two Rankine-cycles (heat pump and organic rankine cycle) with a thermal energy storage system. The current state of knowledge on this technology can, in principle, be described as being in the initial phase. The influence of the fluid, generally applicable working fluids, promising operating conditions and thermodynamic limits of efficiency, are as yet largely unknown. In order to investigate these points, pumped heat electricity storage systems consisting of two Rankine cycles and an ideal isothermal storage system are modelled, whereby the irreversibilities of the processes are gradually increased. The working fluids taken into account are initially hypothetical fluids whose parameters are optimised with regard to the process and specific boundary conditions. During the further course, promising existing working fluids will also be identified. The investigation essentially shows decreasing efficiencies and increasing values of the power output for rising storage temperatures. Furthermore, it is shown that power output and efficiency at constant storage temperatures lead to a Pareto front: power output close to the maximum value leads to a significant reduction in efficiency. In this context, a compromise cycle is proposed which, for example at a storage temperature of 350 K and taking into account typical isentropic efficiencies of individual components, has an efficiency of 30 % when using the optimised hypothetical fluid. The fluid selection for this process resulted in ethylamine as the best fluid with a predicted efficiency of 25.6 %.
In the field of specific refrigerating cycles and heat pumps, this investigation focuses on methods for identifying suitable drop-in fluids. Due to current legislation, drop-in fluids must quickly be found for numerous existing systems with different boundary conditions. A theoretical model for individual fluid selection can be a decisive aid here. However, it is currently not clear with what level of detail a specific system must be mapped in a model in order to obtain a reliable fluid recommendation. In discussing this question, process cycle models of varying complexity were examined on the basis of measured values obtained for different fluids with a heat pump test rig. The models of higher complexity includes a specially developed model for the fluid-dependent calculation of isentropic and volumetric efficiencies of the compressor. As a result of the investigation, the calculation of the different process variables gains in accuracy, compared to the measurements, when the detail levels of the modelling is increased. However, it has also been shown that the model for calculating isentropic and volumetric efficiencies of the compressor in particular is indispensable for a valid selection of substitute fluids. Finally, a step-by-step procedure for the selection of suitable substitute fluids has been developed and proposed on the basis of the findings
Nationalism versus multilateralism: International Society 2.0 and the diffusion of power in complexity - Europe and NE Asia in a world of issues
No full textMy thesis makes a theoretical and empirical contribution to the understanding of international society and governance by comparing the development pathways of Europe and North East Asia and these regions' respective responses to the financial crisis and to the climate change challenge. The novelty of my approach lies in conceiving of nationalism and multilateralism as competing but compatible principles of order in international society. These two organising principles form ideological institutions of international society and have shaped constitutive institutions such as sovereignty, international law and the economy. They determine role and power relationships between states. I start by researching how these ideological beliefs have changed the world: how was Confucianism replaced by nationalism in NE Asia and nationalism by multilateralism in Europe? The anarchy of Westphalian Europe has evolved into a syndicated supranational hierarchy in the EU, while the Confucian hierarchy in pre-modern NE Asia has given way to nationalist rivalry and territorial conflicts between Japan, China and Korea. Today the two regions – one integrated, one conflicted – play leading roles in global governance of a complex world of issues. The EU is guided by its multilateralist DNA, while NE Asia handled the financial crisis and the climate change challenge with a nationalist approach.
In the theoretical part I am taking the English School's approach beyond its euro-centrism and also examine the contributions of the new Chinese school of International Relations
Stabilization of quarternary structures of proteins by supramolecular ligands
No full textDer Verlust der Fähigkeit, Trimere unter physiologischen Bedingungen auszubilden, ist für HTRA1 pathologisch und wird mit der neurodegenerativen Krankheit CARASIL assoziiert. Dabei ist für die Bildung der Trimere eine Vielzahl von zwischenmolekularen Kräften
notwendig, welche nur in der Summe zu so hohen Affinitäten für die Monomere führen. Bereits das Fehlen einer supramolekularen Bindung führt zu Gleichgewichtskonstanten für Monomor/Trimersysteme, bei denen mehr Monomer vorliegt. Als Folge sinkt die Aktivität von HTRA1 in diesen Mutanten. Ziel der Arbeit war es, eine erste Generation an Liganden zu synthetisieren, welche in der Lage sein sollten, brückenartig an die Monomere von Mutanten zu binden und die fehlenden zwischenmolekularen Kräfte zu ersetzen. Nach erfolgreicher Planung und Herstellung der Liganden sollten diese an HTRA1-Mutanten untersucht werden. Dabei sollte nicht nur der Aktivitätszustand, sonder auch der Trimerzustand untersucht werden. So können neue Erkenntnisse Entwicklungen von medizinischen Therapieansätzen für eine Klasse von Krankheiten unterstützen, für die es bis dato noch keine etablierten Therapien gibt.
Als Ausgangsprotein wurde bei der Planung von HTRA1R274Q ausgegangen. Da in unmittelbarer Nähe der mutierten Aminosäure viele Carboxylate zu finden sind, wurde ein Carboxylatbinder als Erkennungseinheit gewählt. Die Wahl fiel dabei auf das Guanidiniocarbonylpyrrol, kurz GCP. Dieses hat in vergangenen Studien gute Bindungsaffinitäten selbst in protischen Lösungsmitteln wie Wasser aufgezeigt. Daher schien es für die Bindung von proteinogenen Carboxylaten in wässrigen Puffern ein geeigneter Kandidat. Das Design von GCP orientiert sich dabei an der Aminosäure Arginin, welche in HTRA1 an Position 274 selbst als Carboxylatbinder vorkommt. Durch eine passende Wahl an Scaffold und Linker konnten somit vier Liganden dargestellt werden.
Das Aktivierungsverhalten aller Liganden gegenüber HTRA1-Mutanten wurde durch Aktivitätsassays untersucht. Dabei wurde die Geschwindigkeit von Wildtyp und Mutanten mit und ohne Liganden verglichen, bei der sie das Substrat β-Casein verdauen. Untersucht wurden dabei neben R274Q noch R166H und A173T. Alle drei Mutanten haben gemeinsam, dass sich die Mutation an der Kontaktfäche der Monomere befindet. Die Trimerisierung unter physiologischen Bedingungen ist gestört und resultiert somit in eine geringere Aktivität.
Allgemein lässt sich sagen, dass alle Liganden, sofern getestet die drei monomeren Mutanten reaktivieren. Keiner der Liganden schafft es, die Aktivität auf das Niveau des Wildtyps zu heben. Zusätzlich ist eine deutliche Reaktivierung erst ab relativ hohen Konzentrationen von etwa 2.5 mM zu beobachten. Dies spricht für keine klare 1:1-Stöchiometrie zwischen den Liganden und einem Monomerübergang. Es ist eher davon auszugehen, dass zwei Monomere von mehreren Ligandmolekülen verbrückt werden.
Alle Liganden senken die benötigte Zeit für den vollständigen Verdau des Substrats jedoch etwa um den Faktor 2 oder mehr. Durch die Unspezifität der unterschiedlichen Mutationen ist ebenfalls nicht davon auszugehen, dass einzelne, bestimmte Carboxylate explizit gebunden werden, sondern eine Vielzahl verschiedener Carboxylate auf der Oberfläche verbrückt werden.
Um aufzuklären, ob die Reaktivierung auf eine Retrimerisierung zurückzuführen ist, wurden erfolgreich feldgradientenabhängige NMR-Selbstdiffusionsmessungen durchgeführt. Dabei wurden 1H-NMR-Spektren von Wildtyp und der Mutante R274Q jeweils mit und ohne Ligand bei unterschiedlichen Gradientenstärken aufgenommen. Durch geeignete Auftragung der Intensitäten unterschiedlicher Proteinsignale gegen die verwendeten Gradientenstärken konnten somit Diffusionskoeffizienten ermittelt werden. Diese stehen dabei in einer direkten Relation zum hydrodynamischen Radius und lassen somit Rückschlüsse auf die Trimerisierung zu. Die Präinkubation von 2.5 mM der Liganden mit 25 μM der Mutante zeigten bei der Vermessung einen deutlich erhöhten Anteil an Trimeren. Zwar konnte nicht eine vollständige Trimerisierung beobachtet werden, jedoch war der Anteil der Trimere deutlich größer als bei der Mutante alleine.The loss of the ability to form trimers under physiological conditions is pathological for HTRA1 and is associated with CARASIL, a neurodegenerative disease. For the formation of trimers, a multiplicity of intermolecular forces is necessary. Only the combination of these forces leads to a high affinity for the monomers. Even the loss of only one of these supramolecular bridges induces equilibrium constants for monomer/trimer systems where monomers are the predominant species. As a result, the activity of HTRA1 is decreasing. The aim of this work was a synthesis of first generation ligands, which should be capable of binding the mutated monomers in a bridged fashion and therefore replace the missing supramolecular bridge. After synthesis, these ligands were investigated not only for their potential to reactivate HTRA1-mutants, but also for their capability of retrimerization. These results could lead to new insights for the development of medical therapies for a whole class of diseases, which lack well-established therapies so far. As a starting point, HTRA1R274Q was chosen. Since many carboxylates are within spitting distance of the mutation, a carboxylate receptor was chosen for binding. Therefore the guanidinio carbonyl pyrrole (GCP) was selected. In the past, this binding motif has shown reasonable affinities for carboxylates even in protic solvents like water. Therefore it is a suitable candidate for proteinogenic carboxylates in aqueous buffers. The design of GCP is geared towards arginine, an amino acid which acts as carboxylate binder at position 274 in HTRA1. Through a proper choice of scaffold and linker, four ligands were produced.
The potential of activation of HTRA1 mutants from all ligands was investigated through digest assays. In doing so the digest rates of wild type and mutants of HTRA1 were compared in the absence and in the presence of ligand. As substrate, β-casein was used. Investigated mutants were R274Q, R166H and A173T. All three mutants share their mutation spot at the contact surface of the monomers. The trimerization under physiological conditions is disturbed, resulting in a lower activity. In general, all ligands reactivate the three monomeric mutants if tested. None of the ligands is capable of enhancing the activity back to wild type level. Additionally, a clear reactivation is visible only at quite high concentrations up to 2.5 mM. This does not speak for a well-defined 1:1-stoichiometry between ligand and protein. It is rather likely that two monomers are connected to each other by several ligand molecules. Every ligand lowers the time taken to digest the substrate at least about factor 2. Through the missing specificity and lack of discrimination between the different mutations, it is safe to assume that not one distinct chosen carboxylate is binding to the ligands, but rather that the ligands are binding to a multiplicity of different carboxylates at the protein surface. To clarify if the mechanism of the reactivation is an induced retrimerization, we performed field gradient dependent NMR self-diffusion measurements successfully. Therefore 1H-NMR-spectra of the wild type and of the mutant R274Q were performed both in the absence and in the presence of ligand. Through a suitable application of the intensity of different protein signals as a function of the used gradient strength, the diffusion coefficient was determined. The diffusion coefficient is related to the hydrodynamic radius and allows a conclusion of the trimer state. A preincubation of 2.5 mM ligand with 25 μM mutant shows a high amount of trimers, even though complete trimerization was not observed