Recent Submissions
Development pathway from chitin-based organisms to chitosan-based photoresponsive thin-films with modulation in physiochemical properties during irradiation
(2025) Seggern, Nils von; Stegbauer, Linus (Prof. Dr.)
Effect of data preparation in the context of fair classification
(2025) Barts, Valer
This thesis investigates the critical role of data preparation in shaping the predictive performance and fairness of binary classification models. Given that the quality and composition of training data significantly influence model behaviour, especially concerning embedded biases, ensuring that training data is both accurate and fair is essential for the development of trustworthy machine learning systems. To address this, we extend an existing data processing pipeline, substantially broadening its data preparation stage with the integration of sixteen additional methods across five distinct components. This expansion allows for a more comprehensive evaluation of the interplay between data preparation, predictive accuracy, and algorithmic fairness.
Our empirical study employs a diverse set of classifiers and evaluation metrics, including several newly developed scores specifically designed to capture the nuanced effects of data preparation on model outcomes. The analysis spans both real-world and synthetic datasets, providing a robust foundation for our findings. Key insights include the observation that simply increasing the number of data preparation components does not necessarily improve model performance. Instead, optimal results often depend on carefully chosen methods and execution orders, with some components displaying strong positional dependencies. Additionally, our results reaffirm the well-documented trade-off between fairness and accuracy, yet also demonstrate that it is possible to identify configurations where both can be improved simultaneously.
These findings not only deepen our understanding of data preparation in the context of fair classification but also offer concrete, empirically grounded recommendations for practitioners. Our work lays the foundation for more informed pipeline design, providing a flexible, modular framework that can be readily extended to accommodate emerging data preparation techniques and new evaluation metrics.
UpStart BW Startup-Report - Erfolgsfaktoren, regionale Schwerpunkte und zukünftige Perspektiven
(Stuttgart : Institut für Entrepreneurship und Innovationsforschung (ENI), 2024) Engels, Johannes; Wahl, Andreas
Der UpStart BW Startup-Report setzt sich zum Ziel, die aktuelle Situation von neuen Gründungen in Baden-Württemberg abzubilden. Dabei werden systematische Betrachtungen der Gründungslandschaften in Baden-Württemberg sowie Interviews mit Gründenden in frühen Unternehmensphasen kombiniert, um detaillierte Einblicke in aktuelle Dynamiken, Stärken und Probleme von lokalen Gründenden, unterstützenden Akteuren politischen Entscheidungsträgern hervorzuheben.
Dieser erste Bericht des UpStart BW Projektes bietet einen grundlegenden Überblick über die Landschaft frühphasiger Gründungen in 2024. Neben einem grundlegenden systematischen Überblick über die Landschaft frühphasiger Gründungen als Ganzes beinhaltet dieser Bericht auch eine Übersicht über Neugründungen, die im Zeitraum 2023-2024 deutliches Wachstum erreichen konnten, sowie einen Einblick in generelle Trends, die sich anhand dieser Firmen identifizieren lassen. Zudem werden Erkenntnisse aus Interviews mit Gründenden hinter erfolgreichen und gescheiterten Startups aus Baden-Württemberg, sowie die aus diesen Interviews gewonnenen Erkenntnisse über positive und negative Aspekte des Gründens in der Region präsentiert.
Wir danken der Péter Horváth Stiftung für die tatkräftige Unterstützung bei der Analyse dieses spannenden Feldes, und freuen uns, erste Ergebnisse unserer Forschung öffentlich präsentieren zu können.
Synthesis and characterization of ternary and quaternary nitrides of the main group elements
(2025) Link, Lukas; Niewa, Rainer (Prof. Dr.)
Im Rahmen dieser kumulativen Dissertation werden insbesondere die Nitride in Systemen der Art Erdalkalimetall - Tetrel - Stickstoff beleuchtet, sowie das kristallographische Computerprogramm Polynator vorgestellt.
Der Fokus liegt auf ternären Nitridogermanaten, Nitridosilicaten, sowie inversen Perowskiten. Letztere auch als Antiperowskite bekannt und treten hier mit Erdalkalimetallkationen, kleinen Nitridanionen und größeren Tetrelidanionen auf. Für diese Verbindungen werden Elpasolithartige Überstrukturen sowie drei vormals ganz unbekannte Vertreter beschrieben.
In Form von Silicid-Silicaten bzw. Germanid-Germanaten werden die ersten Verbindungen von Silicium und Germanium vorgestellt, die das jeweilige Element sowohl in seiner höchsten Oxidationsstufe +IV, als auch in seiner niedrigsten Oxidationsstufe -IV enthalten. Zudem werden unter anderem die ersten Nitridogermanate(III) vorgestellt, wobei ein neuartiges, ethananaloges Molekülanion gefunden wurde.
Das Programm Polynator dient zur Identifikation von Polyedern und anderen Baueinheiten in Kristallstrukturen, sowie zur quantitativen Analyse ihrer Geometrie, Symmetrie und Verknüpfungsmuster. Dabei macht es innovativen Gebrauch von dynamischen Modellen, die nicht nur eine bestimmte Form repräsentieren, sondern ein Kontinuum von verwandten Formen (zum Beispiel alle trigonalen Prismen). Es verfügt über eine graphische Benutzeroberfläche und ist in der Lage, CIF- XYZ- und MOL-Dateien einlesen.
Novel theoretical methods for transition metal chemistry
(2025) Safari, Arta A.; Alavi, Ali (Prof. Dr.)
„Gemeinsam voran? - Machbarkeitsstudie zu deliberativer Beteiligung in der Klimapolitik“ : Rechtsgutachten im Auftrag des gemeinnützigen und überparteilichen Vereins Klimamitbestimmung e.V.
(Stuttgart : Universität Stuttgart, 2025) Winkler, Daniela; Zeccola, Marc; Löffler, Kornelius
Surface structure of liquid crystals
(2018) Sattler, Alexander
Topology of open spin chains
(2020) Sattler, Alexander
Coherent Rydberg excitations and photon correlations in dense thermal vapor cells
(2025) Mäusezahl, Max; Pfau, Tilman (Prof. Dr.)
This thesis describes the second generation of experiments towards a single-photon source concept based on a thermal rubidium vapor in a Rydberg-blockaded microcell. First, the situation is described in the density matrix formalism, and the requirements for the experimental system are derived. Key results of dipolar interactions and the influence of optical cavities are studied to contextualize the major challenges of the concept. In the first experimental part the fabrication of vapor cells and specifically our wedge vapor cell design is studied. Based on the daily experimental operation over several years the design is further improved, and the operational limits are marked out. A novel set of vapor cells with internal optical cavity is fabricated and used in a pilot experiment as a path towards a collectively enhanced, superradiant ensemble. The single-photon source concept optical setup is explained along its full development towards a well characterized and stable platform for all experiments with ns laser pulses that provide sufficient power for GHz Rabi frequencies. Spectroscopic experiments involving a strong light-induced atomic desorption (LIAD) pulse serve as benchmark for the performance of the inverted four-wave mixing (FWM) excitation scheme, and several open questions beyond our current understanding are identified. Finally, the single-photon source concept is tested for its photon statistics, which necessitates a careful analysis of statistical significance in the realm of low total correlation counts.
Studies on the influence of loop structures on the selective hydroxylation of sesquiterpenes in Rieske Dioxygenases
(2025) Berger, Jonathan; Hauer, Bernhard (Prof. Dr.)
Oxyfunktionalisierte Verbindungen spielen eine zentrale Rolle in der synthetischen Chemie, sei es als Geschmacks- und Duftstoffe, in der Pharmaindustrie oder als Basischemikalien. Besonders bei den Duftstoffen und Pharmazeutika ist die Kontrolle der Selektivität in Oxyfunktionalisierungsreaktionen von großer Relevanz. Jedoch bleibt die selektive Monohydroxylierung und cis-Dihydroxylierung von Arenen ein ungelöstes Problem. Besonders bei Verbindungen mit mehreren ungesättigten Doppelbindungen, wie Sesquiterpenen, ist die Kontrolle der Regioselektivität eine Herausforderung. Wenn die synthetische Chemie an ihre Grenzen stößt, kann die Natur als Vorbild dienen, da Enzyme für ihre hervorragende Selektivitätskontrolle und nachhaltigen Reaktionsbedingungen bekannt sind.
Eine vielversprechende Enzymfamilie für Oxyfunktionalisierungen sind die Rieske-non-Häm-Eisen-Dioxygenasen (ROs), die cis-Dihydroxylierungsreaktionen an Aromaten und anderen Substraten sowie allylische Monohydroxylierungen mit hoher Regio- und Stereoselektivität durchführen können. ROs waren das Ziel einiger Enzym-Engineering-Studien, und sind deshalb vielversprechende Mutageneseziele.
Ziel dieser Studie war es, das Substratspektrum von ROs auf die sterisch anspruchsvolleren Sesquiterpene auszuweiten, da diese Moleküle und ihre oxyfunktionalisierten Derivate von großem industriellem Interesse sind, beispielsweise als Sandelholzduftstoff Santalol oder Bisabolol-Derivate, die als Pheromone für den Pflanzenschutz eingesetzt werden. Um das Verständnis gegenüber der eingangs erwähnten, hochflexiblen und dynamischen Loop-Strukturen zu verbessern sollten zusätzlich die Loop-Studien von Peter Heinemann aufgegriffen werden, seinen initialen Mutationsansatz für Loops vertiefen und zur besseren Aufklärung molekulardynamische Simulationen einsetzen.
Im ersten Teil wurden RO-Wildtypen aus der IBTB-internen Mutantenbibliothek mit den Sesquiterpensubstraten β-Bisabolen 1 und α-Farnesen 2 getestet, wobei die Cumol Dioxygenase aus Pseudomonas fluorescens IP01 als einziges Enzym eine Startaktivität für Bisabolen aufwies. Da die Startaktivität sehr gering war, wurden die Expressionsbedingungen und das Reaktionssystem optimiert, was zu einer 4-fachen Erhöhung der Produktbildung mit β-Bisabolen als Screening-Substrat führte. Im nächsten Schritt wurde der Einfluss von Loop-insertionen und -deletionen auf die Substratspezifität mittels InDel-Scans untersucht, einem in dieser Arbeit entwickelten Screeningverfahren, bei dem alle Aminosäuren eines Loops separat deletiert bzw. ein Glycyl-Prolyl-Fragment zwischen jede Aminosäure eingefügt wird, um eine Screening-Bibliothek zu generieren. Das Screening führte mit β-Bisabolen zu einer interessanten Verschiebung der Regioselektivität, vom Ring-hydroxylierungsprodukt 1a im WT zum terminalen Hydroxylierungs-produktes 1b (Selektivität: 81%) in der Variante I288del. Zur Identifizierung der Produkte durch präparative Biotransformationen wurden verschiedene Bedingungen getestet, die Produkte isoliert und mittels NMR-Analyse charakterisiert (1a: 17 mg, 0.77 mmol, 38,5%; 1b: 24 mg, 0.11 mmol, 54.5%). Um ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden enzymatischen Mechanismen der Selektivitätsverschiebung zu erlangen, wurden molekulardynamische Simulationen in Zusammenarbeit mit den Loschmidt Laboratories in Brünn, Tschechische Republik, durchgeführt. Für den Wildtypen und die Variante I288del wurden molekulardynamische Simulationen mit dem freien Enzym und mit Enzym-Ligand-Komplexen simuliert. Die Simulationen lieferten wertvolle Einblicke in die enzymatischen Eigenschaften: Die B-Faktoren des freien Enzyms und der Enzym-Ligand-Komplexe zeigten, dass die Variante I288del ein rigideres aktives Zentrum besitzt, was den Liganden potenziell besser stabilisieren kann. Zusätzlich ergab die CAVER-Analyse des Substratzugangstunnels, dass der Tunnel jetzt häufiger offen ist, so dass das Substrat leichter in das Enzym eindringen kann, was zu einer höheren Produktbildung führt. Die Analyse der Abstände zwischen dem katalytischen Eisen und den reaktiven Kohlenstoffen im Substrat zeigte, dass der reaktive Schwanzkohlenstoff in der Variante näher am Eisen liegt, was potenziell zu reaktiverenKonformationen führt. Über abschließende adaptive steered molecular dynamics Simulationen, wurden Einblicke in den energetischen Ligandentransport entlang des Substratzugangstunnels erhalten. Diese Simulationen zeigten, dass das Substrat im Wildtyp bevorzugt mit dem Ring zuerst in das Enzym eindringt, was zu einer Ringkonformation im aktiven Zentrum führt. In der Variante I288del ändert sich dies, da der Ligand stark bevorzugt mit dem terminalen Kohlenstoff zuerst in das Enzym eindringt, was zu tail-Konformationen im Enzym und einer starken Präferenz für das terminale Hydroxylierungsprodukt führt.
In einem zweiten experimentellen Teil sollte die Produktbildung des terminalen-Hydroxylierungsprodukts 1b durch gezielte Modifikation des aktiven Zentrums mittels Sättigungsmutagenese weiter gesteigert werden, um die Positionierung des Substrats in der aktiven Tasche zu optimieren. Dies führte zu zwei neuen Varianten, I288del_A321T (V1) und N279T_I288del_A321T (V2), mit hoher Selektivität und Produktbildungen von 1,35 mM bzw. 1,58 mM, während die Variante I288del 1,25 mM umsetzte. Weitere Runden der Sättigungsmutagenese führten jedoch weder zu einer Steigerung der Produktbildung noch der Selektivität.
Zudem wurden die Sesquiterpene Santalen, Bergamoten, Valencen und Germacren D, welche ursprünglich vom Wildtyp nicht umgesetzt wurden, mit den neu generierten Sättigungsvarianten I288del, V1 und V2 untersucht. Mit diesen Varianten gelang es, drei der vier Substrate umzusetzen. Besonders bemerkenswert war, dass Santalen zu dem industriell relevanten Santalol mit einer GC-Konversion von 0,74 mM umgesetzt werden konnte, was in Zusammenarbeit mit der Firma Isobionics (Geleen, NL) zu einem Patent führte. Im nächsten Teil wurde der InDel-Scan weiter ausgebaut, indem die CDO InDel-Bibliothek mit zwei weiteren Substraten, (R)-Limonen und 2-Phenylpyridin, gescreent wurde. Hierbei lagen Selektivitätsverschiebungen, Generalistenvarianten und erhöhte Produktbildung im Fokus. Mit beiden Substraten wurden Varianten mit erhöhter Selektivität, Aktivität oder neuen Produkten gefunden. Um die Anwendbarkeit nicht nur auf Substratebene, sondern auch auf Enzymebene zu untersuchen, wurde ein weiteres Enzym, die Naphthalin-Dioxygenase aus Pseudomonas sp. NCIB 9816-4, getestet. Vier active site-Loops wurden ausgewählt und mit dem InDel-Scan mutiert, was zu einer Bibliothek von 56 Varianten für das Screening mit (R)-Limonen und 2-Phenylpyridin führte. Die Ergebnisse ähnelten den Ergebnissen des Screenings mit dem CDO, zeigten jedoch mehr inaktive Varianten und nur wenige starke Selektivitätsverschiebungen. Einige Varianten zeigten ein komplett verändertes Produktspektrum oder starke Zunahmen in der Produktbildung, und bei 2-Phenylpyridin als Substrat trat mit den InDel-Varianten sogar ein völlig neues, unbekanntes Produkt auf.
In einem abschließenden Abschnitt sollte ein direkter Vergleich zu einer computerbasierten Loopmutagenese durchgeführt werden. In Zusammenarbeit mit den Loschmidt Laboratories wurde ein Looptransplantationsansatz unter Verwendung des LoopGrafter-Webtools getestet, welches Loops verschiedener Enzyme vergleicht und Positionen für die Transplantation vorschlägt. Vier verschiedene Designs wurden kloniert und getestet, wobei keine Produktbildung beobachtet wurde. Die Designs wurden überarbeitet, um ihre Stabilität zu erhöhen. Die Expression des Proteins war erfolgreich, aber erneut konnte keine Aktivität festgestellt werden.
Zusammenfassend gelang es, im Rahmen dieser Arbeit, Sesquiterpene mit ROs in angemessenen Ausbeuten umzusetzen, wobei sogar Milligramm-Mengen zur Produktidentifizierung erreicht wurden. Eine vollständige Selektivitätsverschiebung in der Hydroxylierung von β-Bisabolen von Ring- zu Terminal-Hydroxylierung wurde erzielt. Die computergestützte Studie lieferte wertvolle Einblicke in den Ligandentransport in ROs und die durch die Loop-Mutation I288del vermittelten Mechanismen, welche zum Selektivitätsshift führten.