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Terahertz (THz) radiation lies between the micro and far-infrared range in the electromagnetic spectrum. Compared with microwave and millimeter waves, it has a larger signal bandwidth and extremely narrow antenna beam. Thus, it is easier to achieve high-resolution for imaging and detection applications. The unique properties, such as penetration for majority non-polar materials, non-ionizing characteristic and the spectral fingerprint of materials, makes THz imaging an appealing artifice in the military, biomedical, astronomical communications, and other areas. However, THz radiation’s current low power level and detection sensitivity block THz imaging system from including fewer optical elements than the visible or infrared range. This leads to imaging resolution, contrast, and imaging field of view degenerate and makes the aberration more serious. THz imaging based on the space Fourier spectrum detection is developed in this thesis to achieve high-quality imaging. The main concept of Fourier imaging is by recording the field distribution in the Fourier plane (focal plane) of the imaging system; the information of the target is obtained. The numerical processing method is needed to extract the amplitude and phase information of the imaged target. With additional process, three-dimensional (3D) information can be obtained based on the phase information. The novel recording and reconstructing ways of the Fourier imaging system enables it to have a higher resolution, better contrast, and broader field of view than conventional imaging systems such as microscopy and plane to plane telescopic imaging system.
The work presented in this thesis consists of two imaging systems, one is working at 300 GHz based on the fundamental heterodyne detection of the THz radiation, the other is operated at 600 GHz by utilizing the sub harmonic heterodyne detection technique. The realization and test of the heterodyne detection are based on the THz antenna-coupled field-effect transistor (TeraFET) detector developed by Dr. Alvydas Lisauskas. Both systems use two synchronized electronic multiplier chains to radiate the THz waves. One radiation works as the local oscillator (LO), the other works as illumination with a slight frequency shift, the radiations are mixed on the detector scanning in the Fourier plane to record the complex Fourier spectrum of the imaged target. The LO has the same frequency range as the illuminating radiation for fundamental heterodyne detection but half the frequency range for the sub-harmonic heterodyne detection. The 2-mm resolution, 60-dB contrast, and 5.5-cm diameter imaging area at 300 GHz and the of 500-μm resolution, 40-dB contrast, and 3.5-cm diameter imaging area at 600 GHz are achieved (the 300-GHz illuminating radiation has the approximate power of 600 μW , the 600-GHz illuminating radiation has the approximate power of 60 μW ).
The thesis consists of 6 parts. After the introduction, the second chapter expands on the topic of Fourier optics from a theoretical point of view and the simulations of the Fourier imaging system. First, the theory of the electromagnetic field propagation in free space and through an optical system are investigated to elicit the Fourier transform function of the imaging system. The simulation is used for theoretical considerations and the implementation of a Fourier optic script that allows for numerical investigations on reconstruction. The preliminary imaging field of view and resolution are also demonstrated. The third chapter describes the Fourier imaging system at 300 GHz based on the fundamental heterodyne detection, including the experimental setup, the 2D, and 3D imaging results. The following fourth chapter reports the integration of the TeraFET detector with two substrate lenses (one is a Si lens on the back-side Si substrate, the other is a wax/PTFE lens on the front side containing the bonding wires) for sub-harmonic heterodyne detection at 600 GHz. The characteristic of the wax/PTFE lens at THz range is presented. After that, the compared imaging results between the detector with and without the wax/PTFE lens are shown. The fifth chapter extends the demonstration on the lateral and depth resolution of the Fourier imaging system in detail and uses the experimental results at 600 GHz to validate the analytical predictions. The comparison of the resolution between the Fourier imaging system and the conventional microscopy system proves that the Fourier imaging system has better imaging quality under the same system configuration. The last chapter in this thesis concludes on the findings of the THz Fourier imaging and gives an outlook for the enhancement of the Fourier imaging system at THz range.
Prostaglandin E2 is the major prostaglandin involved in colorectal carcinogenesis. The biosynthesis of prostaglandin E2 is accomplished by several terminal prostaglandin E synthases through catalytical conversion of the cyclooxygenase product prostaglandin H2. Among the known terminal prostaglandin E synthases, microsomal prostaglandin E synthase type 1 and type 2 were found to be overexpressed in colorectal cancer, however the role and regulation of these enzymes in this tumor entity are yet not fully understood. Here we report that the cyclopentenone prostaglandins 15-deoxy-D12,14-prostaglandin J2 and prostaglandin A2, which have been shown to modulate cell growth and neoplasia, selectively down-regulate microsomal prostaglandin E synthase type 2 mRNA and protein expression in the human colorectal carcinoma cell lines Caco-2 and HCT 116. This effect appeared to be PPARgamma independent and was not found to require G-protein-coupled receptor activation. Instead, inhibition of microsomal prostaglandin E synthase type 2 by cyclopentenone prostaglandins may be mediated by covalent binding of the cyclopentenone ring to cysteine residues on signalling molecules or via a redox-dependent mechanism. Inhibition of microsomal prostaglandin E synthase type 2 was subsequently followed by decreased prostaglandin E synthase activity, which in turn contributed at least in part to the anti-proliferative action of cyclopentenone prostaglandins in HCT 116 cells. Collectively, these data unravel a novel mechanism for the growth-inhibitory effects of cyclopentenone prostaglandins and expose microsomal prostaglandin E synthase type 2 as a new potential target for pharmacological intervention in the treatment of colorectal cancer.
Alzheimer’s disease (AD) is the major cause of dementia. It is characterized by the accumulation of abnormal proteins (amyloid-β plaque and neurofibrillary tangles) leading to loss of synapses, dendrites, neurons, memory and cognition. Sporadic late-onset AD is the major type of AD characterized by unclear etiology and a lack of disease-modifying therapy. To understand this disease, an alternative AD hypothesis has been proposed: AD may resemble diabetes in the brain or “diabetes type 3”. This hypothesis is supported by the fact that (1) brain glucose hypometabolism precedes AD clinical symptoms and (2) diabetes increases the risk of AD. To test this hypothesis, wild-type rats receiving intracerebroventricular administration of streptozotocin (icv-STZ) were used as a model. Streptozotocin (STZ) is a glucosamine-nitrosourea compound commonly used to induce experimental diabetes by peripheral administration. A similar pathological mechanism to peripheral STZ is then proposed to explain icv-STZ toxicity: insulin receptor signaling impairment results in glucose hypometabolism leading to cognitive deficits.
Objective: Icv-STZ model seems promising as a toxin-induced, non-transgenic AD model with the possibility to connect AD and diabetes mellitus (DM), one of the risk factors for AD. However, the mechanisms of how icv-STZ induced AD-like symptoms are unclear. Therefore, using microdialysis as the main technique, we tested 2 AD hypotheses in this model: (1) the glucose hypometabolism as an alternative AD hypothesis and (2) the cholinergic deficit as an important characteristic of AD pathology. Hippocampus was chosen because cholinergic function in this region is severely affected in AD. In comparison, the striatum was chosen because it contains cholinergic interneurons and is less affected in AD.
Methods: In this study, we used male Wistar rats of 190-220 g body weight (5 weeks of age). The rats were injected intracerebrally with STZ at a dose of 3 mg/kg (2x1.5 mg/kg; „high dose“) and 0.6 mg/kg („low dose“) with saline as control. After 21 days, samples were collected to investigate cholinergic and metabolic changes using histology, biochemistry, and neurochemistry. Brain injury was confirmed using GFAP staining and Fluoro jade staining in the hippocampus. Mitochondrial toxicity was investigated by measurement of mitochondrial
respiratory function in both hippocampus and striatum. Cholinergic markers such as acetylcholinesterase (AChE) activity, choline acetyltransferase (ChAT) activity, and choline transporter (CHT-1) activity, commonly known as high-affinity choline uptake (HACU), were measured in both hippocampus and striatum using a spectrophotometer and a scintillator.
Microdialysis is the main technique in our study. It was done in awake animals under behavioral or pharmacological stimulation. We used a self-built probe with a semi-permeable membrane (pore size of 30 kDa) that was implanted in either hippocampus or striatum. The probes were then perfused with artificial cerebrospinal fluid (aCSF) supplemented with 0.1 μM neostigmine for extracellular acetylcholine level measurement. During the perfusion, small hydrophilic compounds from brain extracellular space diffuse into the dialysates. Dialysates of 15 minutes intervals were collected for 90 minutes and used for analysis. After collection of dialysates for the first 90 minutes (basal data), rats were moved to an open field box (35x32x20 cm) for behavioral stimulation. After collection of the second 90 minute dialysates, the rats were transferred back to the microdialysis cage and dialysates were collected for another 90 minutes. On day 2, after collection of dialysates under basal conditions, 1 μM scopolamine was added to the perfusion solution for stimulation of acetylcholine release. The dialysates were also collected for 90 min followed by another 90 min of dialysis without scopolamine. The microdialysate samples were then analyzed as follows. ACh level was measured by HPLC-ECD. Glucose metabolites (glucose, lactate, pyruvate) were measured by a CMA-600 microanalyzer. An alternative energy metabolite (beta-hydroxybutyrate/BHB) was measured by GC-MS. Choline and glycerol as membrane breakdown markers were also measured by HPLC-ECD and CMA-600 microanalyzer, respectively. Markers of oxidative stress (isoprostanes) were measured using a commercially available ELISA kit.
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The purpose of this thesis is to examine the passage regime of the Turkish Straits against the background of the evolution of international law, and to discuss the problems of the passage of warships through them in light of the invasion of the Crimean Peninsula by Russia in 2014. With that objective in mind, the thesis reconsiders the history of the straits regime.
The Turkish Straits are regulated by the Montreux Convention of 1936 which contains restrictive and complex provisions regarding the passage of warships. The Straits took their place as “the Straits question” for centuries and today their importance is enhanced by their geostrategic location in the international arena. They have gained greater significance especially since the resolution of Soviet Russia in 1991, as they have become one of the most important and busiest energy corridors of the world. Due to the increase in the transportation of oil, natural gas and other products from the Caspian region through the Straits, the dense traffic and the regulation of the traffic in the Straits has become a key issue between Turkey and user states. Furthermore, the implementation of restrictive provisions for warships caused many debates during the Second World War, the impact of the restrictive provisions of the Convention on the South Ossetia War in August 2008, and the invasion of the Crimean Peninsula in 2014 attracted additional international attention. The Straits took their place on the global agenda of the great powers, especially those of NATO, the United States (US) and Russia. These events have resulted in ongoing and intensive discussions over the revision of the Convention.
Although no legal amendment or modification demand to the Montreux Convention has yet arisen, the new order and geopolitical interests in the Black Sea region show that the Montreux passage regime will continue to be debated by the world’s powers under any given political circumstances. For the time being, however, there will be no alternative route with a view at an adaptation to contemporary needs but methods of treaty modification below the threshold of formal revision as, most importantly, the integration of subsequent practice and subsequent agreement into treaty interpretation.
Ziel der Studie: Eine psychische Komorbidität spielt im Kontext mit weiteren persönlichen, sozialen und beruflichen Faktoren bei der Ermittlung des spezifischen Rehabilitationsbedarfs der Patienten in Deutschland eine immer bedeutendere Rolle. Um die Zuweisung von Patienten zu einer Rehabilitationsform besser ausdifferenzieren zu können, soll im Rahmen dieser retrospektiven Analyse ermittelt werden, von welchem der beiden untersuchten Rehabilitationskonzepte (OR/VMO) Patienten mit psychischer Komorbidität unter Berücksichtigung von Geschlecht, Erwerbsstatus und orthopädischer Hauptdiagnose stärker profitieren.
Methodik: Mittels der Screening-Fragebögen HADS-A, HADS-D, SIMBO und BPI sowie eines Klinikfragebogens zu Beginn der Rehabilitation wurden Angaben von 913 Probanden (529 m/384 w) ausgewertet. Hiervon wurden 43 % der OR und 57 % der VMO zugewiesen. So wurde die Häufigkeitsverteilung der Faktoren psychische Komorbidität, Geschlecht, Erwerbsstatus und orthopädische Hauptdiagnose festgestellt. Mittels HADS wurde am Ende der Therapie der Benefit durch Vergleich der Scorewert-Mediane ermittelt.
Ergebnisse: Häufigkeitsverteilungen und die Entwicklung der HADS-Scores zeigen, dass die im Vorfeld erfolgte Einteilung gemäß psychischer Komorbidität korrekt war. Frauen waren häufiger von einer psychischen Komorbidität betroffen und erzielten in der VMO größere Erfolge. Bezüglich der orthopädischen Hauptdiagnose ergab sich eine hohe Prävalenz von HWS- und LWS-Beschwerden. Beim Erwerbsstatus (Arbeits(un)fähigkeit, Arbeitslosigkeit, berufliche Problemlage) zeigte sich ein diffuseres Bild, das keine generalisierende Aussage bezüglich der arbeitsweltbezogenen Faktoren zulässt.
Schlussfolgerungen: Das Vorliegen einer psychischen Komorbidität stellt einen zielführenden Indikator dar, der als eines der Hauptzuweisungskriterien zur VMO beizubehalten ist. Auch das weibliche Geschlecht in Verbindung mit dem Vorliegen einer psychischen Komorbidität ist als adäquates Kriterium anzusehen. Bezüglich der orthopädischen Hauptdiagnose können insbesondere HWS-Beschwerden als Zuweisungskriterium geeignet sein. Aufgrund der sehr heterogenen Ergebnisse hinsichtlich der Aspekte des Erwerbsstatus lässt sich festhalten, dass diesbezüglich eine Zuweisung zu einem arbeitsweltbezogenen Therapiekonzept (z. B. MBOR) zielführender erscheint.
In dieser Arbeit wurden thermodynamische Eigenschaften eines chiralen Quark Meson Modelles untersucht. Das chirale Quark Meson Model beschreibt die starke Wechselwirkung über den Austausch von Mesonen und zudem die thermische und dichteabhängige Entwicklung der Quarkmassen im Medium über die chirale Symmetrie.Im SU(2) Model wurde zunächst in mean field approximation gearbeitet, um im Anschluss den divergenten Vakuumterm mit einzubeziehen. Nach eingehender Untersuchung der Ergebnisse, wurden dann die thermischen Mesonenfluktuationen studiert. In beiden Ansätzen verschiebt die Nullpunktsenergie den chiralen Phasenübergang zu höheren Temperaturen, wodurch die Massen bei höheren Temperaturen entarten. Beide Ansätze wurden dann zu einem gemeinsamen Modell kombiniert, um den Einfluss der Mesonenfluktuationen auf Ordnungsparameter, Massen und thermodynamische Grössen zu untersuchen. Als Fazit der Studie kann behauptet werden, dass sich der Einfluss der Mesonenfluktuationen in grösserem Maÿ auf die Thermodynamik, als auf den Ordnungsparameter und die Massen auswirkt. Im SU(3) Modell wurden ebenfalls regularisiert und zudem Vektormesonen mitberücksichtigt, welche die Repulsion zwischen den einzelnen Freiheitsgraden modelliert. Die Zustandsgleichung wird durch den Vakuum Term etwas softer und zeigt ein ähnliches Verhalten im niederen Energiebereich. Untersucht wurde neben der Temperatur T, die Elektron Baryon Rate Ye, die Sigma Meson Masse noch der Einfluss der Vektorkopplung. Aus der Zustandsgleichung konntendann Isentropen im T-mu Phasendiagramm errechnet werden, welche in naher Zukunft Aufschluss über eine dritte Familie von kompakten Sternen in Zusammenhang mit der entsprechenden Supernova Explosion geben könnte. Um die Existenz von kompakten Sternen genauer zu analysieren, wurde das chiraleSU(3) Quark Meson Modell bei T = 0 benutzt, um über die aus dem Formalismusgewonnenen Grössen Druck und Energiedichte die Tolmann-Oppenheimer-Volkoff zu lösen. Diese stellen die Masse-Radius Beziehungen kompakter Objekte dar. Auf der Suche nach Twin Stern Lösungen aus dem chiralen SU(3) Quark Meson Model wurde zunächst ein Modell für Hybridsterne entwickelt. Im untersuchten Parameterbereich fanden wir Hybrid Stern Lösungen, bei welchen der Einfluss der Quarkmaterie auf die Stabilität des Sternes untersucht wurde, denn das Einsetzen des Phasenüberganges übt einen zusätzlichen gravitativen Zug auf die hadronische Kruste aus. Der Stern ist stabil, wenn der Druck der Quarkmaterie diesem zusätzlichen Zug standzuhalten vermag. Für einen zu grossen Sprung in der Energiedichte werden die Lösungen jedoch instabil. Zwillingssterne waren nicht unter den Lösungen, da der Übergangsdruck relativklein sein muss, während der Energiedichtesprung eher gross sein sollte. Das Auftreten zweier stabiler Äste in der Masse Radius Relation kann allerdingsmit dem SU(3) Modell und entsprechendem chiralen Phasenübergang modelliert werden. Für einen gewissen Parameterbereich einhergehend mit kleinem Wert des Vakuum Druckes B konnten Nicht-Linearitäten in der Zustangsgleichungzur Lösung der TOV Gleichung beitragen. Im Weitern ist das Zusammenspiel der Vektorkopplung und der Sigma Mesonen Masse einflussreich auf die Lösungen, welche auf Kausalität, Stabilität und neben der 2 Sonnenmassen Bedingung noch auf Restriktionen vom millisecond pulsar PSR J1748-2446ad untersucht wurden.Mit Weltraummissionen wie etwa NICER (Neutron star Interior CompositionExploreR) sollte die Radiusbestimmung kompakter Objekte in Zukunft bis auf einen Kilometer genau bestimmt werden können. Die Entdeckung von zweiSternen mit der gleichen Masse und unterschiedlichen Radien wäre in der Tat ein Beweis für die Existenz von Zwillingssternen, welche dann die Theorie des Phasenüberganges in dichter Materie untermauern würde. Das Kollaps-Szenario eines Zwillingssternes würde weiteren Aufschluss über Neutrino-Emmissivität, Gamma-ray burster und Gravitationswellen Signale geben können. Dynamische Simulationen in allgemein relativistischem Kontext für compact star merger mit den hier diskutierten Zustandsgleichungen sind bereits in Planung, um Eigenschaftenwie beispielsweise das Temperatur- und Dichteprofil solcher Objekte genauer zu analysieren.
In dieser Dissertation wird die Parametrisierung von subgitterskaligen (SGS) Prozessen in Atmosphärenmodellen untersucht. Die Arbeit befasst sich mit den stochastisch angetriebenen Flachwassergleichungen, im ersten Teil in einer räumlichen Dimension und im zweiten Teil in zwei Dimensionen. Die Einteilung in aufgelöste und SGS-Variable erfolgt in beiden Fällen über lokale räumliche Mittel der Ursprungsvariable und deren Abweichungen vom lokalen Mittel.
Im eindimensionalen Fall liegt zwischen den Variablen eine deutliche Separation der charakteristischen Zeitskalen vor, wodurch die Anwendung der stochastischen Moden Reduktion (SMR) ermöglicht wird. Die SMR generiert ein reduziertes Modell der aufgelösten Variable mit einer stochastischen SGS-Parametrisierung, im Folgenden auch Schließung genannt. Die SMR-Schließung basiert auf den Grundgleichungen des Flachwassermodells und ist numerisch effizient einsetzbar, da sie nur eine geringe Anzahl von benachbarten Zellen koppelt. Sie verbessert die Ergebnisse des reduzierten Modells und übertrifft die Ergebnisse zweier zum Vergleich untersuchter empirischer stochastischer Schließungen. Den größten Zugewinn liefert sie im Energiespektrum, insbesondere für kleine Skalen. Das Ergebnis der SMR-Schließung kann verbessert werden, indem die Amplitude der stochastischen Schließungskomponente gedämpft wird. Die SMR-Schließung ist skalenabhängig im Sinne der räumlichen Modellauflösung. Untersucht wird die Schließung bei Halbierung und Viertelung der räumlichen Auflösung, wo sie ihre Überlegenheit gegenüber den empirischen Schließungen wiederholt bestätigt.
Im Unterschied zum eindimensionalen Fall ist in zwei Dimensionen auch die Corioliskraft enthalten und eine räumliche Divergenz der Schwerewellen möglich. Zwischen der aufgelösten und der SGS-Variable kommt es erneut zu einer Separation der charakteristischen Zeitskalen. Die Separation ist allerdings weniger stark ausgeprägt als im eindimensionalen Fall. Grund hierfür ist das Auftreten einer lang korrelierten geostrophisch balancierten Mode, welche auch auf die SGS-Variable projiziert. Das Vorgehen zur Bestimmung der SMR-Schließung für das zweidimensionale Modell verläuft analog zum eindimensionalen Fall. Es werden die Ergebnisse des hoch aufgelösten Referenzmodells und zweier Modelle ohne SGS-Schließung verglichen.
This Ph. D. thesis with the title "Characterisation of laser-driven radiation beams: Gamma-ray dosimetry and Monte Carlo simulations of optimised target geometry for record-breaking efficiency of MeV gamma-sources" is dedicated to the study of the acceleration of electrons by intense sub-picosecond laser pulses propagating in a sub-millimeter plasma with near-critical electron density (NCD) and resulting generation of the gamma bremsstrahlung and positrons in the targets of different materials and thickness.
Laser-driven particle acceleration is an area of increasing scientific interest since the recent development of short pulse, high-intensity laser systems. The interaction of intense high-energy, short-pulse lasers with solid targets leads to the production of high-energy electrons in the relativistic laser intensity regime of more than 1018 W /cm2. These electrons play the leading role in the first stage of the interaction of laser with matter, which leads to the creation of laser sources of particles and radiation. Therefore, the optimisation of the electron beam parameters in the direction of increasing the effective temperature and beam charge, together with a slight divergence, plays a decisive role, especially for further detection and characterisation of laser-driven photon and positron beams.
In the context of this work, experiments were carried out at the PHELIX laser system (Petawatt High-Energy Laser for Heavy Ion eXperiments) at GSI Helmholtz Center for Heavy-Ion Research GmbH in Darmstadt, Germany. This thesis presents a thermoluminescence dosimetry (TLD) based method for the measurement of bremsstrahlung spectra in the energy range from 30 keV to 100 MeV. The results of the TLD measurements reinforced the observed tendency towards the strong increase of the mean electron energy and number of super-ponderomotive electrons. In the case of laser interaction with long-scale NCD-plasmas, the dose caused by the gamma-radiation measured in the direction of the laser pulse propagation showed a 1000-fold increase compared to the high contrast shots onto plane foils and doses measured perpendicular to the laser propagation direction for all used combinations of targets and laser parameters.
In this thesis I present novel characterisation method using a combination of TLD measurements and Monte Carlo FLUKA simulations applicable to laser-driven beams. The thermoluminescence detector-based spectrometry method for simultaneous detection of electrons and photons from relativistic laser-induced plasmas initially developed by Behrens et al. (Behrens et al., 2003) and further applied in experiments at PHELIX laser (Horst et al., 2015) delivered good spectral information from keV energies up to some MeV, but as it was presented in (Horst et al., 2015) this method was not really suitable to resolve the content of photon spectra above 10 MeV because of the dominant presence of electrons. Therefore, I created new evaluation method of the incident electron spectra from the readings of TLDs. For this purpose, by means of MatLab programming language an unfolding algorithm was written. It was based on a sequential enumeration of matching data series of the dose values measured by the dosimeters and calculated with of FLUKA-simulations. The significant advantage of this method is the ability to obtain the spectrum of incident electrons in the low energy range from 1 keV, which is very difficult to measure reliably using traditional electron spectrometers.
The results of the evaluation of the effective temperature of super-ponderomotive electrons retrieved from the measured TLD-doses by means of the Monte-Carlo simulations demonstrated, that application of low density polymer foam layers irradiated by the relativistic sub-ps laser pulse provided a strong increase of the electron effective temperature from 1.5 - 2 MeV in the case of the relativistic laser interaction with a metallic foil up to 13 MeV for the laser shots onto the pre-ionized foam and more than 10 times higher charge carried by relativistic electrons.
The progressive simulation method of whole electron spectra described with two -temperatures Maxwellian distribution function has been developed and the results of dose simulations were compared with the acquired experimental data. The advanced feature of this method, which distinguishes it from the results of the simulation of the photon spectrum using the interaction with the target of mono-energetic electron beams (Nilgün Demir, 2013; Nilgün Demir, 2019) or the initial electron spectrum expressed as a function of one electron temperature (Fiorini, 2012), is the ability to simulate the initial electron spectrum described by the Maxwellian distribution function with two temperatures.
The important objective of this thesis was dedicated to the study and characterisation of laser-driven photon beams. In addition to this, the positron beams were evaluated. The investigation of bremsstrahlung photons and positrons spectra from high Z targets by varying the target thickness from 10 µm to 4 mm in simulated models of the interactions of electron spectra with Maxwellian distribution functions allowed to define an optimal thickness when the fluences of photons and positrons are maximal. Furthermore based on the results of FLUKA simulations the gold material was found to be the most suitable for the future experiments as e − γ target because of its highest bremsstrahlung yield.
Additionally Monte Carlo simulations were performed applying the obtained electron beam parameters from the electron acceleration process in laser-plasma interactions simulated with particle-in-cell (PIC) code for two laser energies of 20 J and 200 J. The corresponding electron spectra were imported into a Monte Carlo code FLUKA to simulate the production process of bremsstrahlung photons and positrons in Au converter. FLUKA simulations showed the record conversion of efficiency in MeV gammas can reach 10%, which reinforces the generation of positrons. The obtained results demonstrate the advantages of long-scale plasmas of near critical density (NCD) to increase the parameters of MeV particles and photon beams generated in relativistic laser-plasma interaction. The efficiency of the laser-driven generation of MeV electrons and photons by application of low-density polymer foams is essentially enhanced.
Die antivirale Funktion der RNA-abhängigen Adenosin-Desaminase bei der angeborenen Immunantwort
(2004)
Die angeborene Immunantwort von Säugetieren ist die erste wirkungsvolle Barriere gegen eindringende Pathogene, die sowohl Infektionen als auch die Entstehung von Neoplasien verhindern kann. Insbesondere wird durch sie die Ausbreitung und Replikation von Viren wirksam bekämpft. Bei RNA-Viren wird die angeborene Immunabwehr in infizierten Zellen von der doppelsträngigen RNA aktiviert, die während der Replikation oder Transkription dieser Viren entsteht. Es kommt zur Sezernierung von Interferon-alpha und -beta (IFN-alpha/beta), die wiederum die Expression einer Reihe von antiviralen Proteinen stimulieren. Eines dieser Proteine ist die IFN-alpha-induzierbare RNA-abhängige Adenosin Desaminase (iADAR-1). Ziel dieser Arbeit war es, die Rolle der iADAR-1 in der Immunabwehr näher zu charakterisieren. Bisher wurde die antivirale Aktivität der iADAR-1 gegen verschiedene Virusstämme, deren Genome Adenosin zu Guanosin (A->G) Hypermutationen aufweisen, nur angenommen, jedoch noch nicht direkt gezeigt [4]. In dieser Arbeit wurde am Beispiel des Glykoproteins (GP) des lymphozytären Choriomeningitis Virus (LCMV) untersucht, ob solche A->G Mutationen im viralen Genom tatsächlich durch die iADAR-1 verursacht werden und ob dadurch die Funktion der viralen Proteine und damit die Infektiösität von LCMV reduziert wird. Des Weiteren wurde die Induktion der iADAR-1 durch die Infektion mit LCMV und die Wirkung der iADAR-1 auf die Replikation von LCMV analysiert. Bekannt war nur, dass die iADAR-1 durch IFN-alpha selbst oder durch die Infektion von Makrophagen mit Adenoviren induziert wird. In dieser Arbeit wurde erstmals für Fibroblasten, neuronale Zellen und in vivo in Mäusen nachgewiesen, dass die iADAR-1 direkt durch die Infektion mit LCMV hochreguliert wird. Dies ist ein weiterer Hinweis, dass die iADAR-1 zu den antiviralen Effektormolekülen der angeborenen Immunabwehr zählt. LCMV induzierte die Expression der iADAR-1 sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene. Im Gegensatz zu Vaccinia- und Adenoviren, die die Aktivität der iADAR-1 inhibieren [5, 6], konnte bei der Infektion von SH-SY5Y-Zellen mit LCMV keine reduzierte Aktivität der iADAR-1 festgestellt werden. Ferner konnte das schon in anderen Viren beobachtete A->G Hypermutationsmuster nun auch für LCMV bestätigt werden. Sowohl in vitro in L929-Zellen als auch in vivo in Mäusen wurde eine erhöhte A->G Mutationsfrequenz gefunden, die zwischen 50 und 75 % aller Mutationen in der S-RNA von LCMV ausmacht. Dies zeigte sich vor allem in der späten Phase der Infektion, also zu Beginn der Persistenz. Insgesamt wurden zu diesem Zeitpunkt in L929-Zellen 27 % und in der Maus 15 % nicht funktionelles LCMV-GP synthetisiert. Zudem wurde die Relevanz der A->G Hypermutationen für die beeinträchtigte Funktion des GPs deutlich, da sie 62 % der nicht infektiösen GP-Moleküle verursachen. Die desaminierende Wirkung der iADAR-1 auf das virale Genom von LCMV wurde in 293T-Zellen direkt gezeigt. A->G Mutationen in der S-RNA von LCMV nahmen durch die Überexpression der iADAR-1 in 293T-Zellen um 40 % zu. Ebenso wurde die Replikation bzw. das Assembly von Virionen durch die iADAR-1 reduziert, da im Vergleich zu Kontrollzellen der LCMV-Titer im Überstand von iADAR-1-überexprimierenden Zellen wesentlich niedriger war. Des Weiteren konnte bestätigt werden, dass die A->G Mutationen nicht durch die virale Polymerase induziert werden. Hierfür wurden iADAR-1 „knockout“ murine embryonale Fibroblasten (MEF) isoliert und als stabile Zelllinie etabliert. In diesen Zellen war kein A->G Hypermutationsmuster in der LCMV-RNA zu erkennen. In MEF wt war ebenfalls kein A->G Hypermutationsmuster nachweisbar. Der Grund hierfür könnte die im Vergleich zu L929-Zellen deutlich geringere basale iADAR-1-Expression der nicht völlig ausdifferenzierten MEFs sein.
Mechanismus der funktionell relevanten Kopplung von Kontaktallergenen in dendritischen Zellen
(2002)
Über die Signaltransduktion in Langerhanszellen, den antigenpräsentierenden Zellen der Epidermis, ist bisher nur wenig bekannt. Mit ein Grund dafür ist die schlechte Verfügbarkeit reiner Langerhanszellen aufgrund ihrer geringen Zahl und der schwierigen Präparation, die häufig schon zur Voraktivierung dieser Zellen führt. Humane unreife und reife dendritische Zellen erwiesen sich als geeignete Modellzellpopulation für kutane antigenpräsentierende Zellen. Mit Hilfe dieser Modellzellen wurde die Beteiligung von zentralen Signaltransduktionswegen nach Interaktion mit dem Kontaktallergen TNCB untersucht. 1. Zum ersten Mal wird gezeigt, dass TNCB in den ersten 10 Minuten nach der Haptenisierung bei dendritischen Zellen intrazellulär lokalisiert ist. Die Stimulation von DC mit dem starken Kontaktallergen TNCB führte zu einer Aktivierung der ERK1/2 MAP Kinase. Dieses Ergebnis entspricht der Vorstellung, dass starke Kontaktallergene in subtoxischen Konzentrationen zellulären Streß bei MAP Kinasen auslösen und somit zu einer für die Kontaktallergie typischen Antigenpräsentation führen. 2. Die Tyrosinphosphorylierung wurde bereits in vorausgegangenen Arbeiten (Kuhn, 1998; Brand, 2002) als Charakteristikum für haptenbehandelte Monozyten und humane dendritische Zellen herausgestellt. Diese Ergebnisse konnten mit humanen unreifen und reifen DC weitergeführt werden. Proteinbiochemisch ergab das Kontaktallergen TNCB ein spezifisches und reproduzierbares Muster hyperphosphorylierter Proteinbanden. Der gemessene Anstieg an Phosphotyrosin beruhte auf der gesteigerten Aktivität von Protein Tyrosin-Kinasen. 3. In weiteren Untersuchungen wurden Proteine massenspektrometrisch analysiert, die tyrosinphosphoryliert waren und gleichzeitig TNCB gebunden hatten. Es wurden drei Proteine identifiziert: Gewebstransglutaminase bei 74-80kD, Thyroidhormon Bindeprotein bei 58kD und Aktin bei 38kD. Nach Literaturrecherchen war die Transglutaminase am vielversprechendsten und wurde auf ihre Aktivität innerhalb der Kontaktallergen-induzierten Signaltransduktionskaskade hin untersucht. Drei strukturell verschiedene Stoffe, das Kontaktallergen TNCB, die Retinsäure (RA) und ein Phorbolester (PMA) induzierten eine starke, proteinbiochemisch meßbare Tyrosinphosphorylierung der ERK1/2 MAP Kinase. Aus der Literatur war die RA für eine Aktivierung der tTG bekannt (Antonyak et al., 2002) und PMA als Stimulator der ERK1/2 MAP Kinase (Chen et al., 2002; Lee et al., 2002) - aus diesem Grund wurden sie als Positivkontrolle mitgeführt. 4. Mittels Immunpräzipitation wurde der Nachweis, dass TNCB an die tTG bindet, erbracht. Dies war der erste Indikator für eine Bedeutung der tTG als Zielstruktur für ein Kontaktallergen. 5. TNCB, RA und PMA lösen eine gesteigerte Transamidierungsaktivität der tTG aus, die essentiell zur Induktion der ERK-Phosphorylierung ist. Dies wurde durch einen Transamidierungs Aktivitäts Assay bestimmt (Zhang et al., 1998), einem Nachweis der tTG Aktivität mittels Inkorporation von biotinylierten Polyaminen in lokale Proteine. 6. Sowohl die tTG Aktivität als auch die ERK-Phosphorylierung nach TNCB Stimulation konnten durch den spezifischen Inhibitor der Transamidierungsaktivität der tTG MDC gehemmt werden. Dies war ein zweiter Hinweis, dass die enzymatische Aktivität der tTG eine große Rolle spielt. Das gleichzeitige Ausbleiben der Transamidierung und der ERK-Phosphorylierung deutet auf den deutlichen Einfluß der tTG auf den Signaltransduktionsweg der ERK1/2 MAP Kinase hin. Analysen mit anderen starken Kontaktallergenen, wie z.B. Thiomersal und Chlormethylisothiazolon/ Methylisothiazolon bieten zukünftige Forschungsansätze zur weiteren Charakterisierung der funktionellen Bedeutung der tTG und des ERKWeges. Interessant wären auch Untersuchungen zur Hochregulation der tTGExpression in DC von 24-72 Stunden nach einer Inkubation mit TNCB, RA und PMA. Auch sind weitere Untersuchungen zur Signaltransduktionskaskade im Hinblick auf die erforderlichen, nachgeschalteten Elemente interessant, wie z.B. der von der tTG aktivierten Protein B Kinase AKT (Antonyak et al., 2002) sowie beteiligter Kinasen des ERK-Weges.
In der vorliegenden Arbeit wurde das Zinkfinger-µ-Protein HVO_2753 des halophilen Archaeons Haloferax volcanii hinsichtlich seiner biologischen Funktion und seiner Struktur charakterisiert.
Zinkfinger-µ-Proteine wurden bisher nur sehr wenig untersucht, während ihnen jedoch in den letzten Jahren steigendes Interesse entgegengebracht wird. Im Genom von H. volcanii sind mehr als 40 solcher Zinkfinger-µ-Proteine codiert. Von diesen besitzt mit HVO_2753 lediglich eines nicht nur zwei, sondern vier der charakteristischen C(P)XCG-Muster, was für die Anwesenheit von zwei Zinkfinger-Motiven spricht. Während Homologe von HVO_2753 in vielen Euryachaeota vorkommen und manche davon als Zink-Ribbon RNA-Bindeproteine annotiert sind, ist über ihre Funktion jedoch nichts bekannt. Zur Charakterisierung des Proteins wurde zunächst eine in frame-Deletionsmutante seines Gens erstellt und diese einer phänotypischen Charakterisierung unterzogen. Die Mutante wies, verglichen mit dem Wildtyp, keine Unterschiede im Wachstum in Komplexmedium oder in synthetischem Medium mit Glukose als Kohlenstoffquelle auf. Ein schweres Defizit konnte jedoch sowohl bei der Adhäsion und Biofilmbildung als auch der Schwärmfähigkeit der Deletionsmutante festgestellt werden. Während die Schwärmfähigkeit des Wildtyps durch plasmidische Expression von HVO_2753 in der Deletionsmutante teilweise wiederhergestellt werden konnte, war eine solche Komplementation bei der Biofilmbildung nicht möglich. Die Analyse der Relevanz ausgewählter Aminosäuren, wie beispielsweise das jeweils erste Cystein in jedem C(P)XCG-Muster zeigte, dass die Substitution jeder einzelnen der getesteten Aminosäuren einen Funktionsverlust des Proteins nach sich zieht. Die Untersuchung des HVO_2753-Transkripts mittels Northern Blot-Analyse bestätigte erste Hinweise aus vorangegangenen dRNA- und RNA-Seq-Studien, die eine Co-Transkription von HVO_2753 mit dem Nachbargen HVO_2752, das für den Translations-Elongationsfaktor aEF-1 beta codiert, aufzeigten. Daraufhin erfolgte eine Untersuchung des Ribosomenprofils, bei der keine Unterschiede zwischen der Deletionsmutante und der Überexpressionsmutante von HVO_2753 festgestellt werden konnten.
Eine Variante von HVO_2753 mit N-terminalem Hexahistidin-Tag wurde homolog überproduziert und aufgereinigt. Die Überproduktion und Aufreinigung wurden im Zuge dieser Arbeit weiter, speziell für HVO_2753, optimiert. So konnten große Mengen von HVO_2753n überproduziert und bei nativen Salzbedingungen mittels Nickel-Affinitätschromatographie und anschließender Größenausschlusschromatographie aufgereinigt werden. Eine massenspektrometrische Analyse bestätigte sowohl das Molekulargewicht als auch die Abwesenheit posttranslationaler Modifikationen. Die Untersuchung der Menge an gebundenem Zink im Protein erfolgte beim Zink-Assay mit Hilfe des hochsensitiven und hochspezifischen Fluorophors ZnAF-2F. Dabei konnte gezeigt werden, dass überraschenderweise lediglich ein Zink-Ion in HVO_2753 gebunden vorliegt.
Zur weiteren Funktionsaufklärung erfolgte eine Interaktionspartnersuche. Hierfür wurde HVO_2753 überproduziert, ein in vivo-Crosslink und anschließend eine native Aufreinung durchgeführt. Die massenspektrometrische Analyse ausgewählter Fraktionen nach der Größenausschlusschromatographie ergaben eine Vielzahl an möglichen Bindepartnern. Besonders häufig wurde hier die GalE family Epimerase/Dehydratase gefunden. Eine weitere Methode zur Suche nach Interaktionspartnern richtete sich auf RNAs. Hier konnten mittels eines eigens entwickelten Protokolls neben RNAs des Translationsapparates auch mehrfach die tRNA(Glu) gefunden werden.
Zusätzlich sollte die Transkriptomanalyse mittels RNA-Sequenzierung Unterschiede zwischen Wildtyp, Deletionsmutante und Komplementationsmutante aufzeigen. Hier wurden weitreichende Auswirkungen der Deletion von HVO_2753 gefunden. Zahlreiche Gene in mehreren Operons zur Motilität und Chemotaxis lagen in der Deletionsmutante stark herunterreguliert vor, während die Gene einiger Metallionen-Transporter und der Eisen(III)-Siderophor-Biosynthese hochreguliert vorlagen. In der Komplementationsmutante konnten nur von den letzteren Genen Transkriptlevel vergleichbar mit denen des Wildtyps wiedergefunden werden.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass das kleine Zinkfinger-Protein HVO_2753 eine essenzielle Rolle in der positiven Regulation der Motilität, Chemotaxis und der Adhäsion bzw. Biofilmbildung spielt. Gleichzeitig übt HVO_2753 eine negative Regulation auf den Metallionen-Transport und die Biosynthese des Eisen(III)-Siderophors aus.
Konuskronen verankerter Zahnersatz hat sich seit mehreren Jahrzehnten als hervorragende Therapieform zur Versorgung des reduzierten Restgebisses bewährt und verbindet zahlreiche Vorteile des festsitzenden mit denjenigen des herausnehmbaren Zahnersatzes. Vor dem Hintergrund einer steigenden Relevanz ästhetischer Versorgungen sowie einer größer werdenden Ablehnung der Patienten hinsichtlich der Verwendung metallischer Werkstoffe, gewann das Ziel, auch kombiniert festsitzend-herausnehmbaren Zahnersatz metallfrei zu fertigen, zunehmend an Bedeutung. Ziel der vorliegenden prospektiven klinischen Studie war die Evaluation des klinischen Langzeitverhaltens von keramischen Primärkronen aus IPS Empress 2® kombiniert mit Sekundärkronen und Prothesengerüsten aus faserverstärktem Kunststoff (Vectris®) sowie die Untersuchung der Patientenzufriedenheit. Als Kontrollgruppe dienten keramische Primärkronen mit Sekundärkronen aus Galvanogold und metallischen Gerüsten. Dazu wurden 29 Patienten mit insgesamt 37 Konusprothesen auf 165 keramischen Primärkronen versorgt, 27 (73%) Prothesen entfielen auf die Kontrollgruppe und 10 (27%) Prothesen auf die Testgruppe. Eingebunden in ein Recall-System, wurden die Patienten in halbjährigen Abständen über einen Zeitraum von 5 Jahren nachuntersucht. Zur Evaluation der Patientenzufriedenheit erhielten die Studienteilnehmer jeweils vor Therapiebeginn, nach Fertigstellung der Konusprothesen und im einjährigen Abstand einen Fragebogen. Die Zeit unter Risiko betrug durchschnittlich 59 ± 22 Monate (min. 16, max. 96 Monate), Befragungen hinsichtlich der Patientenzufriedenheit wurden über 46 ± 18 Monate durchgeführt (min. 15, max. 66 Monate). Beide Gruppen zeigten eine vergleichbar hohe Reparaturanfälligkeit. 88,9% der Restaurationen in der Kontrollgruppe, sowie 90% der Restaurationen in der Testgruppe mussten mindestens einmal instand gesetzt werden (Mann-Whitney-U-Test, p = 0,121). Auch das Schadensrisiko der vollkeramischen Primärkronen zeigte keine statistischen Unterschiede (Testgruppe: 10,81%; Kontrollgruppe: 10,16%; exakter Fisher-Test, p > 0,05). Die Häufigkeit einer Neuanfertigung der Konusprothese war bei der Test-Gruppe (40%) höher als bei der Kontroll-Gruppe (14,8%), ein statistisch signifikanter Unterschied war zwischen beiden Gruppen nicht nachzuweisen (exakter Fisher-Test, p = 0,16). Die Erfolgsrate zeigte in Abhängigkeit der Zeit unter Risiko jedoch ab 2,5 Jahren schlechtere Werte bei metallfreien Prothesen als bei der Kontrollgruppe, nach etwa 5 Jahren nahm dieser Unterschied deutlich zu (Kontrollgruppe: 86%, Testgruppe: 24%) und unterschied sich statistisch signifikant (Log-Rank-Test, p=0,041). Bei drei der 128 Galvano-Matrizen kam es zu einer Beschädigung an den Sekundärstrukturen, bei 9 von 37 Matrizen aus glasfaserverstärktem Kunststoff trat ein Schaden auf. Dieser Unterschied war statistisch hochsignifikant und belegt, dass Vectris®-Mesostrukturen eher zum Versagen neigen als Galvano-Sekundärkronen (exakter Fisher-Test, p = 0,00008). Im Gegensatz zu den durchaus unterschiedlichen klinischen Ergebnissen und den unbefriedigend hohen Reparaturzahlen war die Patientenzufriedenheit mit den jeweiligen Studienprothesen für beide Gruppen vergleichbar gut. Zu keinem Zeitpunkt zeigte sich eine relevante Personenzahl in einer der Gruppen mit dem erhaltenen Zahnersatz unzufrieden. So war in der Testgruppe initial lediglich eine Person unzufrieden, änderte diese Einstellung jedoch im Rahmen der weiteren Kontrollen. Eine weitere Person war anfangs zufrieden, dann vorübergehend unzufrieden, um im Weiteren erneut ihre Zufriedenheit zu äußern. Für die Metallgruppe ergab sich lediglich in der letzten Nachkontrolle eine Person, die unzufrieden mit dem Zahnersatz war. Statistisch signifikante Unterschiede zwischen den Gruppen waren somit zu keinem Zeitpunkt nachzuweisen (exakter Fisher-Test, alle p > 0,05). Die vorliegende Untersuchung bestätigt, dass sich die Verwendung keramischer Primärkronen in Doppelkronenrestaurationen prinzipiell bewährt und die Anforderungen an die gestellten Parameter wie Haftkraftstabilität, Biokompatibilität und Ästhetik erfüllt. Jedoch weist die Lithiumdisilikat-Glaskeramik IPS Empress 2® eine unzureichende Stabilität auf, für diesen Indikationsbereich sind daher ausschließlich hochfeste Zirkoniumdioxid-Keramiken zu empfehlen. Mit diesem Material ist ein wesentlich geringeres Reparaturrisiko zu erwarten. Als Matrizenwerkstoff zeigten galvanogeformte Sekundärkappen sehr gute klinische Ergebnisse. Die hohe Passungspräzision, welches durch die intraorale Fügung erreicht wird, gewährleistet eine ideale Lagerung des Zahnersatzes und reduziert kinetikbedingte Schäden auf ein Minimum. Das Ziel der Untersuchung, die dauerhafte klinische Bewährung metallfreier Konusprothesen aus dem Glasfaserverbundmaterial Vectris® nachzuweisen, konnte nicht erreicht werden. Die Ergebnisse dieser prospektiven klinischen Studie belegen eine Überlegenheit der metallischen Konusprothese. Somit bedarf die Realisation einer klinisch verlässlichen metallfreien Konusprothese noch erheblichen Forschungs- und Entwicklungsbedarf. Insbesondere die Substitution von galvanogeformten Feingoldmatrizen stellt eine große Herausforderung dar.
In this work, we extend the Hegselmann and Krause (HK) model, presented in [16] to an arbitrary metric space. We also present some theoretical analysis and some numerical results of the condensing of particles in finite and continuous metric spaces. For simulations in a finite metric space, we introduce the notion "random metric" using the split metrics studies by Dress and al. [2, 11, 12].
Die halophilen Archaea Haloferax volcanii und Halobacterium salinarum haben sich aufgrund ihrer metabolischen Vielseitigkeit und der Verfügbarkeit vieler molekulargenetischer und biochemischer Techniken zu archaealen Modellorganismen für die Untersuchung zellulärer Prozesse entwickelt. In den vergangenen Jahren wurden eine Vielzahl prokaryaler Genome sequenziert, es zeigte sich jedoch, dass ca. 30% aller Gene keine Funktion zugeordnet werden kann. Die funktionelle Genomforschung zielt darauf, durch parallele genomweite Untersuchung der Genexpression die Funktion der Transkripte bzw. der Proteine aufzuklären. In der vorliegenden Arbeit wurden für beide halophilen Archaea genomweite Genexpressionsanalysen unter Verwendung der DNA-Mikroarray- Technologie etabliert. Aufgrund der derzeit nicht vorhandenen Genomsequenz wurde für die Untersuchung der Genexpression von H. volcanii der erste und bisher einzig beschriebene genomweite shotgun-DNA-Mikroarray konstruiert. Dazu wurde zunächst eine Genombibliothek mit einer durchschnittlichen Fragmentgröße von 1,5 kb hergestellt. Die Genombibliothek wurde anschließend in eine PCR-Produkt-Bibliothek umgewandelt, die dazu genutzt wurde, in einem hochdichten Raster zwei DNA-Mikroarrays herzustellen, einen 960-Sonden DNA-Mikroarray zur Etablierung und Optimierung der Methode und einen 2880-Sonden DNA-Mikroarray, der einer einfachen Genomabdeckung entspricht. Für den Vergleich der Genexpression nach einer Änderung der Kohlenstoffquelle wurden Zellen von H. volcanii einem Wechsel von Wachstum mit Aminosäuren zu Wachstum mit Glukose als alleiniger Kohlenstoff-Quelle unterzogen. Die Transkriptomänderungen vom Wechsel der Kohlenstoff-Quelle bis zum erneuten Beginn des exponentiellen Wachstums wurden zu fünf Zeitpunkten mit dem 2880-Sonden DNA-Mikroarray analysiert. Es wurden fünf verschiedene Klassen kinetisch gleichregulierter Gene gefunden, die entweder induziert, reprimiert oder transient induziert waren. Insgesamt wurden ca. 10% aller Gene zu mindestens einem Zeitpunkt mehr als 2,5 fach reguliert. Für Gene aller fünf Klassen wurden die Ergebnisse durch Northern-Analysen verifiziert. Die Identität der regulierten Gene wurde durch Sequenzierung der PCR-Produkte von beiden Enden ermittelt. Es wurde ein breites Spektrum an Genen identifiziert, deren Genprodukte für unterschiedliche funktionelle Kategorien wie Stoffwechselenzyme, ABC-Transporter, regulatorische Proteine und hypothetische Proteine usw. kodieren. Viele gleichregulierte Gene kodieren für Proteine gemeinsamer Funktion. Erwartete wie auch unerwartete Ergebnisse erlaubten Vorhersagen über den zentralen Metabolismus, die Transportkapazität und der zellulären Organisation bei Wachstum von H. volcanii auf Aminosäuren bzw. Glukose. Die Mikroarray-Analysen stehen im Einklang mit der Wachstumsrate und dem Ribosomengehalt von H. volcanii bei Wachstum auf den alternativen Kohlenstoffquellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass ein shotgun-DNA-Mikroarray mit einfacher Genomabdeckung die Charakterisierung der Regulation metabolischer Prozesse sowie die funktionelle Charakterisierung von Proteinen bzw. Proteinkomplexen erlaubt. Für Halobacterium salinarum, dessen Genomsequenz bekannt ist, wurde ein genomweiter genspezifischer DNA-Mikroarray konstruiert. Hierzu wurde jeder ORF des Genoms unter Verwendung von ORF-spezifischen Oligonukleotiden mittels PCR amplifiziert. Zur Etablierung dieses Systems wurden zunächst mit einem 200-Sonden DNA-Mikroarray exemplarisch Genexpressionsanalysen für zwei verschiedene Wachstumsbedingungen durchgeführt. Bei anaeroben Wachstum von H. salinarum durch fermentativen Argininabbau wurden im Vergleich zu aeroben Wachstum die für die Argininfermentation essentiellen Gene induziert. Dagegen wurden charakteristische Gene des aeroben Stoffwechsels reprimiert. Zur Untersuchung des Zellzyklusses von H. salinarum wurde der genomweite genspezifische DNAMikroarray verwendet. Um erstmals genomweit die zellzyklusspezifische Genexpression eines Archaeons zu analysieren, wurden Zellen von H. salinarum durch eine reversible Zellzyklusblockade mit Aphidicolin, einem DNA-Polymerase Inhibitor, synchronisiert. Vorläufige Transkriptomstudien mit einer synchron wachsenden H. salinarum-Kultur deuten an, dass die Transkription der Mehrzahl der Gene im Verlauf des Zellzyklusses nicht reguliert wird. Die Untersuchungen dieser Arbeit bilden die Grundlage für genomweite funktionelle Charakterisierungen haloarchaealer Genexpression und Regulationsprozesse.
Nucleotide-binding domains (NBDs), roughly 27 kDa in size, are conservative components of the large family of ABC (ATP-binding cassette) transporters, which includes importers, exporters, and receptors. NBDs or ABC-ATPases supply energy for the translocation of a vast variety of substrates across biological membranes. Despite their hydrophilic sequence, many NBDs tend to aggregate and precipitate in solution upon isolation from the complete transporter. The conditions stabilizing an extremely labile NBD component of the E.coli HlyA transporter, HlyB-NBD, were developed. As a result, the pure highly concentrated enzyme was protected from precipitation for months that allowed screening of the unlimited crystallization conditions in the presence of different substrates and performance of the reproducible functional assays. HlyB-NBD was characterized in regard to its uncoupled ATPase activity, oligomeric state, and stability in solution. Comparative analysis of protein stability and ATPase activity in various buffers suggested an inverse relationship between the two. Kinetic analysis of ATPase activity revealed ATP-induced protein dimerization. Gel-filtration experiments with the wild type protein and H662A-mutant of HlyB-NBD provided further evidence of protein dimerization in the presence of ATP. The crystal structures in post- and pre-hydrolysis nucleotide-bound states of HlyB-NBD were determined at 1.6Å and 2.5Å resolution, respectively. While the hydrolytically deficient H662A mutant of HlyB-NBD was crystallized as a stable dimer in the presence of ATP or ATP-Mg2+, with two nucleotide molecules sandwiched between the two monomers, the same protein was shown to be a monomer in the ADP-loaded state. The wild type protein failed to develop crystals with bound ATP, yet formed ADP-bound crystals identical to those of the H662A-mutant. The X-ray structures of HlyB-NBD in various states of the hydrolytic cycle and the functional studies of the enzyme have provided an opportunity to characterize enzyme-substrate complexes and protein-protein interactions between the NBD subunits in great detail. Comparison of the nucleotide-free, the ADP-, and the ATP-loaded states revealed oligomeric and conformational changes of the protein upon substrate binding and resulted in a molecular picture of the catalytic cycle. The correlated results of the structural and functional investigations of HlyB-NBD are discussed with relation to the mechanism of action of ABC transporters.
Modern computational molecular quantum chemical studies, such as the present one, typically employ a wide range of theoretical techniques. The latter are often rather complicated and one should not generally expect that an experimental scientist in the area of physical chemistry, a potential reader of this work, should be familiar with all these techniques. To simplify the reading of the Thesis and to make it self-sufficient, it is supplied with an overview of the employed theoretical methodologies (Chapter 1). The overview explains basic quantum-chemical terminology referred to throughout the Thesis, introduces theoretical foundations of the methods and outlines their properties and limitations. In Part 1.1 of Chapter 1, methods for the solution of the molecular Schrödinger equation are introduced, while in the subsequent Parts 1.2 and 1.3 methods for the solution of the electronic Schrödinger equation are presented to find the ground and excited states, respectively. Part 1.4 is dedicated to basis-set effects which are omnipresent in electronic-structure calculations. It contains a number of unusual insights and concepts proposed by the author and, thus, may be insightful also to experts in quantum chemistry.
In Chapter 2, the phenomenon of acetone-water proton exchange catalyzed by tubular as well as amorphous aggregates of calix[4]hydroquinone (CHQ) macromolecules, which has been observed previously in NMR experiments (Ref. D1D), is investigated by means of correlated quantum-chemical methods. The first part of the study (Section 2.3-2.7) considers concerted proton transfer, assisted by several initially neutral OH-groups in the hydrogen-bonded networks of CHQ aggregates. The second part of the study (Section 2.8-2.13) is dedicated to a second mechanism of proton exchange: step-wise proton transfer via formation of ionic intermediates resulting from CHQ pre-dissociation. CHQ application-specific as well as general conclusions, relevant to the main topic of the Thesis (i.e. influence of specific microsolvation on the considered proton transfer processes), are presented in Section 2.14.
The phenomenon of dual fluorescence observed in clusters of methyl 4-N,N-dimethylaminobenzoate ester (DMABME) and two water molecules in the gas phase, is studied in Chapter 3. Experimentally, the dual fluorescence was detected in experiments combining optical and ground-state ion-depletion infrared spectroscopies in ultracold molecular beams (Ref. D2D). In Section 3.3, calculated ground-state infrared spectra are presented that allow to identify the structures of those isomers, which are present in the gas-phase, as well as the structure of the isomer responsible for dual fluorescence. To further understand the reaction mechanism of dual fluorescence, excited-state potential energy surfaces of the identified isomers were computed along the relevant twisted intermolecular charge-transfer formation coordinate and the mechanism of energy dissipation in these complexes was investigated (Section 3.4-3.5) (Ref. D3D). A brief summary of the main results of this chapter and conclusions are given in Section 3.6. Finally, in Section 3.7 a complementary benchmark study of the quality of ground-state potential energy surfaces of prototypical hydrogen-bonded systems (ammonia-water and formic acid-water dimers) obtained at the level of BSSE-corrected MP2 combined with moderate basis sets, has been conducted. The quality of potential energy surfaces was tested with respect to basis-set size, level of electron correlation and anharmonicity effects and the applied methodology to identify the IR spectrum of hydrated DMABME complexes (Section 3.3) has been found to be sufficient to uniquely assign the IR spectra.
The members of the multidrug/oligosaccharidyl-lipid/polysaccharide (MOP) transporter superfamily mediate export of a wealth of molecules of physiological and pharmacological importance. According to the Transporter Classification Database (TCDB), the MOP superfamily is mainly categorized into six distantly related families functionally characterized families: the multidrug and toxic compound extrusion (MATE), the polysaccharide transporter (PST), the oligosaccharidyl-lipid flippase (OLF), the mouse virulence factor (MVF) the agrocin 84 antibiotic exporter (AgnG), and the progressive ankylosis (Ank) family. Among these, the multidrug resistance MATE family transporters are most ubiquitous, being present in all domains of life: Archaea, Bacteria and Eukarya. As secondary active transporters, they utilize transmembrane electrochemical ion gradients of Na+ and/or H+ in order to drive the efflux of xenobiotics or cytotoxic metabolic waste products with specificity mainly for polyaromatic and cationic substrates. Active efflux of drugs and toxic compounds carried out by multidrug transporters is one of the strategies developed by bacterial pathogens to confer multidrug resistance. MATE proteins provide resistance to, e.g., fluoroquinolone, aminoglycoside antibiotics, and anticancer chemotherapeutical agents, thus serving as promising pharmacological targets for tackling a severe global health issue. Based on their amino acid sequence similarity, the MATE family members are classified into the NorM, the DNA-damage-inducible protein F (DinF), and the eukaryotic subfamilies. Structural information on the alternate conformational states and knowledge of the detailed mechanism of the MATE transport are of great importance for the structure-aided drug design. Over the past decade, the crystal structures of representative members of the NorM, DinF and eukaryotic subfamilies have been presented. They all share similar overall architecture comprising 12 transmembrane helices (TMs) divided into two domains, the N-terminal domain (TMs 1-6) and the C-terminal domain (TMs 7-12), connected by a cytoplasmic loop between TM6 and TM7 (Fig. II.1). Since all available MATE family structures are known only in V-shaped outward-facing states with the central binding cavity open towards the extracellular side, a detailed understanding of the complete transport cycle has remained elusive. In order to elucidate the underlying steps of the MATE transport mechanism, structures of distinct intermediates, particularly inward-facing conformation, are required.In my PhD project, structural and functional studies have been performed on a MATE family (DinF subfamily) transporter, PfMATE, from the hyperthermophilic and anaerobic archaeon Pyrococcus furiosus. This protein was produced homologously in Pyrococcus furiosus as well as heterologously in Escherichia coli, and used for the subsequent purification and crystallization trials by the vapor diffusion (VD) and lipidic cubic phase (LCP) method. To the best of my knowledge, PfMATE is the first example of a successful homologous production of a membrane protein in P. furiosus. Due to the very low final amount of the purified protein from the native source, the heterologously produced PfMATE samples were typically used for the extensive structural studies. Crystal structures of PfMATE have been previously determined in an outward-facing conformation in two distinct states (bent and straight) defined on the arrangement of TM1. A pH dependent conformational transition of this helix regulated by the protonation state of the conserved aspartate residue Asp41 was proposed. However, it has been discussed controversially, leading to the hypothesis about TM1 bending to be rather affected by interactions with exogenous lipids (monoolein) present under the crystallization conditions. Based on these open questions, an experimental approach to investigate the role of lipids as structural and functional modulators of PfMATE has been taken in the course of my PhD project. The interplay between membrane proteins and lipids can affect membrane protein topology, structure and function. Considering differences between archaeal and bacterial lipid composition, cultivation of P. furiosus cells and extraction of its lipids was followed by the mass spectrometry (MS) based lipidomics for identification of individual lipid species in the archaeal extract. In order to assess the effects of lipids on PfMATE, different lipid molecules were used for co-purification and co-crystallization trials. This dissertation presents a workflow leading to the structure determination of a MATE transporter in the long sought-after inward-facing state, which has been achieved upon purification and crystallization of the heterologously produced PfMATE in the presence of lipids from its native source P. furiosus. Also, the PfMATE outward-facing state obtained from the crystals grown at the acidic pH conditions sheds light on the previously proposed pH-dependent structural alterations within TM1. It is interesting to note that the inward and outward-facing states of PfMATE were obtained from the crystals grown under similar conditions, but in the presence and absence of native lipids, respectively. This observation supports the hypothesis about physiologically relevant lipids to act as conformational modulators or/and a new class of substrates, expanding the substrate spectrum of the MATE family transporters. Comparative analysis of two PfMATE states reveals that transition from the outward to the inward-facing state involves rigid body movements of TMs 2-6 and 8-12 to form an inverted V, facilitated by a loose binding of TMs 1 and 7 to their respective bundles and their conformational flexibility. Local fluctuations within TM1 in the inward-facing structure, including bending and unwinding in the intracellular half of the helix, invoke its highly flexible nature, which is suitable for ion and substrate gating.
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B-cell acute lymphoblastic leukaemia (B-ALL) is characterized by the overproduction of lymphoblasts in the bone marrow (BM), and it is the most common cancer in children while being comparatively uncommon in adults. On the other hand, in chronic myeloid leukaemia (CML), 70% of cases are found in patients older than 50 years, making it uncommon in children. All CML cases and up to 3% of paediatric B- ALL (and 25% of adult B-ALL) cases are due to fusion gene BCR-ABL1, which gives rise to the cytoplasmatic, constitutively active oncoprotein, tyrosine kinase BCR-ABL1 through a reciprocal translocation between chromosomes 9 and 22. The constitutively active BCR-ABL tyrosine kinase leads to deregulation of different signal transduction pathways such as cell growth, proliferation and cell survival. The role of the bone marrow microenvironment (BMM) can mediate disease initiation (only in mice), progression, therapy resistance, and relapse, as has been increasingly recognized over the last two decades. In general, the BMM is a very complex arrangement of various cell types such as osteoblasts, osteoclasts, endothelial cells, adipocytes, mesenchymal stromal cells, macrophages and several others. In addition, the BMM is composed of multiple chemical and mechanical factors and extra cellular matrix (ECM) proteins which contribute to the BMM’s features influencing leukaemia behaviour. Considering the incidence of B-ALL and CML in children and in adults respectively, we hypothesized that the young and/or an aged BMM might also play a previously unrecognized role in the aggressiveness of B-ALL and CML. We proposed that BM, transduced with BCR-ABL1-expressing retrovirus in the murine transduction/transplantation model of B-ALL, transplanted into young versus old recipient mice would lead to a more aggressive disease in young mice, and similarly CML would be more aggressive in old recipient mice. In close recapitulation with the human incidence, induction of CML led to a significantly shorted survival in old recipient mice. On the other hand, induction of B-ALL showed a shortened survival in young compared to old syngeneic mice, as well as in a xenotransplantation model. Among the highly heterogenous composition of the BMM, we implicate young BM macrophages as a supportive niche for B-ALL cells. The results were found to be mostly due to potential soluble factors differentially secreted from young and old macrophages. Therefore, we hypothesized that the chemokine CXCL13, which has been demonstrated to play a role in B cell migration and act as a diagnostic marker in the cerebrospinal fluid of patients with neuroborreliosis, might be responsible for the observed phenotype. CXCL13 was found to be more highly expressed in healthy and leukaemic young mice as well as in conditioned medium of young macrophages. Using a variety of in vitro experiments, CXCL13 showed to significantly increase the proliferation and the migration of leukaemia cells when exposed to young macrophages, and the phenotype was rescued while using a CXCL13 neutralizing antibody. The CXCL13 role was also confirmed in vivo, since macrophage ablation led to a prolongation of survival in young mice and a reduction of CXCL13 levels. The use of an additional mouse model, leukaemia cells with CXCR5 deficiency, led to a significant prolongation of survival of young mice, confirming the importance of the CXCL13-CXCR5 axis in B-ALL. In line with our murine results, we found that human macrophages and CXCL13 levels were higher in pediatric B-ALL patients than in adults. Consistent with our murine data, the expression level of CXCR5 may act as a prognostic marker in B-ALL, as well as a predictive marker for central nervous system relapse in human B-ALL. The overall findings show that a young BMM, and in particular macrophages, influences B-ALL progression. We specifically identified CXCL13, secreted by young macrophages, as a promoter of proliferation of B-ALL cells, influencing survival in B-ALL via CXCR5. The CXCR5-CXCL13 axis may be relevant in human B-ALL, and higher CXCR5 expression in human B-ALL may act as a predictive marker.