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Acceleration of Biomedical Image Processing and Reconstruction with FPGAs
Increasing chip sizes and better programming tools have made it possible to increase the boundaries of application acceleration with reconfigurable computer chips. In this thesis the potential of acceleration with Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) is examined for applications that perform biomedical image processing and reconstruction. The dataflow paradigm was used to port the analysis of image data for localization microscopy and for 3D electron tomography from an imperative description towards the FPGA for the first time.
After the primitives of image processing on FPGAs are presented, a general workflow is given for analyzing imperative source code and converting it to a hardware pipeline where every node processes image data in parallel. The theoretical foundation is then used to accelerate both example applications. For localization microscopy, an acceleration of 185 compared to an Intel i5 450 CPU was achieved, and electron tomography could be sped up by a factor of 5 over an Nvidia Tesla C1060 graphics card while maintaining full accuracy in both cases.
Die vorliegende Arbeit Zeitaufgelöste NMR-spektroskopische Untersuchung konformationeller Dynamiken in DNA G-Quadruplexen befasst sich mit der detaillierten biophysikalischen Untersuchung wichtiger strukturdynamischer Eigenschaften von nicht-kanonischen Nukleinsäure Sekundärstrukturelementen.
Im Genom aller eukaryotischer Lebewesen, insbesondere dem menschlichen Genom finden sich DNA-Sequenzabschnitte, die überdurchschnittlich Guanosin (G)-reich sind. Diese poly-G Abschnitte sind nicht zufällig im Genom verteilt, sondern häufen sich vermehrt in Genabschnitten, die besonders wichtig für die Regulation der Genexpression sind. G-reiche DNA-Sequenzen können unter geeigneten Umständen alternative Sekundärstrukturen ausbilden, die von der doppelsträngigen, kanonischen Watson-Crick Konformation abweichen. In Anwesenheit monovalenter Kationen können sich G-Nukleotide in einer Tetrade über Hoogsteen Interaktionen anlagern. Diese Tetraden können sich stapeln und dadurch sogenannte G-Quadruplexe (G4) ausbilden. Das menschliche cMYC Gen wird typischerweise als proto-Onkogen bezeichnet. Es kodiert für einen unspezifischen Transkriptionsfaktor, der bei einer Vielzahl von systematischen und soliden Tumorerkrankungen stark überexprimiert wird. Die zelluläre Konzentration des Genprodukts kann zu 90% über ein G4 cis-Element in der Promotorregion reguliert werden. Der cMYC G4 hat die Möglichkeit verschiedene Konformationen einzunehmen. Im Falle des cMYC G4 kann man zusätzliche, nicht-konventionelle Formen der konformationellen Isomerie finden. Zum einen gibt es die Möglichkeit, dass bei einem G4, der aus drei Tetraden und vier intramolekularen Strangabschnitten (dreistöckiger G4) besteht, einzelne Strangabschnitte mehr als drei konsekutive G-Nukleotide besitzen. Dadurch können sich Faltungs-Isomere bilden, die sich durch Verschieben des Strangs relativ zum verbleibenden dreistöckigen Tetradengerüst ergeben. Man spricht von G-Register Isomeren. Eine zweite Möglichkeit der Strukturisomerie ergibt sich, wenn in einer Nukleotidsequenz mehr als vier G-reiche Strangabschnitte aufeinander folgen. Jeweils vier dieser Strangabschnitte können in unterschiedlicher Weise kombiniert werden, um ein G4 Isomer auszubilden. In jedem dieser so zustande gekommenen G4 verbleibt ein (oder mehrere) G-reicher Strangabschnitt, der im konkreten Isomer nicht zur Faltung verwendet wird. Diese zusätzlichen G-Stränge werden daher auch Ersatzräder (engl. spare-tires) genannt; man erhält spare-tire Isomere.
Obwohl diese Formen des Polymorphismus, deren biologischer Kontext und die biophysikalischen Konsequenzen in Arbeiten von C. Burrows (2015) und A. Mittermaier (2016) erstmals umfassend beschrieben wurden, gab es bis zum Ausgangspunkt dieser Arbeit keine Kenntnisse über deren strukturelle Dynamik, den Faltungswegen und den zugrundeliegenden molekularen Mechanismen. Zeitaufgelöste Kernspinresonanz (engl. nuclear magnetic resonance, NMR) Spektroskopie ist eine bestens geeignete Methode, um die Dynamik von Biomakromolekülen mit atomarer Auflösung zu studieren. Um solche Experimente durchführen zu können, braucht es geeignete Herangehensweisen für die Präparation eines Nicht-Gleichgewichtszustands. In dieser Arbeit wird eine neu erarbeitete Strategie vorgestellt, die es erlaubt, Einblick in die Faltungs- und Umfaltungskinetiken eines dynamischen Konformations-Ensembles nicht-konventioneller Strukturisomere der cMYC G4 DNA-Sequenz zu erhalten.
Hierzu wurden photolabile Schutzgruppen (engl. Photocages) positionsspezifisch an bestimmten G-Nukleobasen (O6-(R)-NPE) angebracht. Die Schutzgruppen blockieren die Basenpaar-Interaktionen des Nukleotids, wodurch dieses sich nicht mehr an einer Tetradenbildung beteiligen kann. Die Photocages wurden jeweils an den Nukleotiden eingeführt, die nur in jeweils einem der G-Register Isomere an der Tetradenbildung beteiligt sind. Durch diese gezielte Destabilisierung konnten die Isomere getrennt und im gefalteten Zustand isoliert werden. Die so erhaltenen Konformationen wurden umfassend spektroskopisch charakterisiert. Der Ansatz, das konformationelle Gleichgewicht durch Photocages transient zu stören, wurde daraufhin weiterentwickelt. Mehrere Photocages wurden an Nukleobasen in zentraler Position einzelner G-Strangabschnitte angebracht. Dadurch konnte eine ausreichende Destabilisierung erreicht werden, die die Faltung jedweder G4 Strukturen unterbindet. Somit wurde ein ungefalteter Zustand erzeugt, der unter ansonsten frei wählbaren, physiologischen Bedingungen besteht. Durch in situ Photolyse der Schutzgruppen konnte so die Licht-induzierte G4 Faltung unter konstanten Puffer- und Temperaturbedingungen untersucht werden. Dieser Ansatz wurde auf die Untersuchung der Faltungswege, die zu verschiedenen spare-tire Isomeren führen, fokussiert.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass es insgesamt erstmalig gelungen ist, die Kinetiken der wesentlichen Faltungs- und Umfaltungswege entlang der konformationellen Energielandschaft des cMYC G4 Elements zu untersuchen. Das komplexe, dynamische Zusammenspiel aller relevanten, nicht-konventionellen isomeren G4 Strukturen konnte entworren und umfassend experimentell beschrieben werden. Der dafür weiterentwickelte Ansatz über konformationelle Selektion mit Hilfe photolabiler Schutzgruppen hat dabei experimentelle Einblicke erlaubt, die bislang nicht zugänglich waren. Die Strukturen und Faltungszustämde, die mit den chemisch modifizierten Oligonukleotiden erhalten und isoliert wurden, sind umfassend spektroskopisch untersucht worden. Die Anwendung verschiedener spektroskopischer Ansätze und deren Kombination mit weiteren biophysikalischen Methoden hat eine Methoden-unabhängige Validierung der erhaltenen kinetischen und thermodynamischen Daten ermöglicht.
G-quadruplexes (G4), found in numerous places within the human genome, are involved in essential processes of cell regulation. Chromosomal DNA G4s are involved for example, in replication and transcription as first steps of gene expression. Hence, they influence a plethora of downstream processes. G4s possess an intricate structure that differs from canonical B-form DNA. Identical DNA G4 sequences can adopt multiple long-lived conformations, a phenomenon known as G4 polymorphism. A detailed understanding of the molecular mechanisms that drive G4 folding is essential to understand their ambivalent regulatory roles. Disentangling the inherent dynamic and polymorphic nature of G4 structures thus is key to unravel their biological functions and make them amenable as molecular targets in novel therapeutic approaches. We here review recent experimental approaches to monitor G4 folding and discuss structural aspects for possible folding pathways. Substantial progress in the understanding of G4 folding within the recent years now allows drawing comprehensive models of the complex folding energy landscape of G4s that we herein evaluate based on computational and experimental evidence.
Investors and insurance policyholders are often confronted with complex products and providers' opaque organisational structures. At the same time, the possibility that their claims will not be honoured often poses an existential risk. Financial regulation therefore aims at putting in place a financial services framework that will safeguard market processes whilst also protecting consumers. However, benefits of regulation are accompanied by certain risks, as can be exemplified with the case of insurance regulation.
This paper analyzes the scope of the private market for pandemic insurance. We develop a framework that explains theoretically how the equilibrium price of pandemic insurance depends on accumulation risk, covariance between pandemic claims and other claims, and covariance between pandemic claims and the stock market performance. Using the natural catastrophe (NatCat) insurance market as a laboratory, we estimate the relationship between the insurance price markup and the tail characteristics of the loss distribution. Then, by using the high-frequency data tracking the economic impact of the COVID-19 pandemic in the United States, we calibrate the loss distribution of a hypothetical insurance contract designed to alleviate the impact of the pandemic on small businesses. The pandemic insurance contract price markup corresponds to the top 20% markup observed in the NatCat insurance market. Then we analyze an intertemporal risk-sharing scheme that can reduce the expected shortfall of the loss distribution by 50%.
Pursuant to art. 45 of the Solvency II Framework Directive, all insurance undertakings will be obliged to conduct an “Own Risk and Solvency Assessment” (ORSA). ORSA’s relevance is not limited only to the second pillar of Solvency II, where mainly qualitative requirements are to be found. ORSA rather exhibits strong interlinks with the first pillar and its quantitative requirements and may also serve as a trigger for transparency duties which form Solvency II’s third pillar. ORSA may thus be described in some respects as the glue that binds together all three pillars of Solvency II. ORSA is one of the most obvious examples of the supervisory shift from a rules-based to a principles-based approach. As such, ORSA has hitherto been only very roughly defined. Since it is for the undertaking to determine its own specific risk profile and to evaluate whether this risk profile deviates significantly from the assumptions underlying the standard formula, it seems only natural that the supervisor must specify in greater detail what these underlying assumptions are. The most practicable way to do so would be for EIOPA to establish a “standard insurer”, which implies a translation of the assumptions concerning the underlying probability distributions into directly observable characteristics. The creation of the standard insurer would be an important step towards relaxing the insurers’ fear of what ORSA might bring about.
The Liikanen Group proposes contingent convertible (CoCo) bonds as instruments to enhance financial stability in the banking industry. Especially life insurance companies could serve as CoCo bond holders as they are already the largest purchasers of bank bonds in Europe. The growing number of banks issuing CoCo bonds leads to a rising awareness of these hybrid securities among life insurers as they are increasingly looking for higher?yielding investments into bond?like asset classes during the current low interest rate period. Our contribution provides an insight for life insurance companies to understand the effects of holding CoCo bonds as implied by the Solvency II standards that will become effective by 2016.