Universität Stuttgart
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Item Open Access Understanding the temperature-induced decomposition of commercial nickel-cobalt-aluminum oxide (LiNi0.8Co0.15Al0.05O2) electrodes(2025) Hölderle, Tobias; Baran, Volodymyr; Schökel, Alexander; Westphal, Lea; Stelzer, Robert U.; Niewa, Rainer; Müller‐Buschbaum, Peter; Senyshyn, AnatoliyThis study addresses the thermal degradation and structural stability of the NCA (nickel-cobalt-aluminum oxide) cathode materials under varying states of charge (SOC)/delithiation and temperature. Using simultaneous thermogravimetric and differential thermal analysis and high‐resolution X‐ray diffraction, the sequential evolution from a layered NaCrS2‐type structure to spinel phases (M3O4‐type and LiM2O4‐type) and finally to a rock salt phase is characterized. Degradation involves cation migration, oxygen release, and lattice instabilities, influenced by SOC/lithium content. Fully lithiated NCA (SOC 0%) exhibits superior thermal stability with a single‐step transition, whereas partially delithiated NCA exhibits a multistep transformation process involving spinel intermediates. These findings highlight the complex interplay between energy density and thermal safety, offering guidance for designing NCA cathodes with optimized performance, safety, and stability for high‐energy lithium‐ion batteries.Item Open Access The impact of donor‐orientation on the emission properties of chlorinated trityl radicals(2025) Arnold, Mona E.; Toews, Robert; Schneider, Lars; Schmid, Jonas; Putra, Miftahussurur Hamidi; Busch, Michael; Groß, Axel; Deschler, Felix; Köhn, Andreas; Kuehne, Alexander J. C.Chlorinated trityl radicals functionalized with electron‐donating groups are promising red‐emitting materials for optoelectronic and spintronic applications, overcoming the spin‐statistical limit of conventional emitters. Donor functionalization induces charge transfer character, enhancing photoluminescence quantum yield, which depends on the donor strength and its orientation. However, donor‐functionalized tris(trichlorophenyl)methyl radicals often show lower quantum yield than their perchlorinated derivatives, likely due to weaker donor‐acceptor electronic coupling and enhanced non‐radiative decay. A novel trityl derivative is presented with two additional chlorines that restrict the orientation of the donor to a nearly perpendicular arrangement toward the trityl plane, minimizing vibronic coupling and non‐radiative losses. Spectroscopic and computational studies reveal that this steric constraint improves the photoluminescence quantum yield compared to the tris(trichlorophenyl)methyl analogs. These findings highlight the potential of donor‐acceptor decoupling to enable efficient, redshifted emission, offering a design strategy for high‐performance radical emitters.Item Open Access Two of a kind : the cerium(III) oxidomolybdates(VI) Ce2Mo3O12 and Ce4Mo7O27(2025) Knies, Benjamin; Strobel, Sabine; Hartenbach, IngoAlthough primarily received as by‐products, the title compounds can be synthesized directly by the admixture of CeO2, Ce, and MoO3, with the latter used as reactant and fluxing agent in flux‐mediated solid‐state syntheses at 850 °C for 7 days. Both cerium molybdates crystallize in space group C2/c with a = 1692.12(3), b = 1184.26(3), c = 1598.66(3) pm, and β = 108.4940(10)° (Z = 12) for Ce2Mo3O12 and a = 4609.00(12), b = 747.700(10), c = 1432.71(4) pm, and β = 101.023(2)° (Z = 8) for Ce4Mo7O27. The crystal structure of Ce2Mo3O12 comprises three crystallographically distinguishable Ce3+ cations with coordination numbers of 8 in shapes of trigonal dodecahedra. The five different Mo6+ cations are situated in the centers of noncondensed [MoO4]2- tetrahedra, and the overall arrangement of the mentioned building blocks is derived from the scheelite type. In the structure of Ce4Mo7O27, four crystallographically different Ce3+ cations with coordination numbers of 8 and 9 are found, as well as five non‐condensed [MoO4]2- tetrahedra and one pyroanionic [Mo2O7]2- unit.Item Open Access Applying isothermal titration calorimetry and saturation transfer difference-NMR to study the mode of interaction of flavan-3-ols with α‑amylase to understand their impact on starch hydrolysis(2025) Claasen, Birgit; Xiong, Mengyao; Mayer, Pia S.; Sogl, Greta; Buchweitz, MariaFor flavan-3-ols, significant effects to prevent the development of diabetes mellitus are postulated. Inter alia , this is attributed to inhibitory effects on the intestinal α-amylase, in particular for high-molecular-weight procyanidins. In order to gain a deeper insight into the mode of interaction and the resulting α-amylase inhibition, the interaction between the monomers (+)-catechin (CAT) and (-)-epicatechin (EC), the dimers procyanidin (PC) B1 and PC B2, and the trimer PC C1 and their inhibition of porcine pancreatic α-amylase were investigated. Weak interactions were determined by isothermal titration calorimetry (ITC), with no clear difference between monomers and dimers and even no observable interaction with PC C1. Data from saturation transfer difference (STD)-NMR experiments supported these results with respect to reversible interactions. The detailed NMR signal assignments revealed that the formation of rotamers is solvent-dependent, which might explain the differences in the interaction strength between both diastereomers. The results for interaction were in contrast to the accumulating inhibitory strength with an increasing degree of polymerization when monitoring hydrolysis of the natural substrate starch in a novel continuous approach by ITC. By combining the data from the interaction and inhibition studies, we propose that protein aggregation occurs in the presence of flavan-3-ol oligomers, which are responsible for the inhibitory effects. This rather irreversible interaction is not susceptible to detection by ITC and STD-NMR and was also not observable by CD spectroscopy.Item Open Access 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.Item Open Access Phase formation study of solid-state LLZNO and LLZTO via structural, thermal, and morphological analyses(2025) Li, Chengjian; Kern, Frank; Liu, Lianmeng; Parr, Christopher; Börger, Andreas; Liu, ChunfengGarnet-type Li7La3Zr2O12 (LLZO) is a solid electrolyte candidate for ASSLBs, owing to its wide electrochemical window and intrinsic safety. Yet phase-pure LLZO remains difficult because secondary phases form, and the transition towards the tetragonal phase, aliovalent doping, mitigates these issues. Still, the phase formation pathway is not fully understood. Here, we present comparative in situ and ex situ studies of Nb- and Ta-doped LLZO (LLZNO and LLZTO) that were synthesized by a solid-state reaction. In situ/ex situ XRD reveals that the lithium precursor dictates the reaction path: differing decomposition temperatures of the lithium precursor define reaction windows that control cubic-phase purity and particle morphology. In air, limited Li diffusion favors oxycarbonates and pyrochlore, necessitating 950–1050 °C to achieve phase-pure cubic LLZO. Under N2, faster Li availability and diffusion enable uniform nucleation and a route to cubic LLZO without detectable secondary phases. These findings demonstrate the coupled effects of temperature, precursor, dopant, and atmosphere, guiding process optimization and scalable production.Item Open Access Mechanochemical synthesis of MgV2O4 : reactivity pathways driven by milling energy and precursors(2025) Michaely, Anna; Chen, Hong; Clemens, Oliver; Neuberger, Maxim; Kay, Christopher W. M.; Haberkorn, Robert; Kickelbick, GuidoMagnesium spinels such as MgAl2O4 and MgFe2O4 have been widely explored for energy storage and sensing applications, but MgV2O4 remains relatively unexplored despite its promising potential, e.g., as a battery electrode material. In this study, we report the first mechanochemical synthesis of MgV2O4 at room temperature using either MgO or Mg with various vanadium oxides as reactants. Directed by thermodynamic calculations on a DFT level, only the self-sustaining reaction between V2O5 and Mg led to MgV2O4 within 20 min of milling, along with MgO as a side product. With increasing rotational speed, an earlier reaction ignition after a few minutes of milling, smaller crystallite sizes in the nanometer range, and increased strain in MgV2O4 were observed. In addition, harsh milling conditions induce increasing nonstoichiometry in both phases, leading to a magnesium-rich spinel and a vanadium-containing rock salt phase, as supported by X-ray diffraction and electron paramagnetic resonance measurements. Acid washing after synthesis removed MgO, and electrochemical impedance spectroscopy showed that milder grinding conditions increased the conductivity of MgV2O4 due to the smaller number of defects.Item Open Access Sensoren zur lokusspezifischen Visualisierung epigenetischer Modifikationen(2025) Köhler, Anja R.; Jeltsch, AlbertDynamic changes of the epigenome at specific gene loci, including alterations of chemical modifications on the DNA or histone proteins, are critical in development and disease. Bimolecular Anchor Detector (BiAD) sensors can be used to visualize these modifications in living cells with locus resolution. Recently, we improved the BiAD technology by enhancing the sensor sensitivity and expanded the range of detectable modifications, enabling a broad application of the BiAD sensors in various contexts.Item Open Access Subcellular fractionation enables assessment of nucleotide sugar donors Inside the Golgi apparatus as a prerequisite for unraveling culture impacts on glycoforms of antibodies(2025) Regett, Niklas; Dieterle, Marcel; Peters, Fleur; Deuring, Max; Stegmaier, Kaja; Teleki, Attila; Takors, RalfGlycosylation is a critical quality attribute in biopharmaceuticals that influences crucial properties, such as biological activity and blood clearance. Current methods for modeling glycosylation typically rely on imprecise or limited data on nucleotide sugar donor (NSD) dynamics. These methods use in vitro transporter kinetics or flux balance analysis, which overlook the key aspects of metabolic regulation. We devised an integrative workflow for absolute subcellular NSD quantification in both cytoplasm and secretory organelles. Using subcellular fractionation, exhaustive sample extraction, and liquid chromatography triple‐quadrupole tandem mass spectrometry, we accurately measured NSD concentrations ranging from 1.6 amol/cell to 3 fmol/cell. As expected, NSD concentration profiles aligned closely with the glycan distributions on antibodies, particularly after nutrient pulsing to stimulate NSD production, showcasing method validity. This method enables empirical observation of compartment‐specific NSD dynamics. Thus, this study provides novel insights indicating that N‐glycosylation, which governs NSD supply, is primarily regulated within the Golgi apparatus (GA). This method offers a novel tool to obtain sophisticated data for a more efficient optimization of glycosylation processes in production cell lines.Item Open Access Dynamic coupling between Tom22 motions and Tom40 pore dynamics modulates ion transport in the mitochondrial TOM complex(2025) Acharya, Abhishek; Nussberger, Stephan; Wang, Shuo; Kleinekathöfer, UlrichMitochondria rely on the efficient import of proteins to maintain their functions and regenerate. The translocase of the outer mitochondrial membrane (TOM) complex serves as the primary entry point for the import of mitochondrial proteins. Previous studies have established Tom22 as a multifunctional subunit within the complex and reported mechanosensitive gating-like behavior of the TOM complex. In this study, all-atom molecular dynamics simulations of the TOM core complex reveal large motions of the Tom22 helices that are coupled to global structural rearrangements within the complex, particularly with the α2 helix within the Tom40 pore subunit. Microseconds-long simulations with restraints on the Tom22 helices yield an alternative conformation of the α2 helix that is associated with a reduced ion permeability. The outcome corroborates previous experimental results that reported a reduction in calcium ion flux for transiently stalled TOM complexes. These findings provide a molecular view of a mechanism by which Tom22 modulates the pore architecture of Tom40 and regulates permeability, thus linking the receptor dynamics to the functional control of the mitochondrial protein import.