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Cryo-electron tomography (cryo-ET) is a powerful method to elucidate subcellular architecture and to structurally analyse biomolecules in situ by subtomogram averaging (STA). Specimen thickness is a key factor affecting cryo-ET data quality. Cells that are too thick for transmission imaging can be thinned by cryo-focused-ion-beam (cryo-FIB) milling. However, optimal specimen thickness for cryo-ET on lamellae has not been systematically investigated. Furthermore, the ions used to ablate material can cause damage in the lamellae, thereby reducing STA resolution. Here, we systematically benchmark the resolution depending on lamella thickness and the depth of the particles within the sample. Up to ca. 180 nm, lamella thickness does not negatively impact resolution. This shows that there is no need to generate very thin lamellae and thickness can be chosen such that it captures major cellular features. Furthermore, we show that gallium-ion-induced damage extends to depths of up to 30 nm from either lamella surface.
Precise intensity monitoring at CRYRING@ESR: on designing a Cryogenic Current Comparator for FAIR
(2023)
In the field of today’s beam intensity diagnostic there is a significant gap in the non-interceptive, calibrated measurement of the absolute intensity of continuous (unbunched) dc beams with current amplitudes below 1 μA. At the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) low-intensity DC beams will occur during slow extraction from the synchrotrons as well as for coasting beams of highly-charged or exotic nuclei in the storage rings. The lack of adequate beam instrumentation limits the experimental program as well as the accuracy of experimental results.
The Cryogenic Current Comparator (CCC) can close the diagnostic gap with a high-precision dc current reading independent of ion-species and of beam parameters. However, the established detector design based on a core with high magnetic permeability and on a radial shield geometry has well-known weaknesses concerning magnetic shielding efficiency and intrinsic current noise. To eliminate these weaknesses, a novel coreless CCC with a co-axial shield was constructed and combined with a high-performance SQUID contributed by the Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz-IPHT Jena). The new axial CCC model was compared to a radial CCC with the established design provided by the Friedrich-Schiller-University Jena. According to numerical simulations prepared at TU Darmstadt and test measurements of the detectors in the laboratory, the new design offered a significant improvement of the shielding factor – from 75dB to 207dB at the required dimensions – and eliminated all noise contributions from the core material, promising an improved current resolution. Although the lower inductance of the pickup coil reduced the coupling to the beam significantly, the noise properties of the new CCC type were comparable to the classical version with a high-permeability core. However, the expected decrease of the low-frequency noise and thus an increase of the current resolution could not be observed at this stage of development.
Consequently, the classical CCC based on the radial shielding and high-permeability core had to be installed in CRYRING@ESR to provide best possible intensity measurements for the upcoming experimental campaign. In CRYRING the CCC was operated with beam currents between 1nA and 20μA and with different ion species (H, Ne, O, Pb, U). It was shown that the CCC provides a noise-limited current resolution of better than 3.2 nArms at a bandwidth of 200 kHz as well as a noise level below 40 pA/√Hz above 1 kHz. During the operation, the main noise sources of the accelerator environment had to be identified and suitable mitigation strategies were developed. Temperature and pressure fluctuations were suppressed with a newly-designed cryogenic support system based on a 70 l helium bath cryostat, developed and built in collaboration with the Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden, in combination with a helium re-liquefier. The cryogenic operating time was restricted to around 7 days, which must be expanded significantly in the future. Digital filters were developed to remove the perturbations of the helium liquefier and of the neighboring dipole magnets. Given the promising results the CCC system can be considered as a prototype for future CCCs at FAIR.
We estimate the temperature dependence of the bulk viscosity in a relativistic hadron gas. Employing the Green–Kubo formalism in the SMASH (Simulating Many Accelerated Strongly-interacting Hadrons) transport approach, we study different hadronic systems in increasing order of complexity. We analyze the (in)validity of the single exponential relaxation ansatz for the bulk-channel correlation function and the strong influence of the resonances and their lifetimes. We discuss the difference between the inclusive bulk viscosity of an equilibrated, long-lived system, and the effective bulk viscosity of a short-lived mixture like the hadronic phase of relativistic heavy-ion collisions, where the processes whose inverse relaxation rate are larger than the fireball duration are excluded from the analysis. This clarifies the differences between previous approaches which computed the bulk viscosity including/excluding the very slow processes in the hadron gas. We compare our final results with previous hadron gas calculations and confirm a decreasing trend of the inclusive bulk viscosity over entropy density as temperature increases, whereas the effective bulk viscosity to entropy ratio, while being lower than the inclusive one, shows no strong dependence to temperature.
Abstract
The endoplasmic reticulum (ER) is a key organelle of membrane biogenesis and crucial for the folding of both membrane and secretory proteins. Sensors of the unfolded protein response (UPR) monitor the unfolded protein load in the ER and convey effector functions for maintaining ER homeostasis. Aberrant compositions of the ER membrane, referred to as lipid bilayer stress, are equally potent activators of the UPR. How the distinct signals from lipid bilayer stress and unfolded proteins are processed by the conserved UPR transducer Ire1 remains unknown. Here, we have generated a functional, cysteine-less variant of Ire1 and performed systematic cysteine crosslinking experiments in native membranes to establish its transmembrane architecture in signaling-active clusters. We show that the transmembrane helices of two neighboring Ire1 molecules adopt an X-shaped configuration independent of the primary cause for ER stress. This suggests that different forms of stress converge in a common, signaling-active transmembrane architecture of Ire1.
Summary
The endoplasmic reticulum (ER) is a hotspot of lipid biosynthesis and crucial for the folding of membrane and secretory proteins. The unfolded protein response (UPR) controls the size and folding capacity of the ER. The conserved UPR transducer Ire1 senses both unfolded proteins and aberrant lipid compositions to mount adaptive responses. Using a biochemical assay to study Ire1 in signaling-active clusters, Väth et al. provide evidence that the neighboring transmembrane helices of clustered Ire1 form an ‘X’ irrespectively of the primary cause of ER stress. Hence, different forms of ER stress converge in a common, signaling-active transmembrane architecture of Ire1.
Physikalische und thermische Kontrastierung führt bei Fixierung in Glutaraldehyd und Einbettung in Vestopal bei Parenchymzellen der Leber zu weitgehend ähnlichen Kontrastunterschieden auch bei Mitochondrien und den Membranen des Retikulums. Beide Verfahren wirken also weitgehend unspezifisch. Von den chemischen Verfahren liefert Uranylacetat im Cytoplasma ähnliche Kontrastverhältnisse wie die beiden genannten Verfahren. Das spezifische Verhalten des Uranylacetats kann z. B. an der Kontrastierung des Chromatins demonstriert werden. Sie bleibt aus, wenn die färbbare Substanz auf der Wasseroberfläche des Messertroges herausgewaschen wurde. Bleicitrat-Kontrastierung hat hier im Gegensatz zu Uranylacetat eine spezifische Wirkung nur auf RNS-haltige Zellbestandteile.
This thesis deals with several aspects of non-perturbative calculations in low-dimensional quantum field theories. It is split into two main parts:
The first part focuses on method development and testing. Using exactly integrable QFTs in zero spacetime dimensions as toy models, the need for non-perturbative methods in QFT is demonstrated. In particular, we focus on the functional renormalization group (FRG) as a non-perturbative exact method and present a novel fluid-dynamic reformulation of certain FRG flow equations. This framework and the application of numerical schemes from the field of computational fluid dynamics (CFD) to the FRG is tested and benchmarked against exact results for correlation functions. We also draw several conclusions for the qualitative understanding and interpretation of renormalization group (RG) flows from this fluid-dynamic reformulation and discuss the generalization of our findings to realistic higher-dimensional QFTs.
The topics discussed in the second part are also manifold. In general, the second part of this thesis deals with the Gross-Neveu (GN) model, which is a prototype of a relativistic QFT. Even though being a model in two spacetime dimensions, it shares many features of realistic models and theories for high-energy particle physics, but also emerges as a limiting case from systems in solid state physics. Especially, it is interesting to study the model at non-vanishing temperatures and densities, thus, its thermodynamic properties and phase structure.
First, we use this model to test and apply our findings of the first part of this thesis in a realistic environment. We analyze how the fluid-dynamic aspects of the FRG realize themselves in the RG flow of a full-fledged QFT and how we profit from this numeric framework in actual calculations. Thereby, however, we also aim at answering a long-standing question: Is there still symmetry breaking and condensation at non-zero temperatures in the GN model, if one relaxes the commonly used approximation of an infinite number of fermion species and works with a finite number of fermions? In short: Is matter (in the GN model) in a single spatial dimension at non-zero temperature always gas-like?
In general, we also use the GN model to learn about the correct description of QFTs at non-zero temperatures and densities. This is of utmost relevance for model calculations in low-energy quan- tum chromodynamics (QCD) or other QFTs in medium and we draw several conclusions for the requirements for stable calculations at non-zero chemical potential.
Investigation of the kinematics involved in compton scattering and hard X-ray photoabsorption
(2023)
The present work investigates the kinematics of Compton scattering at gaseous, internally-cool helium and molecular nitrogen targets in the high- and the low-energy regime. Additionally, photoionization at molecular nitrogen with high-energy photons is investigated. These exeprimental regimes were previously inaccessible due to the extremely small cross sections involved. Nowadays, the third- and fourth-generation synchrotron machines produce sufficient photon flux, enabling the investiagtion of the above processes. The utilized cold-target recoil-ion momentum spectroscopy (COLTRIMS) technique further increases the detection efficiency of the observed processes, since it enables full-solid-angle detection by exploiting momentum conservation.
Compton scattering is investigated at both high (helium and N2) and low (helium) photon energies. In the high-energy regime, the impulse approximation is mostly valid, which is not the case for the low-energy regime. The impulse approximation assumes that the Compton-scattering process takes place at a free electron with a momentum distribution as if it was bound, thus ignoring the binding energy of the system. In the low-energy regime, the impulse approximation is not valid.
Photoionization is investigated at high photon energies, where the linear momentum of the photon cannot be neglected, as is the fashion of the commonly used dipole approximation.
Magnetische Quadrupole und Solenoide sind ein elementarer Bestandteil einer Beschleunigeranlage und begrenzen die transversale Ausdehnung eines Teilchenstrahls durch eine Reflexion der Teilchen in Richtung der Beschleunigerachse. Die konventionelle Bauweise als Elektromagnet besteht aus einem Eisenjoch welches mit Spulen umwickelt ist. In dieser Arbeit werden diese Magnetstrukturen auf Basis von Permanentmagneten designt und hinsichtlich ihrer Qualität zum Strahltransport optimiert, sowie Feldmessungen an permanentmagnetischen Quadrupolen durchgeführt. Diese wurden mit 3D-gedruckten Halterungen aus Kunststoff gefertigt, was eine Vielzahl von Formvariationen ermöglicht. Darauf aufbauend wurde ein im Vakuum befindlicher Aufbau entwickelt, mit welchem die Strahlenvelope im inneren eines permanentmagnetischen Quadrupol Tripletts diagnostiziert werden kann. Dies greift auf ein am Institut für angewandte Physik entwickeltes System zur nicht-invasiven Strahldiagnose mithilfe von Raspberry Pi Einplatinencomputern und Kameras in starken Magnetfeldern zurück.
Die in dieser Arbeit vorgestellte Konfiguration eines PMQ’s ist eine Weiterentwicklung des am CERN im Linac4, einem Alvarez-Driftröhrenbeschleuniger zur Beschleunigung von H– , verwendeten Designs. Bei diesem sind je acht quaderförmige Permanentmagnete aus Samarium Cobalt (SmCo) in die Driftröhren des Beschleunigers integriert.
Darauf aufbauend wurden die geometrischen Designparameter hinsichtlich ihres Einflusses auf die Qualität des Magnetfelds untersucht. In einem magnetischen Quadrupol zur Strahlfokussierung wird dies durch einen linearen Anstieg des Magnetfeldes von Quadrupolachse zu Polflächen charakterisiert. Das Design wurde im Zuge dessen zur Verwendung von industriellen Standardgeometrien von Quadermagneten und der Erhöhung der magnetischen Flussdichte erweitert. Dazu wurde untersucht wie sich das Hinzufügen von zusätzlichen Magneten auswirkt und ob eine bessere Feldqualität durch andere Magnetformen erreicht wird.
Die Kombination mehrerer PMQ in geringem Abstand (<10 mm) führt abhängig von der Geometrie der PMQ-Singlets zu einer erheblichen Verschlechterung der Feldlinearität, was eine Erhöhung des besetzten Phasenraumvolumens der Teilchen nach sich zieht.
Am Beispiel von PMQ-Tripletts werden die zu beachtenden Designparameter analysiert und Lösungsansätze vorgestellt. Die auftretenden Effekte werden anhand von Strahldynamiksimulation veranschaulicht. Für eine Anwendung der vorgestellten Designs wurde eine Magnethülle mit einer Wabenstruktur zur Aufnahme der Einzelmagnete entwickelt. Diese besteht aus zwei Halbschalen, welche jeweils den Kompletteinschluss aller Magnete garantiert und eine einfache Montage um ein Strahlrohr ermöglicht. Diese wurden in der Institutswerkstatt aus Kunststoff via 3D-Druck gefertigt. Aufgrund der höheren erreichbaren Magnetisierung wurden Neodym-Eisen-Bor-Magnete (Nd2F14B, Br =1,36 T) für den Bau der entwickelten Strukturen verwendet. Für eine Magnetfeldmessung zur Bestätigung der magnetostatischen Simulationen und einer Bewertung der Druckqualität wurde eine motorisierte xyz-Stage zur Bewegung einer Hallsonde aufgebaut. Die Messungen zeigen eine gute Zentrierung des Magnetfeldes, sodass PMQ mit einer Kunststoffhalterung eine schnelle und billige Möglichkeit sind, kurzfristig eine Quadrupol-Konfiguration aufzubauen. Die Kosten belaufen sich für einen einzelnen PMQ je nach Länge auf 50€ bis 100€.
Basierend auf der PMQ-Struktur wurde ein PMQ-Triplett in ein Vakuum versetzt und mit Raspberry Pi Kameras im Zwischenraum der Singlets ausgestattet. Dies ermöglichte die Aufnahme der Strahlenvelope innerhalb des Tripletts anhand der durch einen Heliumstrahl induzierten Fluoreszenz und erste Erkenntnisse für notwendige Weiterentwicklungen wurden gesammelt. Auf den genauen technischen Aufbau wird im abschließenden Kapitel der Arbeit detailliert eingegangen.
In der einfachsten Form wird ein PM-Solenoid anhand eines einzelnen axial magnetisierten Hohlzylinders realisiert und erzeugt näherungsweise die Feldverteilung einer Zylinderspule. Durch die radialen Magnetfeldkomponenten an den Rändern des Solenoiden erhalten Teilchen eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente und führen eine Gyrationsbewegung entlang der Solenoidachse aus. Diese reduziert den Strahlradius und die Teilchen behalten eine Geschwindigkeitskomponente, welche zur Solenoidachse zeigt. Für eine Maximierung dieser Fokussierung muss das Magnetfeld auf die Zylinderachse konzentriert werden. Insbesondere bei einer Verlängerung des Hohlzylinders wird die Kopplung der Polflächen über das Innenvolumen abgeschwächt. Aufgrund dessen wurde ein Design bestehend aus drei Hohlzylindersegmenten entwickelt. Dieses setzt sich aus zwei radial und einem axial magnetisierten Hohlzylinder zusammen und erhöht die mittlere magnetische Flussdichte für ausgewählte Geometrien um einen Faktor zwei im Vergleich zu einem einzelnen Hohlzylinder gleicher Geometrie. Dies ist gleichzusetzen mit einer Vervierfachung der Fokussierstärke, welche quadratisch mit der mittleren magnetischen Flussdichte skaliert. Die Strahldynamischen Konsequenzen werden anhand von Simulationen mit generierten Magnetfeldverteilungen erläutert. Für eine kostengünstige Bauweise wurde eine Design basierend auf quaderförmigen Magneten entwickelt.
Es wird auf die Mannigfaltigkeit der Kontraste hingewiesen, die sich bei mit Aldehyden fixiertem, in Vestopal W oder Durcupan ACM eingebettetem Gewebe durch gesteuerte Elektronenbestrahlung erreichen läßt. Voraussetzung für einen einwandfreien Vergleich von Kontrasten bei z. B. verschieden gefärbten Schnitten ist daher eine Bestrahlung, die zu ausreichend definierten Objektveränderungen führt. Brauchbar in diesem Sinne ist eine Bestrahlung, die zum maximalen „reinen Strahlenverlust“ führt, bei der aber thermische Substanzverluste vermieden werden. Der Negativkontrast von Chromatin und Nucleolen und die offenbar physikalisch bedingte Färbbarkeit der nucleinsäurehaltigen Zellbestandteile mittels der „negative-staining“-Methode werden diskutiert.
Um die von RAJEWSKY und WOLF aufgeworfene Frage nach dem Einfluß der DNS-Struktur auf die radiationschemische Veränderung der Basen zu untersuchen, wurde die DNS-Spirale bei einem Teil der Untersuchungen in dest. Wasser aufgelöst und mit Röntgenstrahlen bestrahlt. Es ergab sich eine Erhöhung der Strahlenempfindlichkeit der Basen, vor allem zu Beginn der Bestrahlung auf den Wert, den man bei der Bestrahlung der Monomerlösungen beobachtet. Bei Bestrahlung in 0,1 und 1-n. NaCl gelöster DNS sind dagegen die Basen gegen die Einwirkung der im Wasser gebildeten Radikale geschützt, solange sie innerhalb der intakten Spirale gebunden sind. Dieser strukturbedingte Schutzeffekt besteht nicht gegenüber der direkten Strahlenwirkung von UV-Licht. Dieses Ergebnis ist von strahlenbiologischem Interesse, da das Optimum der Strahlenwirkung auf den Mitoseablauf nach Arbeiten von CARLSON und GRAY in der frühen Prophase liegt17, also ebenfalls in einem Stadium, in dem die DNS-Spirale (vor der Verdoppelung) völlig aufgelöst ist. (Vgl. auch BACQ-ALEXANDER und FRITZ-NIGGLI.
Die von verschiedenen Autoren 2–8 experimentell bestimmten Kontrastdicken für Kohle stimmen nicht mit den heute of benutzten numerischen Werten aus der Lenz schen Theorie überein. Die Diskrepanz läßt sich beheben, wenn man zur Auswertung der Theorie einen anderen, schon von LENZ zur Diskussion gestellten Θ-Wert benutzt. Durch Experimente wird gezeigt, daß auch der Bereich, in dem das Exponentialgesetz nicht mehr gilt, gut durch eine aus der Lenz schen Theorie hergeleitete Formel dargestellt werden kann. Der Bereich, in dem das Exponentialgesetz verwandt werden darf, wird näher diskutiert.
Cells maintain membrane fluidity by regulating lipid saturation, but the molecular mechanisms of this homeoviscous adaptation remain poorly understood. We have reconstituted the core machinery for regulating lipid saturation in baker’s yeast to study its molecular mechanism. By combining molecular dynamics simulations with experiments, we uncover a remarkable sensitivity of the transcriptional regulator Mga2 to the abundance, position, and configuration of double bonds in lipid acyl chains, and provide insights into the molecular rules of membrane adaptation. Our data challenge the prevailing hypothesis that membrane fluidity serves as the measured variable for regulating lipid saturation. Rather, we show that Mga2 senses the molecular lipid-packing density in a defined region of the membrane. Our findings suggest that membrane property sensors have evolved remarkable sensitivities to highly specific aspects of membrane structure and dynamics, thus paving the way toward the development of genetically encoded reporters for such properties in the future.
Eine einfache Methode wird erklärt, die es gestattet, genaue Aussagen über das Verteilungsgesetz elektrischer Relaxationszeiten in frequenzabhängigen Dielektrika zu machen. Die Methode setzt die Gültigkeit einer verallgemeinerten Form des von Cole und Cole formulierten Verteilungsgesetzes elektrischer Relaxationszeiten voraus. Sie basiert auf der Tatsache, daß dielektrische Verluste. die bei wesentlich kleineren Frequenzen als der mittleren charakteristischen Frequenz bestimmt werden, außerordentlich empfindlich sind gegen geringe Änderungen im Verteilungsgesetz. Die Methode wird am Beispiel dielektrischer Messungen an Wasser demonstriert. Die Auswertung eigener Messungen ergibt, daß sich im Rahmen der erzielbaren hohen Genauigkeit das dielektrische Verhalten von Wasser durch eine einzige Relaxationszeit charakterisieren läßt.
In der vorliegenden Arbeit wird die Frequenzabhängigkeit des dielektrischen Verhaltens einer Suspension von Kugeln mit Schale untersucht. Es werden die allgemeine Lösung sowie spezielle Näherungsformeln angegeben. Das Frequenzverhalten wird exakt durch 2 Relaxationsausdrücke vom Debye - Typ, die sich superponieren, charakterisiert.
Die vorgetragenen Formeln erlauben die Analyse der Impedanzkurven von Zellsuspensionen aus Erythrozyten, Bakterien, Seeigeleiern u. a. m., aber auch von Proteinlösungen und anderen Suspensionen.
Bei B. cadaveris, die in einem an organischen Substanzen reichen Medium kultiviert wurden, nimmt der O2-Verbrauch pro Zeiteinheit bei Glucoseveratmung mit der Röntgenstrahlendosis ab, während bei Bakterien, die in einem Salzmedium gewachsen sind, die Atmung bis zu einer Dosis von 2 - 3 Mr erst ansteigt, um erst bei höheren Dosen abzufallen. Die Atmung wird erst bei Dosen in der Größenordnung von 1 Million r merklich beeinflußt.
Die Atmung der Bakterien ist damit unter den hier untersuchten Bedingungen noch strahlenresistenter als die Gewebeatmung von Säugetierzellen.