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Rotary adenosine triphosphate (ATP)ases are ubiquitous, membrane-bound enzyme complexes involved in biological energy conversion. The first subtype, the so-called F1Fo ATP synthase, predominantly functions as an ATP synthesizing machinery in most bacteria, mitochondria and chloroplasts. The vacuolar subtype of enzyme, the V1Vo ATPase, operates as an ATP driven ion pump in eukaryotic membranes. The subtype found in archaea and some bacteria is called A1Ao ATP (synth)ase and is capable of working in both directions either to synthesize ATP or to generate an ion motive force by consuming the same.
All the three above-mentioned subtypes of rotary ATPases work as nanomolecular machines sharing a conserved mechanism to perform the energy conservation process. The simplest form of these enzymes is the bacterial F1Fo ATP synthase. Here, ions are channelled via the membrane stator subunit a to the rotor ring of the enzyme. After almost a complete rotation of the ring the ions are released again on the other side of the membrane. This rotation is further transmitted via the central stalk to the soluble part of the enzyme, the F1-complex, where conformational changes within the nucleotide binding sites result in the synthesis of ATP from ADP and Pi.
The rotor or c-ring of the enzyme is the key protein complex in mediating transmembrane ion translocation. Several structural and biochemical methods have been applied in the past years to study the rotor rings from many different organisms. The results revealed that the stoichiometry of a c-ring of a given species is constant while it can vary between different species within a range of 8 to 15 c subunits. The c-ring stoichiometry determines directly the number of ions transported through Fo per rotation whereby three molecules of ATP are concurrently synthesized in the water-soluble F1 headgroup. Hence the number of c subunits has an important influence on the bioenergetics of the corresponding enzyme and thus the entire organism.
The c-ring of a rotary ATPase is able to specifically bind either protons (H+) or sodium ions (Na+) as the coupling ion for the enzyme. Several structures are already available revealing the coordination network of both types of rotor rings. In each case ion binding includes a highly-conserved carboxylic acid residue (glutamate or aspartate), in addition to a more varying combination of amino acid residues, whereby Na+ coordination is structurally more demanding than H+ binding.
In the first part of my PhD thesis, I aimed to characterize the F1Fo ATP synthase rotor ring of the opportunistic pathogenic bacterium Fusobacterium nucleatum on a functional and structural level. F. nucleatum is an anaerobic bacterium which uses peptides and amino acids as a primary energy source. It is one of the most frequently occuring bacteria in human body infections and involved in human periodontal diseases.
The protein complex was heterologously expressed within a hybrid ATP synthase in Escherichia coli and purified without an affinity tag for further analysis. Two high resolution X-ray structures of the c-ring were solved at low (5.3) and high (8.7) pH to 2.2 and 2.64 Å, respectively. In both structures, the conserved glutamate is in an ion-locked conformation, revealing that the conformational state of the ion binding carboxylate is not depending on the pH of the crystallization condition, which is in good agreement with previous structural and biochemical studies of other c-rings.
A Na+ ion is present within the c-ring binding site and directly coordinated by four amino acid residues and a structural water molecule. Remarkably, the Na+ is bound by two glutamate residues instead of one as is the case in the I. tartaricus Na+ binding c-ring, of which the first high resolution X-ray structure of a c-ring has been solved in 2005. Thus, a new type of Na+ coordination in an ATP synthase rotor ring with a two-carboxylate ion binding motif is described here, which also occurs in other bacteria, including several pathogens. Na+ specificity of the investigated c-ring was further confirmed by a competitive biochemical labeling reaction performed with a fluorescent ATP synthase inhibitor molecule (N-cyclohexyl-N`-[4(dimethylamino)-α-naphtyl] carbodiimide, NCD-4).
We furthermore complemented our functional and structural data of the F. nucleatum c-ring by computational studies to explore the ion translocation mechanism of this enzyme in more details. We therefore analyzed the protonation state of the second, additional glutamate in the ion binding site. Molecular dynamics (MD) simulations and free-energy calculations indicated that this glutamate is constitutively protonated, in the ion-locked as well as in a simulated, more hydrated open-conformation of the ion binding glutamate as when it is travelling through the a/c-ring interface upon c-ring rotation.
Resistance in glucocorticoid-induced apoptosis is associated with poor prognosis for long term survival in childhood acute lymphoblastic leukemia (ALL). As Smac mimetics have been shown to reactivate apoptosis by antagonizing Inhibitor of Apoptosis (IAP) proteins, we investigate the potential of the Smac mimetic BV6 to overcome glucocorticoid-resistance in ALL. This study shows that BV6 synergistically cooperates with glucocorticoids to trigger apoptosis and to suppress clonogenic growth of pediatric ALL cells. Of note, the BV6/glucocorticoid combination treatment also induces cell death in cells having defects in the apoptotic signaling cascade by inducing a switch from apoptotic to necroptotic cell death. The clinical relevance of our novel combination treatment is underscored by parallel experiments in primary pediatric ALL samples, in which glucocorticoids and BV6 act together to induce cell death in a synergistic manner. Importantly, the addition of BV6 enhances the anti-leukemic effects of glucocorticoids in an in vivo mouse model of pediatric ALL without causing substantial side effects, highlighting the potency of a BV6/glucocorticoid combination treatment. In contrast, BV6 does not increase cytotoxicity of glucocorticoids against several non-malignant cell types of the lympho-hematopoietic system. Furthermore, we have identified the novel underlying mechanism of BV6/glucocorticoid-induced apoptosis by showing that BV6 and glucocorticoids synergistically act together to promote assembly of the ripoptosome, a RIP1/FADD/caspase-8-containing cell death complex. Ripoptosome assembly is critically required for BV6/Dexamethasone-induced cell death, since genetic silencing of its members, i.e. RIP1, reduces ROS production, caspase activation and most importantly cell death induction. BV6/glucocorticoid combination treatment promotes ripoptosome assembly by inhibition of both of its negative regulators, IAP proteins and cFLIP. Thus, we identify that BV6 and glucocorticoids cooperate together to reduce cIAP1, cIAP2 and XIAP protein levels and cFLIP expression. Ripoptosome formation occurs independently of autocrine/paracrine loops of death receptor ligands, since blocking antibodies for TNFα, TRAIL or CD95L or genetic silencing of their corresponding receptors fail to rescue BV6/glucocorticoid-induced cell death. In summary, this study shows that the Smac mimetic BV6 sensitizes for glucocorticoid-induced apoptosis by promoting ripoptosome assembly with important implications for the treatment of childhood ALL.
Patienten mit einer BCR/ABL positiven (Ph+) akuten lymphatischen Leukämie (ALL) bilden die größte genetisch definierte Untergruppe der ALL und gelten wegen ihrer schlechten Prognose als Höchstrisiko ALL. Die bisherigen Therapieergebnisse werden durch die Kombination von Tyrosin-Kinase-Inhibitoren (TKI) wie Imatinib und Chemotherapeutika verbessert, sind aber durch das Auftreten von Resistenzen gegen TKI in ihrer langfristigen Wirkung limitiert. Die derzeitige Forschung fokussiert sich weitestgehend auf konstitutive aktive Kinasen, die für die leukämische Transformation verantwortlich sind. Allerdings kann die Deregulation von Phosphatasen, die als Gegenspieler von Kinasen fungieren, durch eine verminderte Inaktivierung dieser Kinasen, ebenso zur Leukämogenese beitragen, indem ihre physiologische Funktion vermindert wird. Im Vorfeld konnte bereits gezeigt werden, dass die deregulierte Protein Tyrosin Phosphatase 1B (PTP1B) bei Ph+ Leukämien eine partielle Resistenz gegenüber TKI vermitteln kann.1 Darüber hinaus zeigen von Juric et al. (2007)2 publizierte Microarrays von 54 Ph+ ALL Patienten eine transkriptionelle Hochregulierung der Phosphatase „Supressor of T-Cell receptor Signalling 1“ (STS-1).2 STS-1 (TULA-2) gehört zusammen mit STS-2 (TULA-1) zur Familie der STS/TULA Proteine, von denen keine weiteren Mitglieder bekannt sind. STS-1 dephosphoryliert diverse Rezeptor-Tyrosin-Kinasen wie z.B. den T-Cell Receptor (TCR) und den Epidermal-Growth-Factor Receptor (EGFR) und verhindert somit deren Internalisierung und proteosomalen Abbau.3 Weitere durch STS-1 dephosphorylierte Substrate sind die Proteintyrosinkinase Syk, die eine wichtige Rolle bei der Signalweiterleitung des B-Cell-Receptors (BCR) spielt sowie andere SRC-Kinasen (z.B. FYN).4 Aufgrund der oben beschriebenen Zusammenhänge zwischen STS-1 und der Ph+ ALL ist die Untersuchung einer möglichen funktionellen Bedeutung von STS-1 bei der Entwicklung einer mutationsunabhängigen Resistenz von Ph+ ALL Inhalt dieser Arbeit. Als Modellsystem dienen in der hier vorliegenden Arbeit aus der BCR/ABL Zelllinie Sup B15 abgeleitete TKI resistente Zellen (Sup B15 RT). Imatinib ist in diesen immer noch in der Lage BCR/ABL zu binden und führt zu einer Verschiebung der Dosiswirkungskurve ohne Apoptose zu induzieren. Mutationen in der Tyrosinkinase Domäne von BCR/ABL konnten als zugrunde liegender Resistenzmechanismus durch Sequenzanalysen ausgeschlossen werden, ebenso wie zusätzliche Translokationen oder genomischen Amplifikationen von BCR/ABL. Eine Analyse der STS-1 Expression zeigte sowohl transkriptionell als auch auf Proteinebene eine deutliche Herunterregulierung von STS-1 in Sup B15 RT Zellen. Die Interaktion zwischen STS-1 und BCR/ABL wurde in verschiedenen Zellmodellen gezeigt. Dabei konnten bezüglich der Interaktion keine Unterschiede zwischen dem p210BCR/ABL und p185BCR/ABL Fusionsprotein festgestellt werden. Auch die „Gatekeeper“ Mutation T315I hatte keinen Einfluss auf die Interaktion. Die Unabhängigkeit der Bindung von STS-1 und BCR/ABL von einer aktiven BCR/ABL Kinase wurde durch die Zugabe von Imatinib gezeigt. Lediglich auf endogenem Level konnte eine Imatinib vermittelte Reduktion der Interaktion nachgewiesen werden. Durch die Verwendung unterschiedlich trunkierter BCR/ABL Proteine wurde gezeigt, dass STS-1 sowohl mit c-ABL als auch mit dem ABL-Anteil von BCR/ABL interagiert und dass eine Oligomerisierung für diese Interaktion nicht notwendig ist. Als Folge der Interaktion kommt es zu einer Dephosphorylierung von BCR/ABL durch STS-1, wobei vor allem die im ABL Anteil lokalisierten und für die Autophosphorylierung wichtigen Tyrosine 245 und 412 dephosphoryliert werden. Mittels eines Proliferations-Kompetitions-Assay konnte gezeigt werden, dass STS-1 sowohl die Proliferationsrate reduziert als auch erheblich die Sensitivität von SupB15 RT Zellen gegenüber Imatinib steigert. Dieser Befund steht im Einklang mit der Annahme, dass diese Sensitivitätssteigerung durch eine gegenüber den sensitiven Sup B15 WT deutlich verminderte STS-1 Expression bedingt ist. Dexamethason in klinisch relevanten Konzentrationen (10-6 M - 10-9 M) konnte sowohl in SupB15 WT als auch in SupB15 RT Zellen die STS-1 Expression um ein Vielfaches steigern und führte in Kombination mit 1 μM Imatinib sogar in den resistenten Zellen zu einer hoch signifikanten Inhibition der Proliferation sowie einer gesteigerten Apoptose. Die Resultate dieser Arbeit rücken Phosphatasen und im speziellen STS-1 in einen stärkeren Fokus, wenn es um die Bildung von Resistenzen geht. Dadurch können sich eine Vielzahl neuer Behandlungsstrategien sowie neue Ansätze für die klinische Wirkstoffforschung ergeben.
Die hier vorliegende Dissertation befasst sich mit der Synthese von Naturstoffen aus Xenorhabdus und Photorhabdus spp. Da 6,0 - 7,5% ihres Genoms Sekundärmetabolit Clustern zuzuordnen sind, gelten diese entomopathogenen Bakterien als vielversprechende Naturstoffproduzenten. Die Palette der von ihnen produzierten Naturstoffe reicht von Antibiotika über Insektizide bis hin zu potentiellen Zytostatika. Die im Rahmen dieser Arbeit synthetisierten und charakterisierten Substanzen lassen sich in vier Kategorien einteilen: kleine Sekundärmetabolite (Phurealipide), zyklische Makrolaktame (Xenotetrapeptide, GameXPeptide und Ambactin), zyklische Makrolaktone (Szentiamide, Xentrivalpeptide und Xenephematide) und methylierte lineare Peptide (Rhabdopeptide und Rhabdopeptid-ähnliche Moleküle).
Terézia Mora zählt zu den renommiertesten Übersetzerinnen aus dem Ungarischen und erhielt für ihr schriftstellerisches Werk bereits zahlreiche Auszeichnungen. Ihr literarisches Debüt, der Erzählband Seltsame Materie (1999) wurde sowohl mit dem Ingeborg-Bachmann-Preis (1999) als auch mit dem Adelbert-von-Chamisso-Förderpreis im Jahr 2000 bedacht. Ihr Romandebüt Alle Tage (2004) wurde unter anderem mit dem Mara-Cassens-Preis ausgezeichnet. 2009 erschien der erste Teilband der angekündigten Trilogie um den Protagonisten Darius Kopp Der einzige Mann auf dem Kontinent. Es folgte 2013 der zweite Teil Das Ungeheuer, für welchen Terézia Mora den Deutschen Buchpreis im selben Jahr erhielt.
In ihrer Laudatio im März 2010, anlässlich der Verleihung des Adelbert-von-Chamisso Preises, bezeichnet Sigrid Löffler Terézia Mora nicht nur als herausragende Übersetzerin, sondern auch als Schriftstellerin, die ihre „Herkunftsregion literaturfähig“ gemacht habe...
Ziel dieser Arbeit, die im Rahmen der Ice Nuclei Research Unit (INUIT) Forschergruppe erstellt wurde, war ursprünglich die saisonale und geographische Variabilität von bodennahen Eiskeimen zu untersuchen. Die Konzentrationen, Quellen und Zusammensetzung der Eisnuklei (ice nuclei, IN) sollte als Basis für Parametrisierungen dienen. Das Verständnis von Eiskeimen und deren Einfluss auf Wetter und Klima sind nur zum Teil bekannt und bedürfen daher noch weitgehender Forschung. Auch die Änderung der Eiskeimkonzentration mit der Zeit kann von Bedeutung sein, diese sollte durch die Fortführung einer Langzeitmessreihe untersucht werden. Durch Hinzuziehen von lokalen Parametern und Trajektorien sollten Proxies für die IN Konzentration ermittelt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit taten sich jedoch Probleme am Messverfahren auf, weshalb die ursprünglichen Ziele in den Hintergrund gerieten und die Verbesserung und Neuaufnahme des Messverfahrens in den Vordergrund trat. Anhand von zielgerichteten Experimenten wurde ein Messfehler ermittelt, der durch die vorherige Fehlinterpretation von deliqueszierenden Partikeln und von Tröpfchen als vermeintliche Eiskristalle entstand. Dieser Fehler wurde charakterisiert und durch optische Analysen dessen Ursprung ermittelt. Datensätze, die durch diese hygroskopischen Partikel fehlerbehaftet waren, wurden korrigiert und reanalysiert. Ein in früheren Arbeiten am Taunus Observatorium/Kleiner Feldberg ermittelter Jahresgang in der Eiskeimkonzentration mit einem Maximum im Sommer und einem Minimum im Winter konnte bestätigt werden, die Absolutzahlen sind jedoch deutlich geringer als bisher angenommen. Lokale Parameter sowie Trajektorien wurden zur weiteren Analyse hinzugezogen.
Die Reevaluierung der Datensätze vom Taunus Observatorium führte zu keinem abschließenden Ergebnis. Ein allgemein gültiger Zusammenhang zwischen Eiskeimkonzentration und Parametern, welche das Staubvorkommen in der Atmosphäre quantifizieren (PM10 und Aerosol Optische Dicke), konnte nicht festgestellt werden. Da die Messungen bei relativ warmen Bedingungen (≥-18°C) durchgeführt wurden, Staub aber erst bei kälteren Temperaturen als effektiver Eiskeim gilt, ist dieses Ergebnis jedoch zu erwarten gewesen.
Auch die Luftmassenherkunft scheint keinen eindeutigen Einfluss zu haben. Betrachtungen der Bodenfeuchte lieferten signifikante Korrelationen, welche jedoch monatsabhängig positiv oder negativ ausfallen können. Im Frühling ist eine hohe Bodenfeuchte mit einer erhöhten Konzentration von IN in Verbindung zu bringen, im Sommer liegt bei niedriger Bodenfeuchte eine tendenziell höhere Eiskeimkonzentration vor. Die Windrichtung hat für die Eiskeimkonzentration einen Einfluss, wenn der Wind aus Südost zum Taunus Observatorium strömt. Anthropogenes Aerosol aus Frankfurt am Main hemmt hier vermutlich die Eisbildung, was zu einer signifikant niedrigeren mittleren Konzentration aus dieser Richtung führt.
Da das Messverfahren noch nicht in seinem vollen Potential genutzt wurde, wurde es um eine Analysemethode erweitert. Mittels Tröpfchengefrierexperimenten konnte ein weiterer Gefriermodus betrachtet werden. Nun deckt das hier genutzte Messverfahren drei der vier bekannten Gefriermoden ab. Anhand von Testsubstanzen wurde die Zuverlässigkeit der neu eingeführten Methode überprüft und nachgewiesen.
Erste Parallelproben der korrigierten Depositions- und Kondensationsgefriermessmethode und der neu eingeführten Immersionsgefriermessung wurden am Taunus Observatorium/Kleiner Feldberg genommen. Dabei wurde auch ein Staubereignis beprobt und detailliert ausgewertet. Zwischen lokalen Parametern und Eiskeimkonzentration fanden sich Zusammenhänge. Bei Messbedingungen <-20°C konnte ein signifikanter Zusammenhang zwischen PM10 und Eiskeimkonzentration im Immersions- und Kondensationsmodus gefunden werden. Der Depositionsgefriermodus blieb unauffällig. Zwischen Bodenfeuchte und IN-Konzentration konnten ebenfalls wie bei der Reevaluierung der alten Messdaten Signifikanzen festgestellt werden.
Die neu eingeführte Immersionsmessmethode und die korrigierte Methode zur Bestimmung von Depositions- und Kondensationsgefrierkernen liefern Messdaten, welche im Bereich anderer Eiskeimzähler liegen. Vergleiche mit Parametrisierungen zeigen, dass die Messwerte dem aktuellen Stand der Forschung entsprechen und davon ausgegangen werden kann, dass sie vertrauenswürdig und belastbar sind.
During my thesis, I worked on two different membrane proteins. One is a bacterial secondary transporter and the second is a human mitochondrial calcium channel.
The first part of my thesis involves the structural and biochemical characterization of an L-carnitine/ γ-butyrobetaine antiporter from bacteria called CaiT. The aim of the project was to understand the Na+ independence of CaiT and to determine the crystal structures of CaiT in different conformations to expand the mechanistic understanding of substrate/ product antiport in CaiT.
The study revealed how a positively charged amino acid side chain (arginine 262) in CaiT could structurally and functionally mimic a sodium ion. Additionally, various crystal structures of CaiT obtained in this study demonstrate that the central substrate-binding site is highly dynamic and can accommodate the substrate in various orientations.
In the second part of my thesis, I was able to optimize the expression and purification conditions for the human mitochondrial calcium uniporter or the MCU. Understanding how this channel functions can help us unravel the mechanism of calcium uptake by mitochondria. Secondary structure prediction analysis in combination with mass spectrometry of degraded MCU products obtained during the purification of the full-length protein led to the identification of a stable MCU construct. This study resulted in the successful purification of milligram quantities of stable MCU protein for the first time. Further optimization may be required to obtain more homogenous protein that is amenable for crystallization.
Effiziente kryptographische Algorithmen sind ein wichtiger Grundstein für viele neue Anwendungen, wie zum Beispiel das Internet der Dinge (IoT) oder kontaktlose Zahlungssysteme. Daher ist es wichtig, dass neue Algorithmen mit verbesserten Sicherheitseigenschaften und speziellen Leistungseigenschaften entwickelt und analysiert werden. Ein Beispiel ist der aktuelle Trend zu leichtgewichtigen Algorithmen. Diese Entwicklungen erleichtern die Implementierung neuartiger Systeme und ermöglichen auch einen Schutz von bestehenden Systemen durch eine Anpassung auf den neuesten Stand der Technik. Neben der kryptologischen Analyse, ist die Bewertung von Implementierungs-Aspekten sehr wichtig, damit eine realistische Einschätzung der erzielbaren Leistung möglich ist.
Daher müssen für jeden neuen Algorithmus unterschiedliche Software- und Hardwarearchitekturen evaluiert werden. Die systematische Bewertung von Software-Implementierungen für unterschiedliche Hardware-Architekturen hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht, zum Beispiel durch den SHA-3 Wettbewerb. Im Vergleich dazu ist die Evaluation für Hardware-Plattformen wie z.B. FPGAs weiterhin sehr zeitaufwendig und fehleranfällig. Dies liegt an vielen Faktoren, z.B. an den mannigfaltigen Möglichkeiten der verschiedenen Zieltechnologien. Ein möglicher Verbesserungsansatz besteht darin, die Bewertung mit einem abstrakteren Ansatz zu beginnen, um interessante Architekturen und Implementierungen anhand von theoretischen Eigenschaften auszuwählen.
Der erste Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung einer abstrakten Bewertungsmethodik, die auf einem theoretischen Modell von getakteten Schaltungen basiert. Das Modell verbessert das Verständnis von Grundeigenschaften dieser Schaltungen und erleichtert auch die abstrakte Modellierung von Architekturen für einen spezifischen Algorithmus. Wenn mehrere verschiedene Architekturen für den gleichen Algorithmus ausgewertet werden, ist es auch möglich zu bestimmen, ob ein Algorithmus gut skaliert. Beispielsweise können Auswirkungen einer Verkleinerung des Datenpfades auf die Größe des Speicherverbrauchs analysiert werden. Basierend auf der entwickelten Methodik können wichtige Eigenschaften, wie der Speicherbedarf, die Anzahl an Taktzyklen oder die Pipeline-Tiefe systematisch bewertet werden. Damit kann eine grobe Schätzung für die Effektivtät einer Architektur abgeleitet werden.
Die Performance-Abschätzung wird auch durch ein theoretisches Konzept der Optimalität der Anzahl an Taktzyklen untermauert. Optimal in diesem Sinne ist eine Architektur, wenn sie verzögerungsfrei ist, d.h. keine Wartezyklen benötigt. Durch die Betrachtung von Datenabhängigkeiten zwischen den einzelnen Runden kann eine minimale und maximale Anzahl an Taktzyklen ermittelt werden. Eine Verletzung dieser Grenzen würde bedeuten, dass die Berechnung der Runden-Funktion nicht alle Ausgangs-Bits produziert hat, wenn diese für die nächste Runde benötigt werden und somit würden Wartezyklen entstehen.
Der zweite Beitrag der Dissertation nutzt die Analysemethodik für mehrere Hash-Funktion. Es werden sechs Hash-Funktionen bewertet: BLAKE, Grøstl, Keccak, JH, Skein und Photon. Die ersten fünf Hash-Funktionen sind die Finalisten des SHA-3 Wettbewerb. Die SHA-3 Finalisten haben eine hohe Sicherheit als oberstes Design-Ziel und nur in zweiter Linie eine hohe Performance. Im Gegensatz dazu wurde Photon für leichtgewichtige Anwendungen konzipiert, z.B. RFID-Tags. Dazu wurde auch die Sicherheit von Photon reduziert. Für jeden Algorithmus wird eine oder mehrere mögliche Organisationensformen des Speichers entwickelt. Als nächstes wird die Anzahl von Taktzyklen auf der Grundlage der Speicherorganisation ermittelt. Das generelle Ziel dabei ist die Entwicklung von Architekturen mit einer optimalen Anzahl von Taktzyklen. Die Diskussion konzentriert sich als nächstes auf verschiedene Möglichkeiten die Runden-Funktion optimal umzusetzen. Das Ergebnis der Evaluierung umfasst mindestens die Schätzung der minimalen Speicheranforderung, die analysierte Pipeline-Tiefe und den theoretischen Durchsatz für lange Nachrichten mit einer festgelegten Taktfrequenz. Diese Ergebnisse lassen eine Einschätzung über die mögliche Leistung der jeweiligen Architekturen zu.
Der dritte Beitrag der Arbeit besteht aus mehreren Implementierungs-Ergebnissen. Zunächst werden Ergebnisse für die SHA-3 Finalisten BLAKE, Grøstl, JH, Keccak und Skein gezeigt. Von den fünf Algorithmen haben alle außer Skein eine relativ hohe Performanz, während Skein abgeschlagen ist. Eine weitere Untersuchung konzentriert sich auf kleinere Implementierungen des SHA-3 Siegers Keccak. Dazu gehören auch nicht standardisierte Varianten mit einem kleineren Zustand. Diese kleineren Versionen werden mit ersten FPGA-Ergebnissen für die Photon Hash-Funktion verglichen. Eine wesentliche Erkenntnis davon ist, dass Keccak auch für FPGA-Anwendungen mit beschränktem Ressourcen-Bedarf prinzipiell sehr wettbewerbsfähig ist.
The timing and duration of leaf deployment strongly regulate earth-atmosphere interactions and biotic processes. Leaf dynamics therefore have major implications for life on earth, including the global energy balance, carbon and water cycles, feedbacks to climate, species extinction risk and agriculture. Evidence of shifts in the timing of leaf deployment and senescence (leaf phenology) as a result of climate change has been accumulating over the past decades, particularly in relation to spring phenology in the northern hemisphere. However, leaf phenological change in other parts of the world has received less attention. This thesis quantifies global phenological change over the past three decades using remotely sensed data. Phenological change was found to be widespread and severe, also in the southern hemisphere. While the detected change testifies of the phenological plasticity of many plant species, it is not clear if the duration of leaf deployment (leaf habit) is equally sensitive to environmental change. Since evergreen and deciduous leaf habits are often distinctly sorted along environmental gradients, ecologists have hypothesised that these patterns result from natural selection for an optimal leaf habit, under a given environmental regime. Such evolutionary convergence can be examined by testing if the physiological niche that is occupied by a particular leaf habit (evergreen or deciduous) is similar among regions with distinct evolutionary histories. Using a process-based model of plant growth and a constructed map of evergreen and deciduous vegetation, the physiological niche of leaf habits was quantified in four global biogeographic realms. Substantial niche overlap was found between the same leaf habit in different realms, suggesting evolutionary convergence of the physiological niche. This implies a sensitivity of leaf habit to environmental change, as environmental variables determine the geographic space where the physiological niche allows a positive carbon balance, and therefore occurrence of the leaf habit. Since the physiological niche consists of the integrated effects of physiological traits and trade-offs, environmental dependencies and leaf habit and phenology, an understanding of the carbon economy of individual plants requires decomposing the physiological niche into its components. Using empirical data on leaf phenology, leaf habit and physiological processes from woody species in a seasonally dry African savanna, a simple carbon balance model was parametrised. Carbon gain varied considerably between species as a result of substantial variation in leaf habit, leaf phenology and physiological traits. The multiple lines of evidence in this thesis therefore suggest that, while convergent selective forces may determine the dominant leaf habit in a particular environment, inter-specific variation is substantial, potentially as a consequence of historical contingencies or competitive interactions.
In the qualitative analysis of solutions of partial differential equations, many interesting questions are related to the shape of solutions. In particular, the symmetries of a given solution are of interest. One of the first more general results in this direction was given in 1979 by Gidas, Ni and Nirenberg... The main tool in proving this symmetry and monotonicity result is the moving plane method. This method, which goes back to Alexandrov’s work on constant mean curvature surfaces in 1962, was introduced in 1971 by Serrin in the context of partial differential equations to analyze an overdetermined problem...
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der numerischen Behandlung elasto-plastischer Materialmodelle unter großen Deformationen. Elasto-plastisches Materialverhalten zeichnet sich dadurch aus, dass neben den reversiblen (elastischen) Deformationen auch irreversible (plastische) Deformationen betrachtet werden, die einem Evolutionsgesetz folgen. Ein numerischer Algorithmus der Elasto-Plastizität muss daher dieses plastische Evolutionsgesetz zusammen mit den klassischen Erhaltungsgleichungen der Kontinuumsmechanik lösen und geeignet behandeln. Der prominenteste Vertreter eines elasto-plastischen Algorithmus' ist der sogenannte Return-Mapping-Algorithmus (RMA). Neben seiner Funktionalität werden allerdings auch die einschränkenden Modellannahmen beleuchtet, auf denen der RMA gründet. Diese beschränkte Anwendungsmöglichkeit motiviert die Entwicklung eines neuen Plastizitätsalgorithmus'. Der in dieser Arbeit entwickelte Verallgemeinerte Plastizitätsalgorithmus (GPA: Generalised Plasticity Algorithm) führt eine zusätzliche Linearisierung bezüglich der plastischen Variable ein, in der das plastische Evolutionsgesetz formuliert ist. In der vorliegenden Arbeit ist diese Variable durch den plastischen Deformationstensor gegeben, der die Inverse des plastischen rechten Cauchy-Greenschen Deformationstensors beschreibt. Somit erlaubt der GPA eine Behandlung von allgemeineren und komplexeren elasto-plastischen Modellen als der RMA.
Anhand von bekannten Benchmark-Problemen werden die beiden Algorithmen in dieser Arbeit validiert und verglichen. Ein numerischer Test zur Poroplastizität unter großen Deformationen dient schließlich als Beleg dafür, dass der GPA auf Modelle anwendbar ist, die durch komplexes elasto-plastisches Materialverhalten charakterisiert sind und für die der RMA in seiner klassischen Form nicht als Lösungsstrategie gewählt werden kann.
Neben der Entwicklung des Verallgemeinerten Plastizitätsalgorithmus' hat diese Arbeit das Ziel industrielle Anwendungen effizient zu lösen. Dazu wird für ein Problem der linearen Elastizität der effiziente Einsatz des Mehrgitterlösers bis zu einer viertel Million Prozessoren gezeigt und es werden elasto-plastische Rechnungen für zwei industrielle Beispiele mit einer anspruchsvollen Geometrie durchgeführt.
Written during the fin de siècle, a period known as one of “sexual anarchy,” Ménie Muriel Dowie’s feminist Gallia (1895) joins the literary works of famous writers like Mona Caird or Sarah Grand. Wells. But although her novel covers the most explosive topics of the nineteenth century, namely degeneration and the female pursuit of emancipation, Dowie does not achieve great distinction as the limited se-lection of secondary literature on Gallia confirms. From my point of view, this has mostly to do with Dowie’s radical ideas on maintaining Britain’s health and su-premacy, as well as with the novel’s unconventional structure according that makes it hard to say what Dowie actually drives at. Superficially, Gallia might look like a conventional, but failed love-story with a strong and feminist heroine. But on sec-ond glance, one realises that some more important structure underlies this stereo-type-looking plot. Dowie’s creed is not that man is the measure – although the pub-licly powerful positions in this novel are all held by male characters – but that women set the new benchmarks for Britain’s society by secretly pulling the strings in order to disengage from male dominance.
Protein folding in cells is regulated by networks of chaperones, including the heat shock protein 70 (Hsp70) system, which consists of the Hsp40 cochaperone and a nucleotide exchange factor. Hsp40 mediates complex formation between Hsp70 and client proteins prior to interaction with Hsp90. We used mass spectrometry (MS) to monitor assemblies formed between eukaryotic Hsp90/Hsp70/Hsp40, Hop, p23, and a client protein, a fragment of the glucocorticoid receptor (GR). We found that Hsp40 promotes interactions between the client and Hsp70, and facilitates dimerization of monomeric Hsp70. This dimerization is antiparallel, stabilized by post-translational modifications (PTMs), and maintained in the stable heterohexameric client-loading complex Hsp902Hsp702HopGR identified here. Addition of p23 to this client-loading complex induces transfer of GR onto Hsp90 and leads to expulsion of Hop and Hsp70. Based on these results, we propose that Hsp70 antiparallel dimerization, stabilized by PTMs, positions the client for transfer from Hsp70 to Hsp90.
We previously reported that aberrant HH pathway activation confers a poor prognosis in rhabdomyosarcoma (RMS). Searching for new treatment strategies we therefore targeted HH signaling. Here, we identify a novel synthetic lethality of concomitant inhibition of HH and PI3K/AKT/mTOR pathways in RMS by GLI1/2 inhibitor GANT61 and PI3K/mTOR inhibitor PI103. Synergistic drug interaction is confirmed by calculation of combination index (CI < 0.2). Similarly, genetic silencing of GLI1/2 significantly increases PI103-induced apoptosis. GANT61 and PI103 also synergize to induce apoptosis in cultured primary RMS cells emphasizing the clinical relevance of this combination. Importantly, GANT61/PI103 cotreatment suppresses clonogenic survival, three-dimensional sphere formation and tumor growth in an in vivo model of RMS. Mechanistic studies reveal that GANT61 and PI103 cooperate to trigger caspase-dependent apoptosis via the mitochondrial pathway, as demonstrated by several lines of evidence. First, GANT61/PI103 cotreatment increases mRNA and protein expression of NOXA and BMF, which is required for apoptosis, since knockdown of NOXA or BMF significantly reduces GANT61/PI103-induced apoptosis. Second, GANT61/PI103 cotreatment triggers BAK/BAX activation, which contributes to GANT61/PI103-mediated apoptosis, since knockdown of BAK provides protection. Third, ectopic expression of BCL-2 or non-degradable phospho-mutant MCL-1 significantly rescue GANT61/PI103-triggered apoptosis. Fourth, GANT61/PI103 cotreatment initiate activation of the caspase cascade via apoptosome-mediated cleavage of the initiator caspase-9, as indicated by changes in the cleavage pattern of caspases (e.g. accumulation of the caspase-9 p35 cleavage fragment) upon addition of the caspase inhibitor zVAD.fmk. Thus, combined GLI1/2 and PI3K/mTOR inhibition represents a promising novel approach for synergistic apoptosis induction and tumor growth reduction with implications for new treatment strategies in RMS.
Habituation ist eine der einfachsten Formen des Gedächtnisses. Hierbei handelt es sich um die erlerne Gewöhnung an einen harmlosen Reiz. Dies bedeutet, dass nach mehrfacher wiederholter Repräsentation eines harmlosen Reizes die Reaktion darauf stetig abnimmt, bis sie völlig zum erliegen kommt. Je nach Trainingsprotokoll kann diese Gewöhnung bis zu mehren Tagen andauern. Habituation ist hoch konserviert und ein Verhaltensmuster, dass auch bei sehr einfachen vielzelligen Organismen zu finden ist und untersucht werden kann. Zur Untersuchung des Zusammenspiels innerhalb eines neuronalen Netzwerkes, welches für die Habituation des Rückzugsreflexes (Ausweichreaktion nach Berührung) verantwortlich ist wurde hier der Fadenwurm Caenohabditis elegans (C. elegans) als Modell Organismus verwendet. Aufgrund seines einfachen, nur 302 Zellen umfassenden, Nervensystems eignet sich C. elegans sehr gut für Grundlagenforschung in diesem Bereich. Das neuronale Netzwerk, das verantwortlich ist für den Rückzugsreflex ist in drei Ebenen organisiert. Wahrgenommen wird der Reiz von sensorischen Neuronen (ASH, ALM, AVM, PLM, PVM). Die Weiterleitung erfolgt über verschiedene Interneuronen (AVA, AVB, AD, AVE, PVC) hin zu den Motorneuronen, welche die Muskeln enervieren und somit die Reaktion auf den in erster Ebenen wahrgenommen Reiz auslösen.
Mit Hilfe von optogenetischen Werkzeugen wurde hier Untersucht welche Rolle einzelne Zellen innerhalb dieses Netzwerkes innehaben und an welcher Stelle innerhalb des Netzwerkes die kurzzeitige Habituation des Reizes, nach einem Einfachen Lernprotokoll stattfindet. Zuerst musste eine Möglichkeit gefunden werden die zur Verfügung stehenden optogenetischen Werkzeuge zellspezifisch zu exprimieren. In dieser Arbeit wurden hierfür Rekombinasesysteme verwendet, die es ermöglichten zur Expression eine Kombination aus 2 verschiedenen Promotoren zu verwenden. Beide Promotoren dürfen hierbei nur in einer Zelle, der Zielzelle, überlappen. Es konnte zellspezifische Expression des Kationenkanals Chanelrhodopsin 2 (ChR2) in den beiden Zellparen AVAL/R und ASHL/R (nimmt aversive Reize wahr) erreicht werden.
Zur Untersuchung der Habituation wurde zusätzlich noch ein Wurmstamm verwendet, welcher ChR2 unter dem mec-4 Promotor exprimiert. ChR2 ist hier in den Mechanorezeptorneuronen (MRN) ALM, AVM, PLM und PVM exprimiert. Die hier durchgeführten Experimente deuten darauf hin das den MRNs die Größte Rolle bei der Ausbildung einer Habituation zukommt. Es gibt jedoch auch Hinweise darauf, dass AVA zusätzlich eine Rolle spielt.
Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde die Rolle von AVA genauer untersucht. AVA gilt als der Hauptsignalgeber für eine Rückwärtsbewegung (spontan und nach Reizempfang). Es konnte gezeigt werden dass eine Unterbrechung der ’Gap Junktionen’ zwischen AVA und PVC eine stärkere Reaktion zur Folge haben. AVA scheint also durch PVC inhibiert zu werden. Ebenfalls mit AVA direkt interagierende Neuronen sind AVD und AVE. Mit den hier zur Verfügung stehenden Mitteln konnte die genaue Modulation von AVA durch diese Zellen jedoch nicht gezeigt werden.
In dieser Arbeit konnte der Grundstein für eine funktionale Aufklärung des Nervensystems von C. elegans gelegt werden. Vor allem durch die Möglichkeit der zellspezifischen Expression kann es zukünftig gelingen das Zusammenspiel der einzelnen Nervenzellen und ihren Anteil an einem bestimmtem Verhalten zu Untersuchen.
Vom Übermaß an Licht
(2015)
Das Licht gilt uns als "das" Signum von Humanität, Aufklärung, Erkenntnis und Fortschritt, aber im Theater "übersehen" wir das Licht meist oder reduzieren seinen Einsatz auf eine technische Dienstleistung, die mit "hoher Kunst" scheinbar nichts zu tun hat. Woher kommt das? Und welche Gründe sprechen dafür, dem Licht im Theater mehr Aufmerksamkeit zu schenken, als es viele Zuschauer, Theaterwissenschaftler und Theaterschaffende derzeit tun? Antworten lassen sich unter anderem bei Michel Foucault, Friedrich Schiller und Adolphe Appia finden.
"Die Strahlen der Sonne vertreiben die Nacht" : Licht und Schatten im (Musik-)Theater der Vormoderne
(2015)
Bis zur Mitte des 18. Jahrhunderts waren Akteure und Zuschauer in einem geschlossenen Theaterraum gleich stark beleuchtet, wenn auch nur mit Kerzen und Öllampen. Erst danach geriet die Bühne – nicht ohne Protest der Besucher – ins Zentrum der Beleuchtung. Auf der Opernbühne führte der Einsatz der Kohlenbogenlampe, auch "Prophetensonne" genannt, im 19. Jahrhundert zu einem radikalen Umbruch: Endlich konnten Übergänge vom Dunkel zum Licht musikalisch und szenisch realisiert werden.
"Lichtspielhaus" – so nannten sich die Kinopaläste in früheren Zeiten gern. Eine große Rolle spielt das Licht schon bei der Produktion der Filme: Der gezielte Einsatz von Licht beim Dreh beeinflusst subtil die Wahrnehmung des Publikums. Das wussten schon die Pioniere des Kinos zu Beginn des 20. Jahrhunderts geschickt zu nutzen. Die Grundtechnik hat sich bis heute kaum geändert.
Mit der Möglichkeit, Glas als Baustoff zu verwenden, beginnt die Ära der modernen Architektur. Bruno Traut gilt als einer der wichtigsten Protagonisten dieser expressionistischen Phase. Mit seinen funkelnden Kristallarchitekturen in den Alpen schuf er zumindest auf dem Papier Visionen von besonderer Strahlkraft. Im Geheimbund "Gläserne Kette" sahen er und seine Mitstreiter sich als Propheten und "übermenschliche Wächter" aller Künste. Die quasi religiös inspirierte Glasarchitektur wurde schon wenige Jahre später im Staatlichen Bauhaus Weimar durch Gropius' ästhetische Rationalität abgelöst.
The mammalian family of bears (Ursidae) comprises eight extant species, occurring on four different continents. Among them are the iconic and well-known brown and polar bears, both widely distributed across the Northern hemisphere. Their intraspecific genetic structuring has been extensively investigated, albeit with a focus on genetic markers from maternally inherited parts of their genomes (mitochondrial DNA). The evolutionary relationship and divergence time between brown and polar bears have recently triggered an extensive debate, while less focus has been put on to other parts of the ursid phylogeny, particularly to a clade of three Asian bear species. To date, whole genomes of more than 100 bear individuals from four different species have been sequenced. Yet, one fundamental part of the genome has been largely omitted from specific analyses, in bears as well as in most other mammals: the Y chromosome.
The mammalian Y chromosome provides a unique perspective on the evolutionary history of organisms due to its distinct features, and specifically reflects the patriline because of its male-specific inheritance. The characteristics of this chromosome make it well suited to complement and contrast evolutionary inferences based on other genetic markers, and to uncover processes like sex-biased gene flow and hybridization. The unique insights that can be gained from analyses of Y-linked genetic variation made me utilize this part of the genome to investigate the evolution of male lineages in bears. Studying the patriline is particularly promising in this taxonomic group because of male-biased dispersal and a complex and fast radiation of bears. The analysis of Y-chromosomal genetic markers is thus the common theme of this dissertation: I present the identification of large amounts of Y-chromosomal sequence, the development of male-specific markers from such sequences, and the application of these markers to trace the evolution of male lineages of different bear species.
Specifically, I developed a molecular sex determination system based on the detection of two Y-linked fragments that allows to reliably discriminate between females and males from seven different bear species (Bidon et al. 2013). The approach is highly sensitive, bear-specific, and can be applied in standard molecular laboratories. This makes it valuable in conservation genetics and forensic applications, e.g. to analyze non-invasively collected samples.
Furthermore, I used Y-linked markers in a comprehensive and range-wide sample of brown and polar bears, and show that male-biased gene flow plays an important role in distributing genetic material throughout the ranges of both species (Bidon et al. 2014). In brown bears, I detected a lack of paternal population structuring which is in strong contrast to the detailed structuring of the matriline.
Analyzing Y-chromosomal sequences from all eight bear species, I present a phylogeny of the patriline that largely resembles the topology from other nuclear markers but is different from the topology of the mitochondrial gene tree (Kutschera et al. 2014). This discordance among loci generates interesting hypotheses about inter-species gene flow, particularly among American and Asiatic black bears.
With the identification of almost two million basepairs of Y-chromosomal sequence and the analysis of an unprecedented large male-specific dataset in polar bears, a high-resolution view on the distribution of their intraspecific variation was obtained (Bidon et al. 2015). In particular, two clades that are divergent but do not show pronounced phylogeographic structure were detected, confirming the great dispersal capacity of males of this high arctic species.
This dissertation thus represents a comprehensive investigation of Y-linked genetic variation on the intra- and interspecific level in a non-model organism. With my research, I contribute to an increased understanding of the complex evolutionary history of bears. In particular, I show that male-biased gene flow strongly influences the distribution of nuclear genetic variation, and that the contrast between phylogenies of differentially inherited markers can help to understand interspecific hybridization between closely related species. Moreover, my findings demonstrate the potential of Y-chromosomal markers to uncover unknown evolutionary patterns and processes. This applies not only to bears but to many species, even such that are generally well known and well described.
"Vortreffliche Belichtung!" : die Erfindung des Oberlichts und der Weg zum modernen Kunstmuseum
(2015)
Der Umgang mit Licht ist beim Kuratieren von Ausstellungen und Sammlungspräsentationen von zentraler Bedeutung. Welchen Status erhalten die Exponate, welche Position nehmen sie innerhalb des Raums ein? Werden nur einzelne Objekte im Halbdunkel punktuell angestrahlt und geradezu auratisch inszeniert, oder wird der Raum gleichmäßig ausgeleuchtet? Die Debatte um diese Fragen erhielt durch den Bau der Kasseler Gemäldegalerie 1750 entscheidende Impulse.
"Mehr Licht!", um die "Seele" der Natur zu erfassen – das verband die Impressionisten mit der vorangegangenen Künstlergeneration um Camille Corot. Claude Monet und seine Kollegen suchten die Wälder und Parks auf, um Licht, Atmosphäre und Farbigkeit in ihrer Malerei festzuhalten. Dabei reagierten sie eher intuitiv auf die in jener Zeit intensiv erforschten optischen Gesetzmäßigkeiten.
Als sich am 16. Mai 1891 die Drehkreuze zur Internationalen Elektrotechnischen Ausstellung vor dem Frankfurter Bahnhof öffneten, gab es unter den Besuchern kaum noch Zweifel: Elektrizität und künstliche Helligkeit werden die westliche Zivilisation und ihre urbanen Lebenswelten geradezu revolutionär verändern. Das sollte sich bewahrheiten!
Mond und Sonne spielen als Hauptgestirne in der Mythologie vieler Völker Lateinamerikas eine bedeutende Rolle. Häufig sind sie maßgeblich an der Schöpfung beteiligt und werden mit der Fruchtbarkeit der Pflanzen sowie dem Wohlergehen der Menschen in Verbindung gebracht. Zahlreiche Mythen berichten von den Taten der beiden Gestirne, die manchmal als Geschwister oder auch als Liebespaar gelten.
Dass das Mittelalter "dunkel", gar "finster" gewesen sei, kann als handelsüblicher Topos gelten. Der stillschweigende Verweis etwa auf Autoritäten der Geistesgeschichte wie Luther, Voltaire oder Heine erübrigt jeglichen Beleg. Doch professionelle Mediävisten wagen, ein anderes Mittelalterbild zu zeichnen und werfen gleichzeitig ein Licht darauf, wie es zu diesem falschen Verständnis kam.
Dass nur das sonnenhafte Auge die Sonne erblicken kann, diese These geht wie so vieles letztlich auf Platon zurück. Der griechische Philosoph interessiert sich für Licht nicht in physikalischer, sondern in wahrnehmungstheoretischer Hinsicht. Und diese Hinsicht interessiert ihn wiederum, weil nach seiner Auffassung der Fall des Sehens zur Illustration des rationalen Erfassens von etwas dienen kann.
Leben braucht Licht und den täglichen Wechsel von Licht und Dunkel. Das gilt auch für den Menschen. Licht dient unserer Orientierung – nicht nur im Raum, sondern auch in der Zeit. Der Tag-Nacht-Wechsel ist der wichtigste Umweltreiz für die Taktung unserer Inneren Uhr. Zu wenig Licht am Tag und zu viel Licht in der Nacht kann sie aus dem Takt bringen und zu Schlafstörungen und Depressionen führen.
Photosynthese zwischen Überfluss und Mangel : wie Kieselalgen sich Lichtintensitäten anpassen
(2015)
Kieselalgen können auf hocheffiziente Weise Energie aus dem Sonnenlicht gewinnen. So überleben sie selbst lange Dunkelphasen im Meer. Doch wie schützen sie sich vor zu viel Strahlung, wenn Wind und Strömung sie in seichtes Wasser oder an die Oberfläche treiben? Dahinter steckt ein cleverer Regulations-Mechanismus.
Pflanzen, aber auch einige Bakterien und Archäen verfügen über hocheffiziente Mechanismen, Licht in Energie umzuwandeln. Photovoltaik-Zellen reichen an die Perfektion dieser natürlichen Systeme noch lange nicht heran. Deshalb versuchen Forscher, mit ultraschnellen spektroskopischen Methoden der Natur in die Karten zu schauen und von ihr zu lernen.
Der unscheinbare Fadenwurm "C. elegans" ist einer der ersten und bis heute wichtigsten Modellorganismen der Optogenetik. Zwei Frankfurter Arbeitsgruppen gelang es vor zehn Jahren erstmals, das Tier genetisch mit lichtaktivierbaren Ionenkanälen auszustatten und seine Bewegungen mit Licht zu steuern. Inzwischen studieren Forscher an dem durchsichtigen Wurm auch Prozesse, die für die medizinische Forschung bedeutsam sind – etwa die Entstehung und Behandlung genetisch bedingter Herz-Rhythmus-Störungen.
Mit der Optogenetik hat sich in der Neurowissenschaft eine Revolution vollzogen. Die Optogenetik erlaubt, Nervenzellen einfach mit Licht und mit bis dato nicht gekannter Genauigkeit zeitlich und räumlich elektrodenfrei an- und abzuschalten. Dies wird durch das Einbringen genetisch codierter Lichtschalter, sogenannter mikrobieller Rhodopsine, in den Nervenzellen erreicht. Die Methode, die in Frankfurt und in Regensburg ihren Ursprung genommen hat, wird heute in der Neurobiologie weltweit eingesetzt. Neben der Grundlagenforschung eröffnen sich dank der Optogenetik auch neue biomedizinische Perspektiven zur Gentherapie neurodegenerativer Krankheiten.
"Stellen Sie sich vor, wir könnten einzelne Zellen mit einer Art Fernbedienung von außen steuern", träumt Ralph Wieneke, Juniorgruppenleiter in der Zellulären Biochemie. Licht als Steuerungsquelle habe entscheidende Vorteile, schildert Institutsleiter Robert Tampé: "Es schadet Zellen nicht und kann schnell und sehr genau reguliert werden." Von ihrem Ziel ist die Arbeitsgruppe gar nicht so weit entfernt.
Um das komplizierte Geschehen in der Zelle entschlüsseln zu können, blockieren Forscher oft bestimmte Proteine oder Gene. Eine moderne und elegante Methode besteht darin, Lichtaktivierbare Moleküle als "Schalter" zu verwenden. Die Gruppe von Alexander Heckel entwickelt maßgeschneiderte Moleküle für Biologen, Biochemiker oder Mediziner.
Die Glühbirne hat ausgedient. Auch Energiesparlampen sind nur eine Übergangslösung. Große Hoffnungen richten sich auf organische Leuchtdioden, zumal man daraus auch großflächige und biegsame Displays und Flachbildschirme herstellen kann. Für eines der größten Probleme, das Ausbleichen der blauen Leuchtstoffe, findet man immer bessere Lösungen. Anwendungen, die heute noch wie Science-Fiction klingen, rücken damit in erreichbare Nähe.
Ein Laserblitz von unvorstellbarer Intensität pulverisiert im Labor ein Molekül. Wachsam zeichnen die Instrumente die Flugbahn und Geschwindigkeit jedes Bruchstücks auf. Physiker gewinnen daraus hochpräzise Informationen über die Molekülstruktur. Auch links- und rechtshändige Formen lassen sich unterscheiden.
Der Auflösung mikroskopischer Verfahren ist durch die Beugungsgrenze eine natürliche Schranke gesetzt. Strukturen, die näher als die halbe Wellenlänge des verwendeten Lichts zusammenliegen, können nicht aufgelöst werden. Doch Forscher haben einen Weg gefunden, diese Grenze zu umgehen. Die entstehenden Bilder ähneln dem Pointillismus in der Malerei.
"Mehr Licht!" – so lauteten, glaubt man seinem Arzt Carl Vogel, die letzten Worte des größten deutschen Dichters und Denkers Johann Wolfgang Goethe. Aus der Sicht der Fluoreszenzmikroskopie ist das kein guter Grundsatz. Die Kernidee der Lichtscheiben-Fluoreszenzmikroskopie (LSFM) liegt in der Macht der dunklen Seite. Anders gesagt: Sie folgt dem Prinzip, dass weniger manchmal viel mehr sein kann. Die schonende Beleuchtung empfindlicher Proben bei der LSFM birgt großes Potenzial für die moderne Zell- und Entwicklungsbiologie.
Die Freisetzung von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) in die Atmosphäre ist seit Inkrafttreten des Montreal-Protokolls zum Schutz der Ozonschicht im Jahr 1987 reglementiert. Aber die ozonzerstörenden Gase sind äußerst langlebig. Sie können erst in der Stratosphäre, also in Höhen oberhalb von etwa zehn Kilometern, durch kurzwelliges, energiereiches Sonnenlicht gespalten werden. Messungen der FCKW und ihrer Ersatzstoffe am Institut für Atmosphäre und Umwelt erlauben es, die Lebenszeiten dieser Substanzen zu bestimmen und damit auch ihr Potenzial, die Ozonschicht zu schädigen und zur Klimaerwärmung beizutragen. Sie stellen einen wichtigen Beitrag zur Klimaforschung dar.