Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät

The Role of Microtubule Retrograde Flow in Neuronal Development

2026-07-24T13:35:08Z

The Role of Microtubule Retrograde Flow in Neuronal Development Schelski, Max The microtubule array in developing neurons consists of more than a hundred microtubules in each neurite. This microtubule array has been thought to act as stationary tracks, in which only individual microtubules are dynamic and could be transported. Using live cell imaging combined with photoconversion of microtubule patches I reveal that instead the whole microtubule array flows retrogradely into the soma. Before axon development, this microtubule retrograde flow (MT-RF) fuels the fluctuating state of neurons by decreasing microtubule density, leading to the longknown hallmark of microtubule density cycles instead of stable increases in microtubule density. MT-RF then slows down in the axon, right after initial axon formation, reducing microtubule density cycles to allow a more stable increase in microtubule density and thereby driving axon extension. I also observed that MT-RF later slows down in dendrites. By combining live-cell imaging with pharmacological and chemogenetic recruitment to the plasma membrane, I show that Dynein at the plasma membrane can fuel MT-RF. To understand the molecular effect of MT-RF on the microtubule array, I developed a biophysical model of microtubules in neurites across developmental stages and combined it with quantitative immunocytochemistry and microtubule dynamics data. Surprisingly, my model revealed that MT-RF slowdown is needed for both axon and dendrite development, uncovering a unified model of axon and dendrite development, in contrast to the prevailing idea that axon and dendrite development are triggered by different programs. In dendrites, my model and experiments show that MT-RF slowdown enables an efficient increase in stable microtubules. In axons, my model predicts that without slowdown of MT-RF, iii microtubules cannot reach close to the axon tip, blocking axon growth. MT-RF slowdown together with only three properties of the axonal and dendritic microtubule array, stability and two types of nucleation, is sufficient to explain the stable microtubule distribution in axons and dendrites, which drives neuronal polarization. In this thesis I found a novel type of cytoskeletal mechanism at an unprecedented scale in neurons and characterized its molecular function across developmental stages to find that it unifies the fluctuating state before axon development as well as axon and dendrite development. This provides new research avenues from the role of MT-RF in other processes and non-neuronal cell types to understanding how similar instead of different processes in axons and dendrites could underly neurodevelopmental.

Nachhaltige Anwendungen für die Titanocenkatalysierte Hydrosilylierung

2026-07-24T06:31:08Z

Nachhaltige Anwendungen für die Titanocenkatalysierte Hydrosilylierung Schacht, Jonathan Heinrich Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Weiterentwicklung der titanocenkatalysierten Hydrosilylierung. Die Reaktion ermöglicht es, aus Epoxiden anti-Markownikow-Alkohole herzustellen, und ist damit komplementär zur herkömmlichen S_N2-Öffnung von Epoxiden unter Beachtung der Markownikow-Regel. Als externe Wasserstoffatomüberträgerreagenzien (HAT-Reagenzien) dienen leicht handhabbare und ökologisch unbedenkliche Silane. Behandelt werden dabei drei Themengebiete. Zum einen wird der Einsatz von deuteriertem Phenylsilan (PhSiD₃) beleuchtet, da für eine erfolgreiche Reaktion die Reaktionsbedingungen der bis dato etablierten Reaktion stark verändert werden mussten.[1] Das zentrale Ergebnis ist, dass die sog. "Benzylaktivierung", eine Aktivierung des Katalysators mit Benzyl-Grignard-Reagenzien, wesentlicher Bestandteil einer robusten Reaktion sein muss, um Isotopenscrambling zu verhindern und exzellente Deuteriuminkorporation (DI > 95 %) zu gewährleisten. Die Robustheit und Präzision der Methode wird durch die Umsetzung komplexer, enantiomerenreiner Substrate, die via Shi-Epoxidierung dargestellt wurden, validiert. Zudem unterstreicht die erfolgreiche Synthese einer Vorstufe von Venlafaxin das Potenzial der titanocenkatalysierten Deuterosilylierung für die pharmazeutische Wirkstoffforschung. Das zweite Themengebiet befasst sich mit der Steigerung der Nachhaltigkeit der titanocenkatalysierten Hydrosilylierung durch den Einsatz des Silikonabfalls Polymethylhydrosiloxan (PMHS) als Wasserstoff-Transfer-Reagenz (HAT-Reagenz).[2] Das steigert die ökologische Bilanz der Reaktion und senkt gleichzeitig die Kosten der Reaktion drastisch. Aber der simple Austausch von Silanen ist auch hier nicht möglich. Damit die Reaktion abläuft mussten zwei Hindernisse überwunden werden. Zum einen fehlt es PMHS an Reaktivität, um die initiale σ-Bindungsmetathese zur aktiven Titanocen(III)hydrid-Spezies durchzuführen. Das wird durch den Einsatz geringer Mengen von Phenylsilan umgangen. Zum anderen hat das Lösungsmittel einen direkten Einfluss auf den Reaktionserfolg. So wurde nach mehreren Durchläufen etabliert, dass ein Lösungsmittelgemisch von THF und 1,4-Dioxan im Verhältnis 1:1 als Medium ideal ist. PMHS hat allerdings durch seine polymere Struktur auch Vorteile offenbart. Es ermöglicht den Einsatz des einfachen Titanocendichlorid-Präkatalysators anstatt sterisch anspruchsvollerer Derivate unter Erhalt des exzellenten Diastereoisomerenverhältnisses der Produkte (d.r. > 95 : 5). Zudem ist die Skalierbarkeit der Reaktion durch einen Ansatz im 5-Gramm-Maßstab bewiesen und sie weist dieselbe Anwendungsbreite wie bei der Reaktion mit Phenylsilan auf. Das dritte Thema befasst sich mit der Synthese linearer, aliphatischer Alkohole aus terminalen Epoxiden. Aufgrund der geringeren elektronischen Stabilisierung der potenziellen radikalischen Intermediate ist die Reaktion zum primären anti-Markownikow-Alkohol schwieriger zu kontrollieren als bei benzylischen Epoxiden.[3] In einer umfassenden Untersuchung verschiedenster Titanocene wurden Titanocene-Derivate mit silylsubstituierte Cyclopentadienylliganden als aussichtreichste Katalysatoren etabliert. Dabei spielen sowohl der sterische Anspruch als auch die elektronenziehenden Eigenschaften der Silylliganden eine entscheidende Rolle, um die gewünschten Produkte zu erhalten. Durch vielfache, anspruchsvolle Derivatisierung der Silylgruppen wurde ein neuer Standard mit sehr guter Regioselektivität gesetzt (r.r. = 93 : 7). Die Reaktion ist für eine breite Substratpalette monosubstituierter Epoxide anwendbar.

Transport mechanisms of bacterial membrane proteins analyzed by advanced fluorescence microscopy

2026-07-24T06:15:43Z

Transport mechanisms of bacterial membrane proteins analyzed by advanced fluorescence microscopy Krüger, Annika Marie Transporter proteins are integral membrane proteins and enable the translocation of hydro- or amphiphilic substrates over cell membranes. This study focuses on two such systems: The lipid II flippase and the tripartite adensosine triphosphate (ATP)-independent periplasmic (TRAP) transporters.
The lipid II flippase is essential for cell wall synthesis in bacteria, as this protein mediates the translocation of the cell wall precursor lipid II from cyto- to periplasm. However, the exact identity of this protein remains a topic of discussion.
TRAP transporters scavenge and import substrates from host cells and, thereby, contribute to the virulence of different pathogens. These transporters consist of a substrate binding protein (SBP), also called P-domain, and two transmembrane domains (Q- and M-domain). The SBP diffuses freely in the bacterial periplasm and delivers the substrate to the transmembrane domains.
The complexity of biological membranes makes it difficult to study single proteins, however, membrane proteins need to be in hydrophobic environments to be active. Therefore, advanced fluorescence microscopy was used to investigate both processes in artificial membranes. To this end, a modified formation pathway for giant unilamellar vesicles (GUVs) was developed, which enabled a high GUV yield in physiological salt concentration solutions while allowing a simultaneous reconstitution of membrane proteins. Subsequently, GUVs and large unilamellar vesicles (LUVs) were characterized as model systems.
The putative lipid II flippases MurJ, RodA and FtsW from Staphylococcus aureus (Sa) were tested for their lipid II flipping activity in presence and absence of a membrane potential. MurJ was found to exhibit lipid II flipping, in contrast to the other tested proteins. MurJ's activity was increased in presence of a membrane potential.
Sialic acid import by SiaPQM from Haemophilus influenzae (Hi) was visualized in alternating-laser excitation (ALEX) single-molecule (sm) Förster resonance energy transfer (FRET) measurements as well as in ensemble FRET measurements. Both import assays revealed that the SBP is strictly required for successful import. Furthemore, a sodium gradient proved to be essential as a driving force for the import. If no sodium was present, binding between HiSiaP and HiSiaQM was attenuated. Finally, important regions in HiSiaPQM were identified that were necessary for substrate import. One of these regions was a periplasmic loop of HiSiaQM which could potentially be utilized to trigger a "push-to-release"-mechanism in HiSiaP, mediating successful substrate transfer.

Design, Synthesis and Characterization of Potent and Selective Adenosine A_2B Receptor Agonists

2026-07-14T14:31:14Z

Design, Synthesis and Characterization of Potent and Selective Adenosine A_2B Receptor Agonists Ndjie Ebene, Albert (noch nicht zugänglich / not yet accessible)

Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät

The Role of Microtubule Retrograde Flow in Neuronal Development

Nachhaltige Anwendungen für die Titanocenkatalysierte Hydrosilylierung

Transport mechanisms of bacterial membrane proteins analyzed by advanced fluorescence microscopy

Design, Synthesis and Characterization of Potent and Selective Adenosine A2B Receptor Agonists

Design, Synthesis and Characterization of Potent and Selective Adenosine A_2B Receptor Agonists