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We present an effective model for timing-dependent synaptic plasticity (STDP) in terms of two interacting traces, corresponding to the fraction of activated NMDA receptors and the concentration in the dendritic spine of the postsynaptic neuron. This model intends to bridge the worlds of existing simplistic phenomenological rules and highly detailed models, thus constituting a practical tool for the study of the interplay of neural activity and synaptic plasticity in extended spiking neural networks. For isolated pairs of pre- and postsynaptic spikes, the standard pairwise STDP rule is reproduced, with appropriate parameters determining the respective weights and timescales for the causal and the anticausal contributions. The model contains otherwise only three free parameters, which can be adjusted to reproduce triplet nonlinearities in hippocampal culture and cortical slices. We also investigate the transition from time-dependent to rate-dependent plasticity occurring for both correlated and uncorrelated spike patterns.
Wasserbedarfsprognosen sind für Wasserversorger eine wichtige Entscheidungsgrundlage für zukünftige Maßnahmen in der wirtschaftlichen und technischen Betriebsführung sowie beim Ressourcenmanagement. In den letzten zwei Jahrzehnten sanken in Deutschland die spezifischen Wasserbedarfe aufgrund von Technik- und Verhaltensinnovationen. Für Regionen mit Wirtschafts- und Bevölkerungswachstum ist aber das Zusammenspiel dieser für den zukünftigen Bedarf konträren Entwicklungen von besonderem Interesse. Auch die Metropolregion Hamburg ist von diesen Entwicklungen betroffen.
Im Auftrag des Wasserversorgers HAMBURG WASSER aktualisierte das ISOE (Forschungsschwerpunkt Wasserressourcen und Landnutzung) in Kooperation mit dem ifo Institut München seine mittel- und langfristige Wasserbedarfsprognose aus dem Jahr 2007 für das Versorgungsgebiet des Auftraggebers. In einem innovativen Konzept wurden dafür Forschungsmethoden aus Natur-, Wirtschafts-, Planungs- und Sozialwissenschaften kombiniert. Mit dem gewählten transdisziplinären Forschungsmodus war das Projekt darauf angelegt, im laufenden Forschungsprozess gemeinsam mit den wissenschaftlichen und außerwissenschaftlichen Projektpartnern das Prognosekonzept weiterzuentwickeln. Der vorliegende Studientext basiert auf dem Projektbericht an HAMBURG WASSER und fasst Prognosekonzept, Modellentwicklung, Prognoseergebnissen und Schlussfolgerungen zusammen.
CGC aktuell 01/2015
(2015)
CGC aktuell 02/2015
(2015)
Eine Erkrankung wird als monogen bezeichnet, wenn sie auf einen Gendefekt eines einzelnen Gens zurückzuführen ist. Durch einen angeborenen Gendefekt kann bei den sog. primären Immundefekten (PIDs) das Immunsystem von asymptomatisch bis lebensbedrohlich mehr oder weniger stark beeinträchtigt werden. Für lebensbedrohliche Immundefekte gilt die allogene Stammzelltransplantation eines passenden Spenders als einzig kurative Therapie. Weil jedoch für etwa 30 % aller Patienten kein passender Spender verfügbar ist, bietet die Gentherapie in Kombination mit einer autologen Stammzelltransplantation eine häufig lebensrettende Alternative. Dabei werden patienteneigene CD34+-Blutstammzellen isoliert, ex vivo mit einer funktionalen Kopie des defekten Gens genetisch modifiziert und anschließend zurück in den Patienten infundiert. Die dabei eingesetzten Genfähren basieren in der Regel auf viralen Vektoren, mit denen das gesunde Gen in die Patientenzellen eingeschleust wird. Retrovirale Vektoren wurden für die Gentherapie am häufigsten eingesetzt.
In mehreren klinischen Gentherapie-Studien zur Behandlung diverser PIDs kam es aufgrund insertionsbedingter Transaktivierung benachbarter Proto-Onkogene zur Leukämieentwicklung. Deswegen wurde gezielt an der Sicherheit retroviraler Genfähren gearbeitet. Insbesondere wurden die in der ersten Generation benutzten retroviralen Promotor/Enhancer-Elemente aus der U3-Region des 5’ LTRs deletiert (self-inactivating, SIN-Vektoren) und durch interne, gewebespezifische Promotoren ersetzt. Auf Genfallen basierende Vektoren (gene trap, GT-Vektoren) könnten eine sicherere Alternative zu den Standardvektoren bieten, weil sie zum einen auf den γ-retroviralen SIN-Vektoren basieren und zum anderen keinen internen Promotor enthalten, der zur Transaktivierung benachbarter Gene führen kann. Bei GT-Vektoren wird das integrierte Transgen von endogenen Promotoren kontrolliert, was zu einer robusteren Transgenexpression und zu einem erhöhten Sicherheitsprofil führen sollte.
Ziel dieser Arbeit war, GT-Vektoren hinsichtlich ihres Potentials als Vektoren für die Gentherapie zu bewerten. Dafür wurde zunächst die Gentransduktionseffizienz unterschiedlicher GT-Vektoren in murinen, embryonalen Stammzellen (mES-Zellen) untersucht. In einem klassischen GT-Vektor ist das Therapiegen von einem 5‘ liegenden Spleißakzeptor (SA) und einer 3‘ liegenden Polyadenylierungssequenz (pA) flankiert. Dies bewirkt, dass das Therapiegen nach Integration in ein exprimiertes Gen als Fusionstranskript mit den 5‘ liegenden endogenen Genfragmenten exprimiert wird. Sind diese kodierend, entsteht ein Fusionsprotein, das die Funktionalität des Therapiegens beeinträchtigen kann. Zu Vermeidung einer derartigen Konstellation wurden drei Strategien zur Verhinderung N-terminaler Fusionen getestet: Die Fusion (i) einer internen ribosomalen Eintrittsstelle (IRES) und (ii) eines viralen Proteinspaltungspeptids (T2A) an das 5‘ Ende des Therapiegens sowie (iii) die Insertion von drei Stop-Codons hinter den SA. Die Versuche in mES-Zellen zeigten, dass die GT-Variante mit den Stop-Codons am effizientesten war, weshalb sie für alle weiteren Ansätze verwendet wurde.
Dieser Arbeit vorangegangen war die Entwicklung einer Genfallenstrategie zur Korrektur des septischen Granulomatose (X-CGD) verursachenden gp91phox (CYBB)-Gendefektes in einer gp91phox-defizienten Leukämiezelllinie (PLB-XCGD). Obwohl Genfallen transduzierte PLB-XCGD-Zellen das Therapiegen gp91phox exprimierten, war diese Expression im Vergleich zu den mit einem positiven, Promotor-enthaltenden Kontrollvektor (FES-gp91phox) transduzierten Zellen sehr gering. Deswegen war es notwendig eine effiziente Selektionsstrategie für Genfallenereignisse in hämatopoetischen Zellen zu entwickeln. Eine Strategie basierte auf einem FKBP12/Thrombopoetinrezeptor-Fusionsprotein, dessen Expression in hämatopoetischen BaF3 Zellen eine 25-fache Anreicherung von Genfallen exprimierenden Zellen nach Zugabe des chemischen Liganden AP20187 ermöglichte. Allerdings konnte dieses System in primären, hämatopoetischen Zellen leider nicht etabliert werden.
Die andere Selektionsstrategie basierte auf dem X-SCID Krankheitsmodell, in dem IL2RG-Mutationen, einer Untereinheit verschiedenster Zytokinrezeptoren (z. B. des IL-2-Rezeptors), zu einem kompletten Verlust von T-Zellen und somit zur Reduktion funktionaler B-Zellen führen. Nach ex vivo Korrektur und Transplantation der korrigierten, autologen hämatopoetischen Stammzellen (HSZ), kann eine Expansion der IL2RG exprimierenden T-Zellen erzielt werden. Initiale Versuche wurden an der IL2RG-/--Zelllinie ED-7R in vitro durchgeführt. Nachdem über die durchflusszytometrische Analyse der pSTAT5-Expression eine Aktivierung des IL2RG-abhängigen Signalweges in GT-IL2RG-Genfallen transduzierten ED-7R-Zellen nachgewiesen werden konnte, wurde in einem X-SCID-Mausmodell (IL2RG-/-) überprüft, ob es zu der erwarteten Anreicherung von IL2RG exprimierenden T-Zellen nach Transplantation autologer GT-IL2RG transduzierter HSZ kommt. Dabei wurde sowohl die immunologische Rekonstitution der Mäuse als auch die Funktionalität der rekonstituierten Lymphozyten untersucht. In der GT-Gruppe konnte nach Transplantation genetisch modifizierter Zellen weder ein Unterschied der absoluten Zahl an Lymphozyten (B-Zellen, T-Zellen) im Blut, noch ein erhöhter Prozentsatz der verschiedenen Lymphozyten-subpopulationen in KM, Milz oder Thymus beobachtet werden. Lediglich im Thymus einer Maus aus der GT-Gruppe konnten IL2RG exprimierende Zellen nachgewiesen werden. Andererseits konnten aus der Milz transplantierter GT-Mäuse T-Zellen isoliert werden, die nach Interleukin-2-Stimulation STAT5-Phosphorylierung aufwiesen, was eine erfolgreiche obgleich geringe GT-IL2RG Transduktion belegt. Durch die Beurteilung des Engraftments, also des Anwachsens der transplantierten Spenderzellen im Empfängerorganismus, konnte gezeigt werden, dass die niedrigere IL2RG-Rekonstitutionseffizienz durch Genfallen nicht auf einem suboptimalen Engraftment, sondern auf einer zu geringen Anzahl an produktiven Genfallenereignissen beruht.
Zusammenfassend legen die Ergebnisse nahe, dass Genfallen zu diesem Zeitpunkt keine realistische Alternative gegenüber konventionellen Gentherapievektoren zur Korrektur monogener Bluterkrankungen bieten. Neue Entwicklungen, die eine Genkorrektur mittels sog. „Designer Endonukleasen“ vor Ort ermöglichen, werden sicherlich in der nahen Zukunft sämtliche, beliebig ins Genom integrierende Gentherapievektoren ersetzen.
Zu Beginn dieser Arbeit stand die Vermutung, dass die Klangsprache von Arnold Schönbergs Werk Pierrot lunaire stark durch Albert Girauds gleichnamigen, von Otto Erich Hartleben ins Deutsche übertragenen Gedichtzyklus beeinflusst worden ist.
Um genauer herauszuarbeiten, wie ein Gedichtzyklus die Klangsprache eines Komponisten beeinflussen kann, wurde zuerst Girauds Originaltext mithilfe der symbolistischen Ästhetik sowie der ästhetischen Kategorien des Capriccio und der Groteske analysiert. In einem zweiten Schritt wurde - mithilfe von Walter Benjamins Überlegungen zur Aufgabe des Übersetzers - Otto Erich Hartlebens Übertragung von Girauds Zyklus untersucht. Im Laufe dieser jeweiligen Analysen kristallisierte sich die Rolle des Ephemeren sowohl in der Gestaltung des Originaltextes als auch innerhalb des Vorgangs der Übersetzung heraus.
Das Wirken des Ephemeren im Kunstwerk wurde mithilfe von Theodor W. Adornos Ästhetische Theorie genauer dargestellt und mündete in der Hauptfrage der vorliegenden Untersuchung: Wie gestaltet das Ephemere den Pierrot lunaire bei Albert Giraud, Otto Erich Hartleben und Arnold Schönberg? In Bezug auf Schönbergs Werk wurden dabei in erster Linie der Sprechgesang, die Wechselwirkung von Instrumentation und Klangfarbe sowie einzelne Elemente der Klangsprache behandelt.
Die Publikation entstand anlässlich der Ausstellungsserie DOPPELZIMMER (16.09.2015 bis 04.01.2016), kuratiert von Studierenden der Curatorial Studies der Goethe-Universität und der Staatlichen Hochschule für Bildende Künste – Städelschule, unter der Leitung von Stefanie Heraeus, in Kooperation mit den KW Institute for Contemporary Art in Berlin, Ellen Blumenstein und Nina Mende.
Dissecting the complexities of mammalian heart development and regenerative capacity require thorough understanding of the underlying molecular mechanisms through the expression pattern of proteins and post-translational modifications. To obtain insights intoactivated signaling pathways that control the cellular phenotype during postnatal heart development, we generated a comprehensive map of phosphorylation sites. In total we identified 21,261 phosphorylation sites and 8985 proteins in developing mouse hearts by mass spectrometry. The in-vivo SILAC (stable isotope labeling of amino acids in cell culture) approach allowed robust quantification of phosphorylation sites and proteins, which are regulated during heart development. We found several activated pathways involved in cell cycle regulation and detected numerous kinases and transcription factors to be regulated on protein and phosphopeptide level. Most strikingly, we identified a novel mitochondrial protein, known previously as Perm1, as a highly phosphorylated factor regulated during heart development. We renamed Perm1 as MICOS complex subunit Mic85 since it shows robust physical interaction with MICOS complex subunits, including Mitofilin (Mic60), Chchd3 (Mic19), Chchd6 (Mic25) and the outer membrane protein Samm50. Moreover, Mic85 is localized to the mitochondrial inner membrane facing the intermembrane space and the dynamics of Mic85 protein expression is regulated by the ubiquitin-proteasomal system through phosphorylation of casein kinase 2 on its PEST motif. Silencing of Mic85 in cultured neonatal cardiomyocytes impairs mitochondrial morphology and compromises oxidative capacity. Our findings support a clear role for Mic85 in the maintenance of mitochondrial architecture and in its contribution to enhanced energetics during developing and adult mouse cardiomyocytes. The transgenic Mic85 knockout mouse generated with a GFP knock-in will support future in vivo investigations on the integrity of mitochondria and the function of Mic85 in cardiac development.
Small molecule inhibitors sensitize neuroblastoma cells for chemotherapeutic drug-induced apoptosis
(2015)
Neuroblastoma (NB) is one of the most common solid extracranial pediatric tumors, deriving from undifferentiated cells of the peripheral nervous system. It accounts for approximately 10% of all childhood cancers. High stage tumors usually show poor prognosis despite aggressive treatment such as radiotherapy or chemotherapy. Therefore, it is of utmost importance to find novel treatment strategies in order to improve existing chemotherapy protocols. Combination treatment offers advantages, as chemotherapeutic drugs can be applied in low and subtoxic doses, reducing possible side-effects. Here, we report in a two-part study that small molecule inhibitors (SMI), namely BI 2536, a PLK1 inhibitor and BV6, a SMAC mimetic (SM), sensitize neuroblastoma cells for chemotherapeutic drug-induced cell death. By using i) BI 2536 in combination with vinca alkaloids and ii) BV6 in combination with either doxorubicin or vinca alkaloids, we show that cell death is synergistically enhanced compared to monotherapy. Furthermore, combination treatment significantly reduces survival of NB cells in long-term assays, compared to single treatment. We identify that vinca alkaloid/SMI combinations induce mitotic arrest, as shown by phosphorylation of histone H3, which results in the induction of intrinsic apoptosis and inhibition of CDK1 by RO-3306 could abolish these findings. Mechanistically, upon vinca alkaloid/SMI-induced mitotic arrest, anti-apoptotic BCL-2 proteins such as MCL-1, BCL-2 or BCL-XL are degraded or inactivated by phosphorylation, which induces the activation of the proapoptotic BCL-2 family proteins BAX and BAK. The importance of the mitochondrial apoptosis pathway in vinca alkaloid/SMI-induced cell death was further highlighted by the fact that ectopic expression of BCL-2 inhibits vinca alkaloid/SMI-induced DNA fragmentation and BAK- and caspase-activation. In contrast to the vinca alkaloid/SMI cotreatment, DOX/SMI (DOX/BV6)-induced apoptosis only partially involves the mitochondrial pathway. Instead, we clarify that RIP1 is required for DOX/BV6-induced apoptosis, as pharmacological and genetic inhibition of RIP1 rescues from apoptosis induction. Although it has been shown in previous studies that SM-treatment (e.g. BV6) can induce the NF-κB pathway and auto-/paracrine TNFα production through cIAP1/2 depletion, DOX/BV6-induced apoptosis is completely independent of NF-κB activation in our setting, despite fast cIAP1 depletion. This conclusion is based on the fact that inhibition of the NF-κB pathway by exogenously expressed dominant-negative IκBα as well as application of a TNFα blocking antibody does not reduce DOX/BV6-induced cell death. In summary, we unravel two new promising treatment strategies for neuroblastoma patients by using a combination treatment of two different small molecule inhibitors, combined with well-characterized chemotherapeutic agents. Furthermore we give detailed insights into cell death pathways induced by these combination treatments, in which mitochondria and RIP1 have a differential role in chemotherapeutic drug-induced apoptosis.
Im Rahmen des FAIR Projekts sollen in den Ringbeschleunigern SIS18 und SIS100 Ionenstrahlen mit höchster Intensität beschleunigt werden. Um die Raumladungsgrenze zu erhöhen, werden dazu Ionen mit mittleren Ladungszuständen verwendet. Diese haben aber größere Wirkungsquerschnitte für Umladung in Wechselwirkungen mit im Strahlvakuum vorhandenen Restgasteilchen als hochgeladene Ionen. Kommt es zu Strahlverlusten, lösen die verlorenen Ionen am Auftreffort weitere Restgasteilchen von den Wänden des Strahlrohrs und erhöhen so lokal die Restgasdichte. Die Qualität des Vakuums ist deshalb für einen stabilen Strahlbetrieb essentiell.
Im SIS100 kommen kryogene Vakuumkammern zum Einsatz, deren Wände als Kryosorptionspumpen für Wasserstoff und Helium dienen und alle schwereren Restgaskomponenten durch Kryokondensation binden können. Um die Vorhersagegenauigkeit des abteilungsinternen Programms „StrahlSim“ zur Simulation des dynamischen Vakuums zu verbessern, wurden im Rahmen dieser Arbeit das Saugvermögen und die Pumpkapazität für Wasserstoff auf einer Edelstahloberfläche untersucht.
Dazu wurde ein UHV Teststand entwickelt und aufgebaut. Dieser besteht aus einem warmen Diagnoseteil, mit dem der Gasfluss in und aus dem kalten Teil überwacht werden kann. Im kalten Teil befindet sich eine kleine Kammer mit Edelstahlwänden, für die verschiedene Temperaturen zwischen 7 und 31 K eingestellt werden können. Diese Kammer repräsentiert ein kleines Stück kryogenes Strahlrohr. Bei verschiedenen Temperaturen und Oberflächenbelegungen wurden dort jeweils das Saugvermögen und der sich einstellende Gleichgewichtsdruck im Bereich von 4E-11 bis 2E-7 mbar gemessen. Die Gleichgewichtsdrücke bei einer bestimmten Temperatur bei wachsender Oberflächenbelegung werden als Adsorptionsisotherme bezeichnet. Sie ergeben sich aus dem Gleichgewicht von thermisch desorbierenden Teilchen und deren Readsorption. Die kalte Kammer wird umgeben von einem Kryostaten, bestehend aus thermischem Schild und Außentank. Für diesen wurde die thermische Auslegung durchgeführt, die Konstruktion erfolgte extern.
Aus dem gemessenen Saugvermögen konnte die Haftwahrscheinlichkeit berechnet werden. Sie stellte sich als im Rahmen der Messgenauigkeit als unabhängig von Belegung und Temperatur heraus. Ihr Wert liegt nahe 1 mit einer Unsicherheit bis 0,1. Da sämtliche Oberflächen in den kryogenen Bereichen als Pumpen wirken, ist dieser Wert mehr als ausreichend um die für den stabilen Strahlbetrieb nötigen Vakuumbedingungen zu erreichen und stabil zu halten.
Die Isothermen hingegen sind stark von der Temperatur abhängig. Über 18 K liegen die Gleichgewichtsdrücke bereits bei minimalen Oberflächenbelegungen in für den Strahlbetrieb nicht tolerierbaren Bereichen. Mit sinkender Temperatur können die Oberflächen immer mehr Gas aufnehmen. Doch auch bei den tiefsten vermessenen Temperaturen zwischen 7 und 8 K ist ein stabiler Strahlbetrieb nur bei Belegungen von deutlich unter einer halben Monolage, etwa 5E14 Wasserstoffmoleküle pro cm², möglich.
Diese Ergebnisse wurden in StrahlSim implementiert. Zunächst wurde der Code für die Simulation von teilweise kryogenen Beschleunigern angepasst. Die wichtigste Änderung war die Einführung von thermischer Transpiration. Sie bewirkt, dass die Restgasteilchendichte an Kalt-Warm-Übergängen auf der kalten Seite erhöht ist. Mit dieser Änderung und den implementierten Ergebnissen aus den Messungen wurden Simulationen für das SIS100 durchgeführt. Mit den Isothermen konnten die bei verschiedenen Temperaturen und Bedeckungen zu erwartenden Durchschnittsdichten berechnet werden, die wiederum bestimmend für die Strahlverluste sind. Des Weiteren wurde ein mehrwöchiger Dauerbetrieb simuliert. Es zeigt sich zunächst eine Verschlechterung der Vakuumbedingungen auf Grund der langsamen Sättigung der Oberflächen. Diese verlangsamt sich aber immer mehr und stabilisiert sich bevor zu hohe Restgasdichten auftreten. Im schlechtesten Fall sind die kryogenen Oberflächen so weit gesättigt, dass sie genauso viele Gasteilchen thermisch desorbieren wie sie adsorbieren, sie also praktisch passiv sind. Auch dann wäre die Gleichgewichtsdichte im Beschleuniger noch tief genug, um Verluste durch Umladung hinreichend niedrig zu halten.
Als problematisch könnten sich hingegen dynamische Temperaturerhöhungen der Kammerwände erweisen. In diesem Fall stellt sich praktisch verzögerungsfrei der durch die neue Isotherme definierte Gleichgewichtsdruck ein, der auch bei wenigen Kelvin Temperaturunterschied bereits um mehrere Größenordnungen höher liegen kann. Sind Temperaturerhöhungen während des Betriebs zu erwarten, sollten die Oberflächen so frei wie möglich von Wasserstoff gehalten werden. Dazu kann man sich eben diesen Effekt zunutze machen: Durch temporäres Anwärmen der Oberflächen unmittelbar vor dem Strahlbetrieb können die Oberflächen schnell von Wasserstoff befreit werden, der dann von lokalisierten Pumpen aus dem System entfernt werden kann.
Viele auf allgemeinen Graphen NP-schwere Probleme (z.B. Hamiltonkreis, k-Färbbarkeit) sind auf Bäumen einfach effizient zu lösen. Baumzerlegungen, Zerlegungen von Graphen in kleine Teilgraphen entlang von Bäumen, erlauben, dies zu effizienten Algorithmen auf baumähnlichen Graphen zu verallgemeinern. Die Baumähnlichkeit wird dabei durch die Baumweite abgebildet: Je kleiner die Baumweite, desto baumähnlicher der Graph.
Die Bedeutung der Baumzerlegungen wurde seit ihrer Verwendung in einer Reihe von 23 Veröffentlichungen von Robertson und Seymour zur Graphminorentheorie allgemein erkannt. Das Hauptresultat der Reihe war der Beweis des Graphminorensatzes, der aussagt, dass die Minorenrelation auf den Graphen Wohlquasiordnung ist. Baumzerlegungen wurden in verschiedenen Bereichen angewandt. So bei probabilistischen Netzen, in der Biologie, bei kombinatorischen Problemen und im Übersetzerbau. Außerdem gibt es algorithmische Metatheoreme, die zeigen, dass sie für weite Problemklassen nützlich sind. Baumzerlegungen sind in dieser Arbeit von zentraler Bedeutung. Die mittels Baumzerlegungen erzielten Erfolge auf baumähnlichen Graphen motivieren Versuche, diese auf größere Graphklassen zu verallgemeinern. Ein erfolgreicher Ansatz beruht auf irrelevanten Knoten und reduziert damit die Probleme auf der größeren Graphklasse auf Probleme auf einer Graphklasse kleiner Baumweite: Wenn der Eingabegraph zu einem Problem kleine Baumweite hat, wird das Problem mittels Baumzerlegungen gelöst. Andernfalls gibt es einen irrelevanten Knoten, so dass das Problem genau dann eine Lösung auf dem ursprünglichen Graphen hat, wenn es auch im Graphen ohne diesen irrelevanten Knoten eine Lösung hat. Es werden solange irrelevante Knoten gefunden und entfernt, bis ein Graph kleiner Baumweite verbleibt.
Ein wichtiges Hilfsmittel zum Finden irrelevanter Knoten ist der Gitterminorensatz: Nach diesem Satz enthalten Graphen großer Baumweite auch große Gitter als Minoren. Die Gitter Baumweite-Dualität ist auch in der Bidimensionalitätstheorie, einem weiteren erfolgreichen Ansatz, um auf größeren Graphklassen, als nur denen kleiner Baumweite, Probleme effizient zu lösen, von zentraler Bedeutung.
Eine Erkrankung wird als monogen bezeichnet, wenn sie auf einen Gendefekt eines einzelnen Gens zurückzuführen ist. Durch einen angeborenen Gendefekt kann bei den sog. primären Immundefekten (PIDs) das Immunsystem von asymptomatisch bis lebensbedrohlich mehr oder weniger stark beeinträchtigt werden. Für lebensbedrohliche Immundefekte gilt die allogene Stammzelltransplantation eines passenden Spenders als einzig kurative Therapie. Weil jedoch für etwa 30 % aller Patienten kein passender Spender verfügbar ist, bietet die Gentherapie in Kombination mit einer autologen Stammzelltransplantation eine häufig lebensrettende Alternative. Dabei werden patienteneigene CD34+-Blutstammzellen isoliert, ex vivo mit einer funktionalen Kopie des defekten Gens genetisch modifiziert und anschließend zurück in den Patienten infundiert. Die dabei eingesetzten Genfähren basieren in der Regel auf viralen Vektoren, mit denen das gesunde Gen in die Patientenzellen eingeschleust wird. Retrovirale Vektoren wurden für die Gentherapie am häufigsten eingesetzt.
In mehreren klinischen Gentherapie-Studien zur Behandlung diverser PIDs kam es aufgrund insertionsbedingter Transaktivierung benachbarter Proto-Onkogene zur Leukämieentwicklung. Deswegen wurde gezielt an der Sicherheit retroviraler Genfähren gearbeitet. Insbesondere wurden die in der ersten Generation benutzten retroviralen Promotor/Enhancer-Elemente aus der U3-Region des 5’ LTRs deletiert (self-inactivating, SIN-Vektoren) und durch interne, gewebespezifische Promotoren ersetzt. Auf Genfallen basierende Vektoren (gene trap, GT-Vektoren) könnten eine sicherere Alternative zu den Standardvektoren bieten, weil sie zum einen auf den γ-retroviralen SIN-Vektoren basieren und zum anderen keinen internen Promotor enthalten, der zur Transaktivierung benachbarter Gene führen kann. Bei GT-Vektoren wird das integrierte Transgen von endogenen Promotoren kontrolliert, was zu einer robusteren Transgenexpression und zu einem erhöhten Sicherheitsprofil führen sollte.
Ziel dieser Arbeit war, GT-Vektoren hinsichtlich ihres Potentials als Vektoren für die Gentherapie zu bewerten. Dafür wurde zunächst die Gentransduktionseffizienz unterschiedlicher GT-Vektoren in murinen, embryonalen Stammzellen (mES-Zellen) untersucht. In einem klassischen GT-Vektor ist das Therapiegen von einem 5‘ liegenden Spleißakzeptor (SA) und einer 3‘ liegenden Polyadenylierungssequenz (pA) flankiert. Dies bewirkt, dass das Therapiegen nach Integration in ein exprimiertes Gen als Fusionstranskript mit den 5‘ liegenden endogenen Genfragmenten exprimiert wird. Sind diese kodierend, entsteht ein Fusionsprotein, das die Funktionalität des Therapiegens beeinträchtigen kann. Zu Vermeidung einer derartigen Konstellation wurden drei Strategien zur Verhinderung N-terminaler Fusionen getestet: Die Fusion (i) einer internen ribosomalen Eintrittsstelle (IRES) und (ii) eines viralen Proteinspaltungspeptids (T2A) an das 5‘ Ende des Therapiegens sowie (iii) die Insertion von drei Stop-Codons hinter den SA. Die Versuche in mES-Zellen zeigten, dass die GT-Variante mit den Stop-Codons am effizientesten war, weshalb sie für alle weiteren Ansätze verwendet wurde.
Dieser Arbeit vorangegangen war die Entwicklung einer Genfallenstrategie zur Korrektur des septischen Granulomatose (X-CGD) verursachenden gp91phox (CYBB)-Gendefektes in einer gp91phox-defizienten Leukämiezelllinie (PLB-XCGD). Obwohl Genfallen transduzierte PLB-XCGD-Zellen das Therapiegen gp91phox exprimierten, war diese Expression im Vergleich zu den mit einem positiven, Promotor-enthaltenden Kontrollvektor (FES-gp91phox) transduzierten Zellen sehr gering. Deswegen war es notwendig eine effiziente Selektionsstrategie für Genfallenereignisse in hämatopoetischen Zellen zu entwickeln. Eine Strategie basierte auf einem FKBP12/Thrombopoetinrezeptor-Fusionsprotein, dessen Expression in hämatopoetischen BaF3 Zellen eine 25-fache Anreicherung von Genfallen exprimierenden Zellen nach Zugabe des chemischen Liganden AP20187 ermöglichte. Allerdings konnte dieses System in primären, hämatopoetischen Zellen leider nicht etabliert werden.
Die andere Selektionsstrategie basierte auf dem X-SCID Krankheitsmodell, in dem IL2RG-Mutationen, einer Untereinheit verschiedenster Zytokinrezeptoren (z. B. des IL-2-Rezeptors), zu einem kompletten Verlust von T-Zellen und somit zur Reduktion funktionaler B-Zellen führen. Nach ex vivo Korrektur und Transplantation der korrigierten, autologen hämatopoetischen Stammzellen (HSZ), kann eine Expansion der IL2RG exprimierenden T-Zellen erzielt werden. Initiale Versuche wurden an der IL2RG-/--Zelllinie ED-7R in vitro durchgeführt. Nachdem über die durchflusszytometrische Analyse der pSTAT5-Expression eine Aktivierung des IL2RG-abhängigen Signalweges in GT-IL2RG-Genfallen transduzierten ED-7R-Zellen nachgewiesen werden konnte, wurde in einem X-SCID-Mausmodell (IL2RG-/-) überprüft, ob es zu der erwarteten Anreicherung von IL2RG exprimierenden T-Zellen nach Transplantation autologer GT-IL2RG transduzierter HSZ kommt. Dabei wurde sowohl die immunologische Rekonstitution der Mäuse als auch die Funktionalität der rekonstituierten Lymphozyten untersucht. In der GT-Gruppe konnte nach Transplantation genetisch modifizierter Zellen weder ein Unterschied der absoluten Zahl an Lymphozyten (B-Zellen, T-Zellen) im Blut, noch ein erhöhter Prozentsatz der verschiedenen Lymphozyten-subpopulationen in KM, Milz oder Thymus beobachtet werden. Lediglich im Thymus einer Maus aus der GT-Gruppe konnten IL2RG exprimierende Zellen nachgewiesen werden. Andererseits konnten aus der Milz transplantierter GT-Mäuse T-Zellen isoliert werden, die nach Interleukin-2-Stimulation STAT5-Phosphorylierung aufwiesen, was eine erfolgreiche obgleich geringe GT-IL2RG Transduktion belegt. Durch die Beurteilung des Engraftments, also des Anwachsens der transplantierten Spenderzellen im Empfängerorganismus, konnte gezeigt werden, dass die niedrigere IL2RG-Rekonstitutionseffizienz durch Genfallen nicht auf einem suboptimalen Engraftment, sondern auf einer zu geringen Anzahl an produktiven Genfallenereignissen beruht.
Zusammenfassend legen die Ergebnisse nahe, dass Genfallen zu diesem Zeitpunkt keine realistische Alternative gegenüber konventionellen Gentherapievektoren zur Korrektur monogener Bluterkrankungen bieten. Neue Entwicklungen, die eine Genkorrektur mittels sog. „Designer Endonukleasen“ vor Ort ermöglichen, werden sicherlich in der nahen Zukunft sämtliche, beliebig ins Genom integrierende Gentherapievektoren ersetzen.
The central aim of this dissertation is the defense of the metaphysical thesis of Physicalism against two anti-physicalist arguments, namely, the conceivability arguments and the knowledge argument. Both arguments confront Physicalism with apparently incompatible facts about consciousness, in particular, the so-called subjective character of consciousness. Both arguments depart from epistemic premisses to arrive at metaphysical conclusion that physicalism is false. This step will be justified through an inferential connection between conceivability and metaphysical possibility. The hypothesis is that the set of physicalist responses known as the Phenomenal Concept Strategy is the most promising way to respond to the anti-physicalist arguments. In this dissertation I have critically assed the so-called Phenomenal Concept Strategy and I have defended it from new formulated objections.
Cardiac progenitor cells hold great potential for regenerative therapies in heart disorders. However, the molecular mechanisms regulating cardiac progenitor cell expansion and differentiation remain poorly defined. Here we show that the multi- adaptor protein Ldb1, which mediates interactions between different classes of LIM domain transcription factors, is a multifunctional regulator of cardiac progenitor cell differentiation. Ldb1-deficient embryonic stem cells (ESCs) show a markedly decreased expression of second heart field (SHF) marker genes and subsequently impaired cardiomyocyte differentiation. Conditional ablation of Ldb1 in the early SHF using an Isl1-Cre driver led to embryonic lethality at Embryonic day (E)10.5 with cardiac abnormalities including a significantly smaller right ventricle and a shortened outflow tract, supporting a crucial role of Ldb1 in the SHF. Mechanistically we show that the importance of Ldb1 for SHF development is two-fold: On the one hand, Ldb1 binds to Isl1 and protects it from proteasomal degradation, as a consequence of which Ldb1-deficiency leads to an almost complete loss of Isl1+ cardiovascular progenitor cells. On the other hand the Isl1/Ldb1 complex promotes long-range promoter-enhancer interactions at the loci of the core cardiac transcription factors Mef2c and Hand2. Chromosome conformation capture followed by sequencing (3C- seq) identified specific Ldb1-mediated interactions of the Isl1/Ldb1 responsive Mef2c anterior heart field enhancer with genes which play key roles in cardiac progenitor cell function and cardiovascular development. These interactions are of critical importance to regulate the expression of the downstream target genes since their expression levels are strongly dependent on the Ldb1/Isl1 levels. Overexpression of an Ldb1 mutant, which contains the LIM interaction domain and thereby can protect Isl1 protein from degradation, but lacks the dimerization domain and thus cannot promote long-range interactions, does not collaborate with Isl1 to regulate the expression of their common targets and results in defects in Isl1+ cardiac progenitor differentiation. In this thesis we show one of the first examples of genome-wide chromatin reorganization mediated by a developmental regulated, cell type specific, transcription complex. Ldb1 in concert with Isl1 promotes long range promoter- enhancer and enhancer-enhancer interactions in order to create active chromatin hub where gene important for heart development can be co-regulated. Moreover, Isl1 and Ldb1 genetically interact during heart development, as Isl1/Ldb1 haplodeficient embryos show various cardiac anomalies. The dosage-sensitive interdependence between Isl1 and Ldb1 in the expression of these key factors in cardiogenesis, further supports a key role of the Isl1/Ldb1 complex in coordinating a three dimensional genome organization, upstream of a regulatory network driving cardiac differentiation and heart development.
In conclusion, the Isl1/Ldb1 complex orchestrate a genome-wide three dimensional chromatin reorganization resulting in a transcriptional program responsible for the differentiation of multipotent cardiac progenitor cells into cardiomyocytes.
Ein Vorkommen der nordamerikanischen Adventivart Heterotheca camporum (Asteraceae) wurde im November 2014 in Frankfurt am Main entdeckt. Die Population auf einer städtischen Brachfläche bestand aus mehr als 60 Exemplaren und hatte reichlich Samen gebildet. Die Art und Weise der Einschleppung sowie die taxonomische Identität werden diskutiert. Die Pflanzen sind der var. glandulissima zuzuordnen. Vermutlich geht das Vorkommen auf eine Verwilderung aus Kultur zurück.
Anpassung an den Klimawandel am Beispiel Namibia +++ TransImpact – wissenschaftliche Grundlagen für transdisziplinäres Forschen +++ ISOE-Publikation zur Evaluierung von Wasser-Partnerschaften erschienen +++ Wissenschaft und Zivilgesellschaft: Ziemlich beste Freunde? +++ Für ein neues Verständnis von Wissenschaftskommunikation +++ Aus dem ISOE: Biodiversitätsexpertin in internationalen Beirat OpenNESS berufen +++ Termine +++ Publikationen
This thesis develops a conceptual framework for a better understanding of the impact of slow-onset climate and environmental changes on human migration in developing countries. Its regional focus is on the West African Sahel, where the majority of the population depends on agriculture and thus is highly vulnerable to environmental changes. Migration from fragile environments is predominantly considered one of several household strategies to adapt to and minimise the risk of environmental stress. Based on qualitative and quantitative data from two selected rural study areas, Bandiagara in Mali and Linguère in Senegal, this thesis analyses the drivers of migration from the two areas.
The findings illustrate that, even though people highly depend on the natural environment, migration motives are manifold and that migration often is not a household strategy to cope with environmental changes. Although environmental conditions shape migration in the region and the migrants’ support is crucial for most households, environmental stress plays a relatively small role as a driver of migration - at least in Mali, where it is considerably less important than in Senegal. On the contrary, migration is often driven by better opportunities elsewhere rather than by livelihood stressors in the home area. Particularly the migration of young people is often an individual rather than a household decision and influenced by individual aspirations, such as aspirations for consumer goods or a better future, rather than by environmental stress.
This thesis claims that research should consider people’s capabilities to migrate or to stay as well as their individual aspirations and preferences - in addition to the household’s needs and the opportunities elsewhere. This is important in order to explain why some people stay in and others migrate from an area affected by environmental stress, though living under similar conditions. Depending on people’s capabilities to choose freely between staying and migrating and their preferences and aspirations for one or the other activity, people can either be “voluntary migrants”, “voluntary non-migrants”, “forced migrants” or “trapped people”.
Moreover, it is important to consider social trends and transformation processes in the analysis of the linkages between environment change and migration. Higher education levels and aspirations to a “modern” lifestyle among young people, for instance, might decrease the impact of environmental factors on migration, despite worsening environmental conditions.
The growth of aerosol due to the aqueous phase oxidation of sulfur dioxide by ozone was measured in laboratory-generated clouds created in the Cosmics Leaving OUtdoor Droplets (CLOUD) chamber at the European Organization for Nuclear Research (CERN). Experiments were performed at 10 and −10 °C, on acidic (sulfuric acid) and on partially to fully neutralised (ammonium sulfate) seed aerosol. Clouds were generated by performing an adiabatic expansion – pressurising the chamber to 220 hPa above atmospheric pressure, and then rapidly releasing the excess pressure, resulting in a cooling, condensation of water on the aerosol and a cloud lifetime of approximately 6 min. A model was developed to compare the observed aerosol growth with that predicted using oxidation rate constants previously measured in bulk solutions. The model captured the measured aerosol growth very well for experiments performed at 10 and −10 °C, indicating that, in contrast to some previous studies, the oxidation rates of SO2 in a dispersed aqueous system can be well represented by using accepted rate constants, based on bulk measurements. To the best of our knowledge, these are the first laboratory-based measurements of aqueous phase oxidation in a dispersed, super-cooled population of droplets. The measurements are therefore important in confirming that the extrapolation of currently accepted reaction rate constants to temperatures below 0 °C is correct.
Die vorliegende Bachelorarbeit leistet einen Beitrag zur wissenschaftlichen Identifikation von intergenerationalen Unterschieden verschiedener Arbeitnehmergruppen. Insbesondere werden sowohl die Unterschiede zwischen den Generationen X und Y, in der Arbeitsbereitschaft, in unterschiedlichen Abschnitten des Berufslebens, als auch die Unterschiede zwischen der Wahrnehmung der Wichtigkeit von Arbeitgeberattraktivitätsattributen jener Generationen betrachtet. Ein besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der Betrachtung von High-Potentials.
In silico Methoden spielen in der Wirkstoffentwicklung eine immer größere Bedeutung. Sie können eine Größe Hilfe in der Analyse des Targets oder beim Screening von neuen Liganden sein. Ihre Stärken liegen vorallem in der Zeit- und Kostenreduzierung während einer
Wirkstoffentwicklung.
Ziel der Arbeit war die Entwicklung neuer COX-2 Liganden mit Hilfe von in silico Methoden. Weil von der mCOX-2 keine Kristallstruktur in der PDB publiziert war, begann die Arbeit mit der Modellierung der mCOX-2. Dafür wurde aus der Sequenz der hCOX-2 aus UniProt mit der ID P35354 mit Hilfe der Kristallstruktur 3LN1 ein Homologie Modell entwickelt und im Anschluss über eine Validierungsmethode, den Ramachandran Plot, analysiert. Der Ramachandran Plot zeigte, dass 93.7% der Aminosäuren in favorisierten Regionen, 6.1% in
erlaubten Regionen, 0.2% in geduldeten Regionen und 0.0% in unerlaubten Regionen lagen. Mit diesem Modell wurde eine MD-Simulation durchgeführt, um die Energie des Modells zu
minimieren.
Die neuen Verbindungen wurden über drei verschiedene Ansätze designt. Im ersten Ansatz wurde die Software DOGS verwendet. Dabei handelt es sich um ein de novo Design Programm, welches nicht nur neue Verbindungen entwickelt, sondern auch deren Syntheseweg vorschlägt. Die vorgeschlagenen Verbindungen wurden über eine Docking-Studie analysiert, wobei die Verbindungen aus Abbildung 15 identifiziert werden konnten. Verbindung 22 wurde ohne weitere Variationen synthetisiert. Die Verbindungen 71 und 86 wurden aus der modellierten Verbindung 87, welche von DOGS vorgeschlagen wurde, weiterentwickelt. Dabei wurde Verbindung 71 als ein Fragment von Verbindung 85 entwickelt. Verbindung 86 wurde direkt aus Verbindung 87 entwickelt, wobei einige Variationen durchgenommen wurde. Hierbei sollte vorallem die Form von Verbindung 87 beibehalten werden.
Literatur verwendet, um ausgehend von den Verbindungen APHS und ASS neue COX-2 Inhibitoren zu entwickeln (siehe Abb. 16). Dabei wurden mehrere Verbindungen designt, wovon Verbindung 3 als ein leichter Inhibitor identifiziert werden konnte. 3 enthält keine für COX-Inhibitoren typische polare Gruppe, besitzt dafür aber eine Acetylgruppe, die gemäß in silico Untersuchungen in der Lage sein könnte, Ser530 in COX-2 zu acetylieren.
In der letzten Studie wurden mit Hilfe eines Fragment-basierten Designs neue Verbindungen entwickelt, wobei das Benzensulfonamid von Celecoxib aus der Kristallstruktur 1PTH extrahiert und mit kleinen Fragmente verknüpft wurde, welche zuvor über eine Docking-Studie analysiert wurden. Hieraus entwickelte sich Verbindung 35, die in einer kleinen SAR-Studie zu 70 optimiert werden konnte. Dabei konnte das Sulfonamid, welches typisch für Coxibe ist, gegen eine Carbonsäure ausgetauscht werden (69). Erst durch eine Vergrößerung der Verbindung um einen Benzyl-Rest am sekundären Amin von 69 führte zur potenten Verbindung 70.
Zusammenfassend konnten in dieser Arbeit fünf neue COX-2 Inhibitoren als Leitstrukturen entwickelt werden. Dabei kamen fortschrittliche in silico Methoden wie die De-Novo Design Software DOGS aber auch rationale Designmethoden zum Einsatz. Beide Methoden boten Vor- und Nachteile und haben jeweils zu guten Ergebnissen geführt. Bei der Entwicklung der vielversprechendsten Leitstrukturen 70 und 71 wurden die Vorteile beider Ansätze kombiniert.
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The Compressed Baryonic Matter (CBM) experiment will explore the phase diagram of strongly interacting matter in the region of high net baryonic densities. The matter at these extreme conditions will be produced and studied in heavy-ion collisions with a fixed target set-up.
The present work is dedicated to the main component of the CBM experiment - the Silicon Tracking System (STS). The STS comprises of 8 tracking stations with 1292 double sided silicon microstrip sensors. The STS has to enable the reconstruction of up to 1000 charged particle tracks per nucleus-nucleus interaction at the rate of up to 10 MHz, provide a momentum resolution of Δp/p =1%, and withstand the radiation load of up to 1 x 1014 neq/cm2 (neq — radiation dose of 1 MeV neutron equivalent). Self-triggering read-out electronics will be located on the periphery of the detecting planes, and connected to the sensors with low mass micro-cables.
During the R&D phase, as well as in the pre-series and series production phase, the characterization of the sensors, of the front-end electronics and of the complete detector modules has to be performed. It is evident that characterization of more than 1000 silicon microstrip sensors and later of complete detector modules is very time-consuming, and may even damage the objects if not performed carefully. One of the goals of this work was to develop a systematic procedure for the quality assurance for the double-sided silicon microstrip sensors. This includes static optical inspection and visual tests, passive electrical test (such as leakage current, bulk capacitance, inter-strip capacitance & resistances, bias resistance and coupling capacitance), radiation hardness and long-term stability. A strategy for the quality assurance of these sensors is presented, defining the various tests to be performed and the documentation of the results. The techniques and quality assurance criteria will be applied for the pre-series and series production.
With decreasing feature size and increase in functionality and structures, the classical mechanical probe approach for internal fault detection and functional testing faces increasing challenges. In the field of silicon based chips and sensors there is rarely any analysis on the topic of non-invasive or contact-less probing and characterization, despite the fact that the contact-less probing is becoming more and more important as the fabrication technologies become smaller and more susceptible to the parasitic impact of mechanical probes. The silicon micro-strip double sided sensors used in STS have a complex structure, such as 1024 metal electrodes, 2048 bias resistors, 2048 DC pads and 4098 AC pads for probing, several guard rings, and even more in the 6.2 cm x 6.2 cm prototype sensor. Photo-intrusive technique is the best solution for the characterization and investigation of crucial parameters related to the detector operation and its functionality. A photo-intrusive probing is a method in which a non-invasive pulsed laser of a desired wavelength is used to inject the photon into the bulk and resulting in electron-hole pairs (e-h). In a completely depleted silicon sensor the charge injected (or generated) by the pulsed laser beam could be detected as current and shall be used for characterization.
A non-invasive contact-less Laser Test System (LTS) was developed based on a pulsed laser to investigate properties of the silicon sensors. The set-up is able to inject charge locally and scan sensors(or detector modules) with a pulsed infra-red laser driven by a step motor. The LTS is designed to measure sensor response in an automatized procedure at several thousand positions across the sensor with focused infra-
red laser light (spot size = 12 μm , wavelength = 1060 nm). The duration (10 ns) and power (5 mW) of the laser pulses are selected such that the absorption of the laser light in the 300 μm thick silicon sensors produces a number of about 24000 electrons, which is similar to the charge created by the minimum ionizing particles (MIP) in these sensors. The set-up was used to developed characterization procedures to determine the charge sharing between strips, and to measure a qualitative uniformity of the sensor response over the whole active area. The prototype sensors which are tested with the set-up are small prototype sensors (256 strips, pitch = 50 μm on each side) and full-size detector modules (1024 strips/side and pitch = 58 μm). They are read-out using a self-triggering prototype read-out electronic ASIC called n-XYTER. Laser scans for amplitude response, charge sharing in the inter-strip region, and spot-size determination technique are reported. For the verification of the some design parameters, unique methods of determining coupling capacitance, and inter-strip capacitance have been developed. The modules were also tested with proton beams, and the charge sharing in the inter-strip region has been compared to the laser test results.
Small molecule drug discovery is strongly supported by biophysical data. In the reach of this thesis, cell free protein expression was used to produce human target proteins for ligand binding assays using Surface Plasmon Resonance spectroscopy (SPR). In the second step the binding and interaction characteristics of small molecules and fragments were analyzed using Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy (NMR).
The first target protein was the human acid sensing channel 1 (ASIC1a). ASIC1a was expressed in a cell free expression system based on E.coli lysate. To optimize the expression, several parameters including fusion tags, ion concentrations and different hydrophobic environments were tested.
The adaption of the folding environment for ASIC1a needed more optimization, because it is a very challenging target to express in an in vitro system. Three different expression modes were employed to find a suitable folding environment.
SPR binding studies with ASIC1a were performed with chicken ASIC1a expressed in insect cells. The immobilization of cASIC1a and the used buffer conditions were tested using Psalmotoxin 1, a naturally occurring peptide venom which binds strong to the trimeric form of ASIC1a. Compound characterization experiments were performed with a variety of different ligands including amiloride, a general blocker of the whole ENaC protein family. None of the used ligands showed titration curves that would match a simple 1:1 binding model. The experiments either show no binding signal or signal that could be interpreted as unspecific binding. Even amiloride that should be binding the protein shows no signals that fit a simple binding model.
Another target protein that was investigated is the soluble prolyl cis/trans isomerase Cyclophilin D (or peptidyl prolyl isomerase F – PPIF). This protein is involved in the regulation of the mitochondrial permeability transition pore and therefore a potential drug target to treat neurodegenerative diseases. Small molecule binding was tested with CypD using SPR. Following the kinetic analysis of small molecule ligands, the binding position of different binding fragments was analyzed. These fragments originated from a SPR based fragment screen and gave no co-crystal structures with CypD. Therefore NMR was used to investigate the binding position of these fragments. An analysis of the chemical shift perturbations upon ligand addition revealed that the NMR analysis was in line with the results gathered by x-ray crystallography. The fragments with unknown binding position however, all bind to a specific patch slightly outside the binding pocket.
The ligand CL1 showed a special behavior in the NMR experiments. Upon addition to CypD, it produced large shifts on many signals of the protein, accompanied by a severe line broadening. The shift perturbations were so numerous and large that the spectrum had to be reassigned in complex with the ligand. Triple selective labeling was applied to allow a fast and nearly complete signal assignment. The possibility to use highly sophisticated labeling schemes, is one of the advantages of cell free protein expression. After the assignment of the complex spectrum, the chemical shift perturbations were analyzed and quantified. The residues showing the strongest CSPs are also identified in the crystal structure to be involved in the binding of CL1, giving a consistent picture. The numerous and large shift perturbations, produced by CL1 led to the assumption, that the ligand induces a conformational change in CypD, which is not represented in the co-crystal structure. This conformational change was characterized by a NMR based structure determination. CypD apo yielded a defined bundle, whose folded regions overlap well with the corresponding crystal structure.
For the calculation of the CypD-CL1 complex structure, the sidechain resonances were assigned using an automated assignment approach with the software FLYA. The calculation of the CypD-CL1 complex structure did not result in a defined bundle. While parts of the protein converge in a well folded state, the region around the active site shows no defined folding. Careful analysis of the structure calculation suggests that the problems during structure calculation did not originate from an incorrect resonance assignment, but rather from a lack of NOE crosspeaks. This might be due to a broadening of the corresponding NOE crosspeaks or the coexistence of many different conformations. This leads to the conclusion, that the protein conformation is not defined by the NMR data and could be in a dynamic interchange between multiple structures.
This hypothesis is supported by other observations. The line broadening of the signals in the complex is pronounced in the area around the active site and the substrate binding pocket, hinting to a connection between catalytic activity and protein dynamics. In addition many NMR signals are sensitive to changes in the measurement field strength and the temperature. This field dependent signal splitting suggests dynamic conformational changes in the protein between at least two different conformations on a millisecond timescale.
The current working model is that CL1 binds to CypD and induces the catalytic cycle and the connected conformational changes in CypD. As a result the proline like moiety in CL1 is constantly switching between the cis and the trans conformation. Due to the high affinity of CL1, the inhibitor does not leave the binding pocket after successful catalysis, but stays bound in the pocket stimulating further catalytic cycles. These findings as well as the working model are well in line with data published for Cyclophilin A, another member of the cyclophilin family, thereby supporting the model.
Goethe-Universität Frankfurt am Main : Annual report 2014 - 100 years of passion and commitment
(2015)
Pharmakophore sind ein zentrales Konzept der medizinischen Chemie. Im Liganden-basierten Design abstrahieren sie physikochemische Eigenschaften einer Menge aktiver Liganden und lassen dadurch Rückschlüsse auf die möglichen Interaktionen mit einem Target zu. Umgekehrt werden im Struktur-basierten Design Kristallstrukturen von Proteinen genutzt um zu modellieren, welche Eigenschaften die Bindetasche besitzt und welche Eigenschaften das entsprechende Gegenstück möglicher Liganden habe sollte. Diese Informationen können genutzt werden, um neue Substanzen zu identifizieren, welche die im Pharmakophore-Modell modellierten Interaktionen mit dem Target eingehen können. Durch die Abstraktion können hierbei sowohl Verbindungen mit neuen Grundgerüsten (scaffold) als auch mit veränderten funktionellen Gruppen gefunden werden. Im ersten Fall spricht man dabei von „scaffold hopping“, der letzte Fall ist eng verbunden mit dem Konzept des bioisosteren Ersatzes.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Pharmakophore genutzt, um in drei Studien neue Inhibitoren der Arachidonsäurekaskade zu finden. Die Arachidonsäurekaskade ist ein Stoffwechselweg in der aus Arachidonsäure eine Reihe von Lipidmediatoren synthetisiert wird. Viele dieser Mediatoren spielen eine entscheidende Rolle in Entzündungsprozessen und damit einhergehenden Krankheitsbildern. Es wurde außerdem eine neue Methode zur automatischen Generierung von Pharmakophor-Modellen aus einer Menge bekannter Liganden entwickelt.
In der ersten Studie wurde ein Struktur-basiertes Pharmakophor-Modell der Bindetasche der löslichen Epoxidhydrolase (sEH) erstellt, welches die möglichen, relevanten Interaktionsmöglichkeiten abbilden sollte. Dieses Pharmakophor-Modell wurde zum Screening einer Datenbank kommerziell erhältlicher Verbindungen genutzt und führte zu zwei Verbindungen mit IC50-Werten im niedrigen mikromolaren Bereich sowie einer dritten Verbindung mit einem bisher nicht für Inhibitoren der sEH beschriebenem Chemotyp. Zwar war diese Verbindung in höheren Konzentration unlöslich war, jedoch erreichten Derivate ebenfalls IC50-Werte im niedrigen mikromolaren Bereich und könnten als mögliche Startpunkte für eine neue Substanzklasse von sEH-Inhibitoren dienen.
In einer zweiten Studie wurde ein Liganden-basierter Ansatz gewählt um neue Inhibitoren der Leukotrien-A4 Hydrolase (LTA4H) zu suchen. Im Rahmen dieser Studie wurde außerdem eine neue Methode zur automatischen Generierung von Pharmakophor-Modellen entwickelt, welche auf einem wachsenden neuronalen Gas basiert, einer Methode aus dem Bereich des maschinellen Lernens. Die Methode wurde retrospektiv anhand mehrerer Benchmark-Datensätze validiert. Unter anderem wurde überprüft, inwiefern die Methode in der Lage ist die bioaktive Konformation eines Liganden vorherzusagen. Hierzu wurden, ausgehend von co-kristallisierten Liganden, automatisch Modelle generiert, welche im Anschluss genutzt wurden um Konformations-Datenbanken der Liganden zu durchsuchen. Je näher die beste gefundene Konformation an der co-kristallisierten Konformation lag, desto besser war das erzeugte Modell. Die entwickelte Methode war in nahezu allen Fällen in der Lage ein Modell zu erzeugen, mit welchem die durchschnittliche Abweichung zwischen co-kristallisierter und gefundener Konformation unter 2 Å lag. Im Rahmen der Studie wurde die neu entwickelte Methode auch in einem prospektiven Virtual Screening nach neuen Liganden der LTA4H genutzt. Hierzu wurden basierend auf 24 Kristallstrukturen mehrere Pharmakophor-Modelle für LTA4H-Liganden erstellt. Durch zusätzliche Nutzung des ESshape3D Fingerprints konnte außerdem die Form der Bindetasche der LTA4H erfasst werden. Diese Modelle wurden anschließend eingesetzt um eine Datenbank kommerziell erhältlicher Verbindungen zu durchsuchen und führten zur Identifizierung von zwei Substanzen mit IC50-Werten im unteren mikromolaren Bereich. Des Weiteren war die neue Methode in der Lage, den Bindemodus des genutzten Referenzinhibitors vorherzusagen, welcher durch Röntgenstrukturanalyse bestätigt wurde.
In zwei weiteren Studien wurde versucht, duale Inhibitoren der sEH und der 5-Lipoxygenase (5-LO) zu finden. Die erste dieser beiden Studien nutzte hierfür „duale“ Pharmakophor-Modelle: für beide Targets wurde basierend auf einer Vielzahl publizierter, aktiver Liganden eine Reihe von Pharmakophor-Modellen erstellt. Diese Modelle wurden paarweise miteinander verglichen; Modelle, welche eine ausreichend hohe Überlappung an Features besaßen, dienten als Ausgangspunkt für die Suche nach potentiell dualen Liganden. Durch die Suche in einer Fragment-Datenbank konnten neun Verbindungen identifiziert werden, welche eine Aktivität gegenüber einem der beiden Targets zeigten. Diese Verbindungen besaßen zum Teil noch nicht in der Literatur für sEH- oder 5 LO Inhibitoren beschriebene Strukturmerkmale. Eine der Verbindungen war außerdem in der Lage beide Targets im niedrigen mikromolaren Bereich zu inhibieren und könnte als Ausgangspunkt zur Entwicklung weiterer dualer 5-LO/sEH-Inhibitoren dienen. In der zweiten Studie wurde eine auf selbst-organisierenden Karten (SOM) basierende Methode genutzt um potentiell duale Liganden zu suchen. Hierzu wird je eine SOM mit repräsentativen (Sub-) Strukturen von Liganden beider Targets trainiert. Die DrugBank, eine Datenbank zugelassener Wirkstoffe, dient hierbei als Hintergrundverteilung und stellt den Raum wirkstoffartiger chemischer Strukturen dar. Durch einen automatischen Vergleich der trainierten SOMs können mögliche gemeinsame Substrukturen identifiziert werden. Die Anwendung dieser Methode auf bekannte Inhibitoren der sEH und der 5-LO identifizierte neun Fragmente, die auf einem der beiden Targets, sowie fünf Fragmente welche auf beiden Targets im niedrigen mikromolaren Bereich inhibierend wirken. Eine Substruktursuche nach einem dieser Fragmente in einer internen Datenbank lieferte eine Verbindung, welche beide Targets im nanomolaren Bereich inhibiert und eine vielversprechender Basis als Leitstruktur für die Entwicklung dualer 5-LO/sEH-Inhibitoren darstellt.
Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit mehrere Ansätze vorgestellt wie Pharmakophore in der Wirkstoffsuche eingesetzt werden können. Im Rahmen mehrerer Virtual Screenings konnten eine Reihe neuer Inhibitoren gefunden werden, einige mit nicht zuvor beschriebenen Strukturmerkmalen für das jeweilige Target. Es wurde außerdem eine neue Methode zur automatischen Generierung von Pharmakophor-Modellen entwickelt, welche sowohl retrospektiv als auch prospektiv validiert wurde.
Municipal wastewater contains nutrients valuable for a reuse in agriculture and can be the source of a multitude of chemicals used in private households and industry, too. As many of these chemicals are incompletely degraded during wastewater treatment, their residues remain partly in sewage sludge and partly in treated wastewater. Concerns are linked particularly to the so called micropollutants, i.e. anthropogenic organic substances such as personal care products, pharmaceuticals and biocides, for which scarce data on their degradability and environmental fate and particularly on their ecotoxicity are available. Thus, when reusing treated wastewater and sewage sludge for irrigation or as soil amendment for a sustainable land and water management, these wastewater-borne pollutants may enter soil, groundwater and surface water. The present work therefore aimed at assessing potential ecotoxic effects on aquatic and terrestrial organisms of reusing treated wastewater and sewage sludge. To this end, established as well as newly developed experimental approaches were used to investigate the problem on several levels. Individual wastewater-borne substances, samples from field study sites and samples from a soil column experiment simulating prolonged wastewater irrigation were examined.
At the start of the experimental work, the ecotoxicity of climbazole was characterised towards five aquatic and five terrestrial test organisms. Climbazole is an azole antimycotic agent applied in cosmetics and anti-dandruff shampoos and was recently detected in relatively high concentrations in treated wastewater and sewage sludge. In the present work climbazole was found to be particularly toxic towards plants such as water lentils with effective concentrations comparable to those of agricultural azole fungicides. Dwarfism, that is reduced shoot elongation observed in plants, pointed at a specific, phytohormone inhibiting mode of action of climbazole. Furthermore, the expected influence of the soil pH on the phytotoxicity of climbazole was experimentally confirmed.
Based on the findings for climbazole, two additional azole antimycotics, ketoconazole and fluconazole, and the regularly in sewage sludge detected biocide benzyldimethyldodecyl-ammonium chloride (BDDA) were investigated for their toxicity towards plants.
In aqueous medium, an increasing phytotoxicity from fluconazole to BDDA, ketoconazole and climbazole was observed, while in soil, phytotoxicity increased from BDDA to ketoconazole, climbazole and fluconazole. The relatively low terrestrial toxicity of BDDA and ketoconazole probably resulted from their strong binding to soil as well as their good biodegradability. To render the exposure scenario more realistic, sewage sludge was co-applied with the four test substances in a parallel test run. However, as no detectable influence on their effective concentrations was found, it can be assumed that the current practice of assessing sewage sludge borne substances with biotests in standard soil is sufficiently realistic. In a further study, different advanced sludge-treatment technologies were assessed for their efficacy in reducing pollutants. Results from the present work indicated that effects assessed in terrestrial short term biotests only seldom correlated with the concentrations of certain pollutants. Rather, a negative correlation of the stability of the sludges, determined by the ratio of volatile to total solids, to their ecotoxicity was seen.
Another aspect of the present work was the design and performance of an experimental approach to assess the environmental risk of a long-term irrigation with treated wastewater concerning the quality of soil and water in a prospective way, i.e. before the installation at field scale. For the simulation of a continuous irrigation corresponding to approximately 30 years, a percolation apparatus was developed and four different soils were percolated with treated wastewater for three months. Acute and chronic biotests with nine test organisms from different trophic levels (green algae, water lentils and water fleas as well as oilseed rape, oats, bacteria, spring tails, enchytraeids and earthworms) were used to assess the soil percolates as well as the soils with and without percolation. These investigations were accompanied by a comprehensive chemical monitoring conducted by project partners. Results indicated that the soil passage, that is the percolation through the soil, generally improved the quality of the treated wastewater as habitat for aquatic organisms which was visible by a reduction of its phytotoxicity. However, in some cases it deteriorated the water quality, probably resulting from the leaching of metals from pre-contaminated soil. A deteriorated habitat quality of the soil after the percolation with treated wastewater was observed for several test organisms and soils. In the same, mainly peaty soils, the highest accumulation of wastewater-borne micropollutants and of zinc was measured. Yet, their concentrations did not correlate to the observed biological effects. Moreover, data on ecotoxicity were only available for a small fraction of the detected substances so that their concentrations could not successfully be used to predict expected biological effects.
The experimental approach used in the present work demonstrated to be an adequate tool to support the prospective evaluation of environmental risks of treated wastewater irrigation. Overall, it can be concluded that the reuse of treated wastewater on soil can improve the quality of treated wastewater but that this can come at the cost of deteriorating the quality of the soil. As these risks cannot be generalised, a comprehensive biotest battery as well as chemical analysis should be used to assess them on a case-specific basis for each respective wastewater and the respective soil.
Seit mehr als 200 Jahren gibt es durch die Wissenschaftler der Wetterstation auf dem Hohenpeißenberg systematische Wetterbeobachtungen, doch erst seit wenigen Jahren gibt es unter den Klimaforschern einen Konsens, dass sich das Klima durch anthropogene Einflüsse schon verändert hat – und weiter verändern wird. Die bisherigen Auswirkungen, wie zum Beispiel ein globaler Temperaturanstieg von 0,85°C seit Beginn der Industrialisierung, sind heute gut belegbar. Mögliche zukünftige Entwicklungen des Klimas werden heute ebenso erforscht wie die Auswirkungen des Klimawandels auf Mensch und Umwelt. Zu diesen Auswirkungen gehören unter anderem Folgen für die Landwirtschaft. Durch veränderte Niederschläge und den Temperaturanstieg werden sich die Lebensbedingungen von Bodenorganismen und Anbaubedingungen für Pflanzen ändern. Letztendlich ist aufgrund dieser Veränderungen auch ein verstärkter Einsatz von Pestiziden zu erwarten. Allerdings wurde bisher kaum untersucht, ob der Einsatz von Pestiziden in der Landwirtschaft unter den Bedingungen des Klimawandels (konkret durch die Interaktion von klimatischen und chemischen Faktoren) ein erhöhtes Umweltrisiko für Bodenorganismen darstellt. Bisher werden klimatische Faktoren bei den Tests für die Zulassung von Pestiziden nicht berücksichtigt.
Daher wurde diese Fragestellung in der hier vorliegenden Dissertation am Beispiel der Effekte von zwei zugelassenen Pestiziden auf Bodenorganismen unter verschiedenen klimatischen Bedingungen untersucht. Konkret wurden dazu mit Labor- und Halbfreilandversuchen die Wirkung eines Insektizids und eines Fungizids in Interaktion von Temperatur und Bodenfeuchte auf Vertreter zweier Invertebratengruppen (Collembola: zwei Arten; Enchytraeidae: eine Art) untersucht.
In einem modifizierten Standardtest mit Collembolen erhöhte sich die Toxizität des Insektizids Lambda-Cyhalothrin, wenn die Exposition der beiden Arten bei einer erhöhten Bodenfeuchte stattfindet. Die kühl adaptierte Art Folsomia candida reagierte bei erhöhter Testtemperatur am empfindlichsten auf diese Testsubstanz: Die EC50 aus diesem Experiment lag bei 2,84 mg (a.s.)/kg Boden Trockengewicht (dw). Unter Standardbedingungen, wie sie in Tests für die Zulassung von Pestiziden angewandt werden, lag die EC50 von F. candida dagegen bei 8,65 mg a.s./kg dw.
Unter den gleichen Versuchsbedingungen wurde auch das Fungizid Pyrimethanil an Collembolen getestet. Hier erwies sich die Testsubstanz für beide Arten bei
gleichzeitigem Trockenstress und / oder erhöhter Temperatur als toxischer im Vergleich zu den Standard-Testbedingungen. Dabei zeigte F. candida mit einer EC50 von 28,3 mg a.s./kg dw die höchste Empfindlichkeit. Ohne die veränderten klimatischen Faktoren, betrug die EC50 von F. candida 52,3 mg a.s./kg dw.
In Reproduktionstests mit der Enchytraeen-Art Enchytraeus bigeminus wurde die Bodenfeuchte als klimatischer Faktor in Kombination mit jeweils einer Testsubstanz untersucht. Bei beiden Chemikalien reagierte E. bigeminus in trockenem Boden empfindlicher. Die ermittelten EC50 betrugen 1,34 mg a.s./kg dw für Lambda-Cyhalothrin und 437 mg a.s./kg dw für Pyrimethanil. Getestet unter Standardbedingungen lagen die EC50-Werte bei 3,79 bzw. 499 mg a.s./kg dw.
Neben den Laborexperimenten wurden Tests in „Terrestrischen Modellökosystemen“ (TME) mit den gleichen Chemikalien in Kombination mit variierender Bodenfeuchte als klimatischer Faktor vorgenommen. Diese Experimente wurden in Deutschland und in Portugal durchgeführt, um die Reaktion einer zentraleuropäischen und einer mediterranen Artengemeinschaft zu untersuchen. Aus der terrestrischen Lebensgemeinschaft wurden verschiedene Organismengruppen untersucht. Die Effekte auf Enchytraeen aus dem Experiment mit Pyrimethanil waren als Veröffentlichung Teil dieser Dissertation. In der portugiesischen Halbfreilandstudie wurden keine Effekte auf die Enchytraeen durch Pyrimethanil bei umweltrelevanten Konzentrationen festgestellt, jedoch beeinflusste die Bodenfeuchte die Zusammensetzung der Artengemeinschaft. Im deutschen TME-Experiment wurde eine verstärkte Wirkung des Fungizids in trockenem Boden festgestellt, d.h. die jeweiligen Effektkonzentrationen (niedrigste EC50 3,48 mg a.s./kg dw für Fridericia connata in trockenem Boden) lagen deutlich unterhalb der aus den Labortests mit Enchytraeus bigeminus bekannten Werten (499 mg a.s./kg dw).
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass klimatische Faktoren die Effekte von Pflanzenschutzmittel auf Bodenorganismen beeinflussen können. Für Laborversuche ist eine generelle Berücksichtigung von klimatischen Faktoren im Zulassungsverfahren aus heutiger Sicht zu weit gegriffen. Die TME-Versuche zeigten sich als geeignetes Testverfahren, interaktive Effekte von Pestiziden und Klima bzw. multiplen Stressoren generell auf Artengemeinschaften zu untersuchen. Für TME-Experimente wäre unter Beachtung der Vielzahl möglicher Fragestellungen, Endpunkte und moderner statistischer Auswerteverfahren eine internationale Richtlinie wünschenswert.
Das Tip-of-the-Tongue-Phänomen (TOT) bildet neben Pausen und Versprechern eine weitere Störungsklasse der Sprachproduktion. Im TOT-Zustand kann auf semantische (Konzept) und syntaktische Informationen (Lemma) zugegriffen werden, aber nur begrenzt auf phonologische Informationen (Lexem). Die komplette Wortform bleibt verborgen. Um TOTs im Labor zu evozieren, wurden Definitionen auf einem Computerbildschirm präsentiert, z. B. „ständig umlaufender Aufzug ohne Tür“ für Paternoster. Die Probanden gaben über die Computertastatur an, ob sie das Wort kennen und benennen können (JA), das gesuchte Wort nicht kennen (NEIN) oder es ihnen auf der Zunge liegt (TOT). Im TOT-Zustand wurde ein Cue visuell präsentiert. Beim Cueing-Verfahren wurden bisher Silben-Cues in Wörter bzw. Pseudowörter eingebettet und diese innerhalb von Wortlisten dargeboten, um die Auflösung eines TOTs zu manipulieren. In den vorliegenden Studien wurden die Silben-Cues isoliert präsentiert. Der Vorteil besteht darin, dass eine Silbe per se keine semantischen (Wortbedeutung) und syntaktischen Informationen (Wortart) enthält. Die Präsentation isolierter korrekter, inkorrekter und erweiterter Silben ist neu in der TOT-Forschung. Außerdem bietet die vorliegende Arbeit die erste Studie sowohl im Cueing-Paradigma als auch im Bereich der Reaktionszeitmessung (RT) zu TOTs im Deutschen.
Im Pre-Test wurden die Definitionen vorgetestet. In den beiden Pilotstudien wurden das Design für die Reaktionszeitmessung evaluiert und weitere Definitionen gesammelt und überprüft. Im ersten Experiment zeigte sich, dass mit der korrekten Silbe (z. B. Pa für Paternoster) die TOTs etwa doppelt so schnell aufgelöst werden konnten als mit einer inkorrekten Silbe (z. B. Ko) und der Kontrollbedingung (xxx). Die korrekte Silbe führte außerdem zu signifikant mehr akkuraten Antworten im Vergleich zu den beiden anderen Bedingungen. Die inkorrekte Silbe hat die TOT-Auflösung zwar nicht blockiert (nicht mehr inakkurate Antworten), aber gehemmt: Die Anzahl an akkuraten Antworten wurde reduziert und die Anzahl an unaufgelösten TOTs erhöht. Im zweiten Experiment wurde demonstriert, dass die erweiterte Silbe (z. B. Pat für Paternoster) die TOT-Auflösung im Vergleich zur regulären Silbe sowohl signifikant beschleunigte (kürzere RTs) als auch signifikant verstärkte (mehr akkurate Antworten). Dies lässt sich mit dem segmentalen Überlappungseffekt erklären. Die Ergebnisse der vorliegenden Studien unterstützen Sprachproduktionsmodelle, die einen interaktiven Aktivierungsfluss haben und eine Silben-Ebene unterhalb der Phonem-Ebene annehmen.
The PANDA experiment at FAIR will study fundamental questions of strong interaction with high precision. Effcient particle identification for a wide momentum range and the full solid angle is required for successful reconstruction of the benchmark channels of the broad PANDA physics program. For this purpose a compact ring imaging Cherenkov detector is being developed for the barrel region of the PANDA detector. The concept and the baseline design of the PANDA Barrel DIRC were inspired by the BABAR DIRC and improved with important modifications, like fast photon timing, a compact expansion volume, and focusing optics. The required detector resolution was defined based on the PANDA PID specifications using the phase space distributions of the final state kaons produced in selected benchmark channels. To optimize the PANDA Barrel DIRC design in terms of performance and cost the baseline detector geometry and a number of design options were implemented in the simulation. The key options include the radiator dimensions, two types of expansion volume shapes, and a variety of focusing systems. The performance of the detector designs was quantified in terms of single photon Cherenkov angle resolution and photon yield. It was found that the number of radiators can be reduced by about 40% without loss in performance. A compound spherical lens without air gap was found to be a promising focusing system. An optimized Barrel DIRC design meeting the PID requirements includes three radiator bars per at section, the compound lens without air gap, a compact prism-shaped EV, and a total of 192 Microchannel-Plate PMTs as photosensors. The number of electronic channels can be halved without loss in performance by combining two neighbouring pixels. For such a detector design the total cost will be significantly reduced compared to the baseline version while still meeting or exceeding the PANDA PID performance goals.
MoSyD-Jahresbericht 2014 : Drogentrends in Frankfurt am Main : Monitoring-System Drogentrends
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