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Es wird davon ausgegangen, dass das ehemalige Larven-Mikrohabitat der Asiatische Tigermücke Aedes albopictus (synonym: Stegomyia albopicta) die Phytotelmata in den Waldgebieten von Südostasien darstellte. In den letzten vier Jahrzehnten adaptierte sich die Art jedoch an urbanere Regionen und ihre Antrotelmata. Dank ihrer Eigenschaft, Eier mit einer gewissen Trocken- und Kältetoleranz zu produzieren, verbreitete sich die Art zusammen mit den international gehandelten Waren weltweit. Zudem ist Ae. albopictus ein theoretischer Vektor für mindestens 27 Viren sowie Parasiten und spielt eine Hauptrolle bei der Übertragung von Dengue-Viren und Chikungunya-Viren und Zika-Vieren. Daher wird die Art als große Gefahr für die öffentliche Gesundheit betrachtet.
Die vorliegende Arbeit thematisiert drei Untersuchungen zum Anpassungs- und Etablierungs-potential der invasiven Asiatischen Tigermücke.
In einem ersten Ansatz wurde das Problem behandelt, dass es lediglich zwei standardisierte toxikologische Testverfahren für Culicidae gab. Daher wurde ein Dosis-Wirkungs-Testsystem entwickelt, das den Weg für weitere biologische Endpunkte und ihre integrativen Parameter freimachte und dadurch ein besseres Verständnis für die Wirkweisen von Insektiziden ermöglicht. Hierdurch konnte nun der Frage nachgegangen werden, ob es Unterschiede in der ökotoxikologischen Reaktion zwischen der invasiven tropisch-subtropischen Asiatischen Tigermücke und der einheimischen nördlichen Hausstechmücke Culex pipiens auf das Insektizid λ-Cyhalothrin gibt. Weiter wurde der Einfluss von Temperatur und die Verfügbarkeit von Nahrung auf die Insektizidsensitivitäten der Arten getestet. Schließlich konnte in einer Risikobewertung festgestellt werden, dass bei falsch angewendeten Bekämpfungsmaßnahmen höhere Temperaturen sowie der Ausfall von aquatischen Top-Prädatoren zu Fitnessvorteilen für die Art führen können.
In einer zweiten Untersuchung wurde der Mechanismus der Kältetoleranz der Eier (Kälteakklimatisierung und Diapause) näher untersucht, da dieser für die erfolgreiche Invasion in gemäßigten Breitengraden verantwortlich gemacht wird. Nachdem eine lang vorherrschende Hypothese verworfen wurde, dass die Einlagerung von Polyolen die Frosttoleranz bewirken würde, war der aktuelle Stand der Wissenschaft, dass eine Verdickung der Wachsschicht des Chorions dafür verantwortlich sei. Jedoch lag keine detaillierte Evaluierung von Stechmücken-Eihüllen vor. Mittels einer transmissionselektronenmikroskopischen Studie konnte gezeigt werden, dass nicht nur die Wachsschicht nicht in der Serosa-Cuticula zu verorten ist, sondern im Endochorion und sie zudem im Zuge der Diapause in der Mächtigkeit schrumpft. Daher wird auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse auf eine Kompaktierung der Schicht geschlossen.
Die dritte Untersuchung schließlich hatte das hohe Adaptationspotential in gemäßigten Breiten zum Gegenstand. Eine Adaptation auf genetischen Level gilt als unwahrscheinlich, da Gründerpopulationen in den neu besiedelten Gebieten eine niedrige genetische Diversität aufwiesen und ein regelmäßiger Neueintrag von Allelen unwahrscheinlich ist. Jedoch bietet das Konzept der epigenetischen Temperatur-Adaptation einen Erklärungsansatz für dieses Phänomen. Daher wurde die Frage gestellt, ob es möglich ist, eine vererbbare Diversifizierung dieses kältetoleranten Phänotyps nach einer randomisierten epigenetischen Behandlung der DNA zu detektieren. Es wurde eine transgenerationale Untersuchung der Effekte von zwei epigenetischen Agenzien (und einem Lösemittel) auf die Kältetoleranz der Eier durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten ein Korrelationsmuster, das den durch die Agenzien veränderten Methylierungsgrad der DNA mit der Forsttoleranz verband, was die gestellte Hypothese unterstützte.
In Folge dieser drei Untersuchungen wurde festgestellt, dass Ae. albopictus ein hohes Potential hat, in weiteren Ländern – vor allem in gemäßigten Breiten – ein Gesundheitsrisiko darzustellen. Da die Art einerseits Fitnessvorteile durch falsche Bekämpfungsmaßnahmen und andererseits möglicherweise eine hohes epigenetisches Adaptationspotential besitzt, kann zusammenfassend empfohlen werden, dass der Fokus für weitere Forschung maßgeblich auf der Entwicklung von Impfstoffen für die übertragenen Viren und Pathogene liegen sollte. Dadurch kann die Bevölkerung geschützt werden, ohne Ökosysteme und ihre Dienstleistungen zu gefährden, und dies wäre zudem ökonomisch gesehen die effektivere Lösung.
In der Experimentierhalle der Physik am Campus Riedberg der Goethe – Universität wird gegenwärtig die Beschleunigeranlage FRANZ aufgebaut. FRANZ steht für Frankfurter Neutronenquelle am Stern-Gerlach-Zentrum. Die Anlage bietet vielfältige Experimentiermöglichkeiten in der Untersuchung intensiver, gepulster Protonenstrahlen. Ein Forschungsschwerpunkt an den sekundären Neutronenstrahlen sind Messungen zur nuklearen
Astrophysik. Die Neutronen werden durch einen 2 MeV Protonenstrahl mittels der Reaktion 7Li (p, n) 7Be erzeugt. Die geplanten Experimente erfordern sowohl eine hier weltweit erstmals realisierte Pulsrepetitionsrate von bis zu 250 kHz bei Pulsströmen im 100 mA – Bereich als auch eine extreme Pulskompression auf eine Nanosekunde bei dann auftretenden Pulsströmen im Ampere – Bereich. Daneben ist auch ein Dauerstrich – Strahlbetrieb im mA – Strombereich möglich. Auch viele einzelne Beschleunigerkomponenten wie die Ionenquelle, der Chopper zur Pulsformung, die hochfrequent gekoppelte RFQ-IH-Kombination, der Rebuncher in Form einer CH – Struktur und der Bunchkompressor sind Neuentwicklungen. Mittlere Strahlleistungen von bis zu 24 kW treten im Niederenergiestrahltransportbereich auf, da die Ionenquelle grundsätzlich im Dauerstrich zu betreiben ist, auch bei Hochstrom mit hohen Pulsrepetitionsraten. Der Personen- und Geräteschutz spielt damit auch eine wesentliche Rolle bei der Auslegung des Kontrollsystems für FRANZ. Der Aufbau von FRANZ und seine wesentlichen Komponenten werden in Kapitel 2 erläutert. Die vielen unterschiedlichen Komponenten wie Hochspannungsbereich, Magneten, Hochfrequenzbauteile und Kavitäten, Vakuumbauteile, Strahldiagnose und Detektoren machen plausibel, dass auch das Kontrollsystem für eine solche Anlage speziell ausgelegt werden muss. In Kapitel 4 werden zum Vergleich die Konzepte zur Steuerung und Regelung aktueller, großer Beschleunigerprojekte aufgezeigt, nämlich für die „European Spallation Source ESS“ und für die „Facility for Antiproton and Ion Research FAIR“. In der vorliegenden Arbeit wurde die Ionenquelle als komplexe Beschleunigerkomponente ausgewählt, um Entwicklungen zur Steuerung und Regelung durchzuführen und zu testen. Zum Anfahren und Betreiben der Ionenquelle wurde ein Flussdiagramm (Abb. 5.15) entwickelt und realisiert. Im Detail wurden Untersuchungen zur Abhängigkeit der Heizkathodenparameter von der Betriebsdauer gemacht. Daraus konnte ein Algorithmus zur Vorhersage eines rechtzeitigen Filamentaustausches abgeleitet werden. Weiterhin konnte die Nachregelung des Kathodenheizstromes automatisiert werden, um damit die Bogenentladungsspannung innerhalb eines Intervalls von ± 0.5 V zu stabilisieren. Das Anfahren des Filamentstroms wurde ebenfalls automatisiert. Dazu wird die Vakuumdruckänderung in Abhängigkeit der Filamentstromerhöhung gemessen, ausgewertet und daraus der nächste erlaubte Stromerhöhungsschritt abgeleitet. Auf diese Weise wird der Betriebszustand schneller und kontrollierter erreicht als bei manuellem Hochfahren. Das Ziel eines unbemannten Ionenquellenbetriebs ist damit näher gerückt. In einem ersten Test zur Komponentensteuerung und zur Datenaufnahme wurde ein Ionenstrahl extrahiert und durch den ersten Fokussierungsmagneten – einen Solenoiden – transportiert. Es wurde der Erregungsstrom des Solenoiden sowie die Strahlenergie automatisch durchgefahren, die Daten abgespeichert und daraus ein Kontourplot zum gemessenen Strahlstrom hinter der Fokussierlinse erstellt (Abb. 5). Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich nur mit den „langsamen“ Steuerungs- und Regelungsprozessen, während die schnellen Prozesse im Hochfrequenzregelungssystem unabhängig geregelt werden. Neben der Überwachung des Betriebszustandes aller Komponenten werden auch alle für den Service und die Personensicherheit benötigten Daten weggeschrieben. Das System basiert auf MNDACS (Mesh Networked Data Acquisition and Control System) und ist in JAVA geschrieben. MNDACS besteht aus einem Kernel, welcher die Komponententreiber-Software sowie den Netzwerkserver und das graphische Netzwerkinterface (GUI) betreibt. Weterhin gehört dazu das Driver Abstraction Layer (DAL), welches den Zugang zu weiteren Computern oder zu lokalen Treibern ermöglicht. CORBA stellt die Middleware für Netzwerkkommunikation dar. Dadurch wird Kommunikation mit externer Software geregelt, weiterhin wird die Umlegung von Kommunikation im Fall von Leitungsunterbrechungen oder einem lokalen Computerabsturz festgelegt. Es gibt bei FRANZ zwei Kontrollebenen: Über Ethernet läuft die „High Level Control“ und die Datenverarbeitung. Über die „Low Level Control“ läuft das Interlock – und Sicherheitssystem. Die Netzwerkverbindungen laufen über 1 Gb Ethernet Links, womit ein schneller Austausch auch bei lokalen Netzwerkstörungen noch möglich ist. Um bei Stromausfällen das Computersystem am Laufen zu halten, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein „Uninterruptable Power Supply“ UPS beschafft und erfolgreich am Hochspannungsterminal getestet.
The constantly increasing memory density and performance of recent Field Programmable Gate Arrays (FPGA) has boosted a usage in many technical applications such as particle accelerators, automotive industry as well as defense and space. Some of these fields of interest are characterized by the presence of ionizing radiation as caused by natural decay or artificial excitation processes. Unfortunately, this type of radiation affects various digital circuits, including transistors forming Static Random Access Memory (SRAM) storage cells that constitute the technology node for high performance FPGAs. Various digital misbehavior in temporal or permanent manner as well as physical destruction of transistors are the consequence. Therefore, the mitigation of such effects becomes an essential design rule when using SRAM FPGAs in ionizing radiation environments. Tolerance against soft errors can be handled across various layers of modern FPGA design, starting with the most basic silicon manufacturing process, towards configuration, firmware, and system design, until finally ending up with application and software engineering. But only a highly optimized, joint concept of system-wide fault tolerance provides sufficient resilience against ionizing radiation effects without losing too much valuable device resources to the safety approach. This concept is introduced, analyzed, improved and validated in the present work. It includes, but is not limited to, static configuration scrubbing, various firmware redundancy approaches, dynamic memory conservation as well as state machine protection. Guidelines are given to improve manual design practices concerning fault tolerance and tools are shown to reduce necessary efforts. Finally, the SysCore development platform has been maintained to support the recommended design methods and act as Device Under Test (DUT) for all particle irradiation experiments that prove the efficiency of the proposed concept of system-wide fault tolerance for SRAM FPGAs in ionizing radiation environments.
Entwicklung neuer Multikomponentenreaktionen zur Synthese von Amin- und α-Aminosäurederivaten
(2016)
Die Entwicklung neuer Synthesemethoden ist von enormer Bedeutung hinsichtlich der Darstellung von neuen Verbindungen mit speziellen, anwendungsorientierten Eigenschaften und in Bezug auf die Suche nach ökologisch verträglicheren und effizienteren Herstellungsmethoden. Multikomponentenreaktionen (MCRs) bieten hierbei eine gute Ansatzmöglichkeit. Gegenüber den klassischen, linear verlaufenden 2-Stufen-Reaktionen weisen MCRs eine hohe Atom-Ökonomie und effiziente Bindungsbildung auf, können zur Minimierung von Zeit-, Energie-, Material- und Kostenaufwand sowie zur geringeren Generierung von Abfallmengen beitragen und ermöglichen einen schnellen Aufbau diverser Molekülstrukturen. Vor diesem Hintergrund gelang im Rahmen der vorliegenden Arbeit die Entwicklung mehrerer 3-Komponentenreaktionen basierend auf der nukleophilen Addition von Arylboronsäuren an in situ gebildete N-Acyl- bzw. N-Sulfonylimine, womit die Synthese von diversen alpha-substituierten Amiden, chiralen, alpha-substituierten Sulfonamiden, chiralen alpha-Arylglycinen sowie von Arylmethylsulfonamiden erfolgte. Der Schlüssel zu einer erfolgreichen Umsetzung hinsichtlich der Methode mit Amiden war die Verwendung eines dualen Katalysatorsystems aus Lewis-Säure und Pd(II) sowie die Anwesenheit von Wasser. Die enantioselektiven Varianten konnten mittels Sulfonamide anstelle der Amide sowie unter Einsatz von Pd(II) und einem chiralen Oxazolin-Liganden erreicht werden. Die neuen Methoden sind einfach in der Durchführung, weisen einen breiten Substrat-bereich auf und im Falle der asymmetrischen Varianten hohe Enantioselektivitäten.
Allerdings besitzt die Reaktionsführung über Organoboronsäuren zwei entscheidende Nachteile: Zum einen bedarf es der Verwendung vorfunktionalisierter Boronsäuren und zum anderen werden stöchiometrische Mengen borhaltiger Abfälle erzeugt. Daher wurden im Rahmen dieser Arbeit auch Prozesse untersucht, bei denen hinsichtlich der Atom-Ökonomie keine unnötig vorfunktionalisierten Startmaterialien eingesetzt werden und bei denen keine oder nur ökologisch vollkommen unbedenkliche Nebenprodukte entstehen. Ein erster Ansatz in diese Richtung gelang dabei mit der Entwicklung einer neuen 3-Komponentenreaktion basierend auf einer Brønsted-Säurekatalysierten, benzylischen C–H-Bindungsfunktionalisierung von 2-Alkylazaarenen.
Die letzten Jahrzehnte brachten einen enormen Zuwachs des Wissens und Verständnisses über die molekularen Prozesse des Lebens.Möglich wurde dieser Zuwachs durch die Entwicklung diverser Methoden, mit denen beispielsweise gezielt die Konzentration einzelner Stoffe gemessen werden kann oder gar alle anwesenden Metaboliten eines biologischen Systems erfasst werden können. Die großflächige Anwendung dieser Methoden führte zur Ansammlung vieler unterschiedlicher -om-Daten, wie zum Beispiel Metabolom-, Proteom- oder Transkriptoms-Datensätzen. Die Systembiologie greift auf solche Daten zurück, um mathematische Modelle biologischer Systeme zu erstellen, und ermöglicht so ein Studium biologischer Systeme auch außerhalb des Labors.
Für größere biologische Systeme stehen jedoch meistens nicht alle Informationen über Stoffkonzentrationen oder Reaktionsgeschwindigkeiten zur Verfügung, um eine quantitative Modellierung, also die Beschreibung von Änderungsraten kontinuierlicher Variablen, durchführen zu können. In einem solchen Fall wird auf Methoden der qualitativen Modellierung zurückgegriffen. Eine dieser Methoden sind die Petrinetze (PN), welche in den 1960er Jahren von Carl Adam Petri entwickelt wurden, um nebenläufige Prozesse im technischen Umfeld zu beschreiben. Seit Anfang der 1990er Jahre finden PN auch Anwendung in der Systembiologie, um zum Beispiel metabolische Systeme oder Signaltransduktionswege zu modellieren. Einer der Vorteile dieser Methode ist zudem, dass Modelle als qualitative Beschreibung des Systems begonnen werden können und im Laufe der Zeit um quantitative Beschreibungen ergänzt werden können.
Zur Modellierung und Analyse von PN existieren bereits viele Anwendungen. Da das Konzept der PN jedoch ursprünglich nicht für die Systembiologie entwickelt wurde und meist im technischen Bereich verwendet wird, existierten kaum Anwendungen, die für den Einsatz in der Systembiologie entwickelt wurden. Daher ist auch die Durchführung der für die Systembiologie entwickelten Analysemethoden für PN nicht mit diesen Anwendungen möglich. Die Motivation des ersten Teiles dieser Arbeit war daher, eine Anwendung zu schaffen, die speziell für die PN-Modellierung und Analyse in der Systembiologie gedacht ist, also in ihren Analysemethoden und ihrer Terminologie sich an den Bedürfnissen der Systembiologie orientiert. Zudem sollte die Anwendung den Anwender bei der Auswertung der Resultate der Analysemethoden visuell unterstützen, indem diese direkt visuell im Kontext des PN gesetzt werden. Da bei komplexeren PN die Resultate der Analysemethoden in ihrer Zahl drastisch anwachsen, wird eine solche Auswertung dieser notwendig. Aus dieser Motivation heraus entstand die Anwendung MonaLisa, dessen Implementierung und Funktionen im ersten Teil der vorliegenden Arbeit beschrieben werden. Neben den klassischen Analysemethoden für PN, wie den Transitions- und Platz-Invarianten, mit denen grundlegende funktionale Module innerhalb eines PN gefunden werden können, wurden weitere, meist durch die Systembiologie entwickelte, Analysemethoden implementiert. Dazu zählen zum Beispiel die Minimal Cut Sets, die Maximal Common Transitions Sets oder Knock-out-Analysen. Mit MonaLisa ist aber auch die Simulation des dynamischen Verhaltens des modellierten biologischen Systems möglich. Hierzu stehen sowohl deterministische als auch stochastische Verfahren, beispielsweise der Algorithmus von Gillespie zur Simulation chemischer Systeme, zur Verfügung. Für alle zur Verfügung gestellten Analysemethoden wird ebenfalls eine visuelle Repräsentation ihrer Resultate bereitgestellt. Im Falle der Invarianten werden deren Elemente beispielsweise in der Visualisierung des PN eingefärbt. Die Resultate der Simulationen oder der topologischen Analyse können durch verschiedene Graphen ausgewertet werden. Um eine Schnittstelle zu anderen Anwendungen zu schaffen, wurde für MonaLisa eine Unterstützung einiger gängiger Dateiformate der Systembiologie geschaffen, so z.B. für SBML und KGML.
Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der topologischen Analyse eines Datensatzes von 2641 Gesamtgenom Modellen aus der path2models-Datenbank. Diese Modelle wurden automatisiert aus dem vorhandenen Wissen der KEGG- und der MetaCyc-Datenbank erstellt. Die Analyse der topologischen Eigenschaften eines Graphen ermöglicht es, grundlegende Aussagen über die globalen Eigenschaften des modellierten Systems und dessen Entstehungsprozesses zu treffen. Daher ist eine solche Analyse oft der erste Schritt für das Verständnis eines komplexen biologischen Systems. Für die Analyse der Knotengrade aller Reaktionen und Metaboliten dieser Modelle wurden sie in einem ersten Schritt in PN transformiert. Die topologischen Eigenschaften von metabolischen Systemen werden in der Literatur schon sehr gut beschrieben, wobei die Untersuchungen meist auf einem Netzwerk der Metaboliten oder der Reaktionen basieren. Durch die Verwendung von PN wird es möglich, die topologischen Eigenschaften von Metaboliten und Reaktionen in einem gemeinsamen Netzwerk zu untersuchen. Die Motivation hinter diesen Untersuchungen war, zu überprüfen, ob die schon beschriebenen Eigenschaften auch für eine Darstellung als PN zutreffen und welche neuen Eigenschaften gefunden werden können. Untersucht wurden der Knotengrad und der Clusterkoeffizient der Modelle. Es wird gezeigt, dass einige wenige Metaboliten mit sehr hohem Knotengrad für eine ganze Reihe von Effekten verantwortlich sind, wie beispielsweise dass die Verteilung des Knotengrades und des Clusterkoeffizienten, im Bezug auf Metaboliten, skalenfrei sind und dass sie für die Vernetzung der Nachbarschaft von Reaktionen verantwortlich sind. Weiter wird gezeigt, dass die Größe eines Modelles Einfluss auf dessen topologische Eigenschaften hat. So steigt die Vernetzung der Nachbarschaft eines Metaboliten, je mehr Metaboliten in einem biologischen System vorhanden sind, gleiches gilt für den durchschnittlichen Knotengrad der Metaboliten.
The Large Hadron Collider (LHC) is the biggest and most powerful particle accelerator in the world, designed to collide two proton beams with particle momentum of 7 TeV/c each. The stored energy of 362MJ in each beam is sufficient to melt 500 kg of copper or to evaporate about 300 litre of water. An accidental release of even a small fraction of the beam energy can cause severe damage to accelerator equipment. Reliable machine protection systems are necessary to safely operate the accelerator complex. To design a machine protection system, it is essential to know the damage potential of the stored beam and the consequences in case of a failure. One (catastrophic) failure would be, if the entire beam is lost in the aperture due to a problem with the beam dumping system.
This thesis presents the simulation studies, results of a benchmarking experiment, and detailed target investigation, for this failure case. In the experiment, solid copper cylinders were irradiated with the 440GeV proton beam delivered by the Super Proton Synchrotron (SPS) at the High Radiation to Materials (HiRadMat) facility at CERN. The experiment confirmed the existence of the so-called hydrodynamic tunneling phenomenon for the first time. Detailed numerical simulations for particle-matter interaction with FLUKA, and with the two-dimensional hydrodynamic code, BIG2, were carried out. Excellent agreement was found between the experimental and the simulation results that validate predictions for the 7TeV beam of the LHC. The hydrodynamic tunneling effect is of considerable importance for the design of machine protection systems for accelerators with high stored beam energy. In addition, this thesis presents the first studies of the damage potential with beam parameters of the Future Circular Collider (FCC).
To detect beam losses due to fast failures it is essential to have fast beam instrumentation. Diamond based particle detectors are able to detect beam losses within a nanosecond time scale. Specially designed diamond detectors were used in the experiment mentioned above. Their efficiency and response has been studied for the first time over 5 orders of bunch intensity with electrons at the Beam Test Facility (BTF) at INFN, Frascati, Italy. The results of these measurements are discussed in this thesis. Furthermore an overview of the applications of diamond based particle detectors in damage experiments and for LHC operation is presented.
Given an Abelian semi-group (A, +), an A-valued curvature measure is a valuation with values in A-valued measures. If A = R, complete classifications of Hausdorff-continuous translation-invariant SO(n)-invariant valuations and curvature measures were obtained by Hadwiger and Schneider, respectively. More recently, characterisation results have been achieved for curvature measures with values in A = Sym^p R^n and A = Sym^2 Λ^q R^n for p, q ≥ 1 with varying assumptions as for their invariance properties.
In the present work, we classify all smooth translation-invariant SO(n)-covariant curvature measures with values in any SO(n)-representation in terms of certain differential forms on the sphere bundle S R^n and describe their behaviour under the globalisation map. The latter result also yields a similar classification of all continuous SO(n)-module-valued SO(n)-covariant valuations. Furthermore, a decomposition of the space of smooth translation-
invariant scalar-valued curvature measures as an SO(n)-module is obtained. As a corollary, we construct explicit bases of continuous translation-invariant scalar-valued valuations and smooth translation-invariant scalar-valued curvature measures.
Already today modern driver assistance systems contribute more and more to make individual mobility in road traffic safer and more comfortable. For this purpose, modern vehicles are equipped with a multitude of sensors and actuators which perceive, interpret and react to the environment of the vehicle. In order to reach the next set of goals along this path, for example to be able to assist the driver in increasingly complex situations or to reach a higher degree of autonomy of driver assistance systems, a detailed understanding of the vehicle environment and especially of other moving traffic participants is necessary.
It is known that motion information plays a key role for human object recognition [Spelke, 1990]. However, full 3D motion information is mostly not taken into account for Stereo Vision-based object segmentation in literature. In this thesis, novel approaches for motion-based object segmentation of stereo image sequences are proposed from which a generic environmental model is derived that contributes to a more precise analysis and understanding of the respective traffic scene. The aim of the environmental model is to yield a minimal scene description in terms of a few moving objects and stationary background such as houses, crash barriers or parking vehicles. A minimal scene description aggregates as much information as possible and it is characterized by its stability, precision and efficiency.
Instead of dense stereo and optical flow information, the proposed object segmentation builds on the so-called Stixel World, an efficient superpixel-like representation of space-time stereo data. As it turns out this step substantially increases stability of the segmentation and it reduces the computational time by several orders of magnitude, thus enabling real-time automotive use in the first place. Besides the efficient, real-time capable optimization, the object segmentation has to be able to cope with significant noise which is due to the measurement principle of the used stereo camera system. For that reason, in order to obtain an optimal solution under the given extreme conditions, the segmentation task is formulated as a Bayesian optimization problem which allows to incorporate regularizing prior knowledge and redundancies into the object segmentation.
Object segmentation as it is discussed here means unsupervised segmentation since typically the number of objects in the scene and their individual object parameters are not known in advance. This information has to be estimated from the input data as well.
For inference, two approaches with their individual pros and cons are proposed, evaluated and compared. The first approach is based on dynamic programming. The key advantage of this approach is the possibility to take into account non-local priors such as shape or object size information which is impossible or which is prohibitively expensive with more local, conventional graph optimization approaches such as graphcut or belief propagation.
In the first instance, the Dynamic Programming approach is limited to one-dimensional data structures, in this case to the first Stixel row. A possible extension to capture multiple Stixel rows is discussed at the end of this thesis.
Further novel contributions include a special outlier concept to handle gross stereo errors associated with so-called stereo tear-off edges. Additionally, object-object interactions are taken into account by explicitly modeling object occlusions. These extensions prove to be dramatic improvements in practice.
This first approach is compared with a second approach that is based on an alternating optimization of the Stixel segmentation and of the relevant object parameters in an expectation maximization (EM) sense. The labeling step is performed by means of the _−expansion graphcut algorithm, the parameter estimation step is done via one-dimensional sampling and multidimensional gradient descent. By using the Stixel World and due to an efficient implementation, one step of the optimization only takes about one millisecond on a standard single CPU core. To the knowledge of the author, at the time of development there was no faster global optimization in a demonstrator car.
For both approaches, various testing scenarios have been carefully selected and allow to examine the proposed methods thoroughly under different real-world conditions with limited groundtruth at hand. As an additional innovative application, the first approach was successfully implemented in a demonstrator car that drove the so-called Bertha Benz Memorial Route from Mannheim to Pforzheim autonomously in real traffic.
At the end of this thesis, the limits of the proposed systems are discussed and a prospect on possible future work is given.
Cells perform a wide range of functions such as signalling, transportation, immunoprotection and metabolism. Unravelling the molecular mechanism behind those processes will provide a platform for more targeted and rational drug design. This is achieved by discerning the structural and functional aspects of the biological macromolecules involved. This thesis discusses about the biophysical characterization of protein structures and the biological importance of protein dynamics. Membrane receptors and enzymes which are ubiquitously present in our biological systems and regulate wide variety of functions are excellent choice for such study. From a pharmaceutical point of view, receptor and enzymes are exceptionally important drug targets as they represent the major share (receptor, 30% and enzymes, 47%) of all marketed drugs. Therefore, apart from biological insights, the detailed study of receptors and enzymes will provide the basis for new pharmaceutical applications. Most information about receptor activation and enzyme activity come from the structural and functional analysis of target members of the above mentioned systems.
In “Chapter 1 – General Introduction” the readers are introduced to the world of proteins with special focus on G-protein coupled receptors (GPCRs) and methyltransferases. The first part of this chapter discusses about GPCRs with emphasis on their classification, structural features and functions. GPCRs are the most abundant membrane receptors present in mammalian cells, accounting for almost 15% of all membrane proteins. The GPCR superfamily consists of ~800 members and can be subdivided into six classes (A-F). Class A containing rhodopsin, peptide hormones, olfactory GPCRs, is the most abundant with a large share of 85% of GPCR protein family. GPCRs share a common architecture of 7 transmembrane a-helices, with different ligand binding sites. Although a variety of ligands ranging from subatomic particles (a photon) to large proteins can activate a GPCR, their mechanism of signal transduction is almost similar. There are two major signal transduction pathways identified for GPCRs: the cAMP pathway and the phosphatidylinositol pathway. The therapeutic relevance of GPCRs has also been pointed out here since a large share (30%) of modern marketed drugs target GPCRs.
In the second part of this chapter, the structural and functional characterizations of methyltransferases (MTs) are discussed in detail. Several important biological processes in cells e.g. drug metabolism, gene transcription, epigenetic regulations are modulated by methylation of targets ranging from small biomolecules to large proteins. MTs are the proteins which catalyze this methylation reaction and transfer the methyl group to an acceptor molecule through SN2 like nucleophilic substitution reaction. The MTs can be classified on the basis of the substrate atoms they methylate: O (54% of all MTs), N (23%), C (18%), S (3%) and other acceptors (such as halides; 2%). They can also be categorized into five different classes (Class I-V) depending upon distinctive structural features facilitating substrate binding or catalytic activity. Rossmann fold and SET (acronym acquired from the Drosophila Su(var)3-9 and 'Enhancer of zeste' proteins) domain are the two characteristic structural motifs commonly found in MTs. Similar to GPCRs, MTs dysfunction has been shown to be involved in various diseases including neuropsychiatric diseases and cancer. Therefore they are also interesting targets for drug development. The final part of this chapter discusses the importance of structural biology in gathering information related to structure and conformational dynamics of proteins. The two prominent biophysical techniques used in structural biology, X-ray crystallography and NMR, are discussed with focus on their advantages and limitation. The importance of NMR spectroscopic techniques to investigate different dynamic processes of protein at atomic resolution under physiological conditions is also discussed. Real time NMR spectroscopy required for the analysis of slow protein dynamic processes (protein folding, enzyme catalysis, domain rearrangement) has been explained in detail.
The second part of the thesis (Chapters 3-4), which is the cumulative part, comprises the original publications grouped into 2 chapters according to their topic:
• NMR-spectroscopic characterization of the transiently populated photointermediates of bovine rhodopsin and it’s interaction with arrestin (Chapter 3)
• Structural and biophysical characterization of PaMTH1, a putative SAM dependent O-methyltransferase from filamentous fungi Podospora anserina (Chapter 4)
Each chapter is initiated by a detailed introduction to the topic, providing the framework for the following papers. The personal contribution of this thesis’ author to each publication is stated in the introduction to the respective article.
In dieser Arbeit wurden die Strukturen von drei Membranproteinen mittels Einzelpartikel-Kryo‑Elektronenmikroskopie (Kryo‑EM) gelöst. Bei den Membranproteinen handelt es sich um den humanen TRP-Kanal Polycystin‑2, den sekundär-aktiven Transporter BetP aus Corynebacterium glutamicum und den Rotor-Ring der N‑Typ ATPase aus Burkholderia pseudomallei.
Kanäle sind Membranproteine, die Ionen durch eine Pore über die Membran diffundieren lassen. Durch einen präzisen, kanalabhängigen Regulationsmechanismus wird die Pore nur bei Bedarf geöffnet. TRP (transient receptor potential) Kanäle sind anhand von DNA-Sequenzvergleichen identifiziert worden und kommen ausschließlich in Eukaryonten vor. In dieser Arbeit lag der Fokus auf der Strukturbestimmung des humanen TRP Kanals Polycystin‑2 (PC‑2). PC‑2 wurde in einer Studie entdeckt, in der Patienten mit der autosomal dominanten Erbkrankheit „polyzystische Nierenerkrankung“ untersucht wurden. Patienten mit dieser Krankheit tragen eine Mutation in einem der beiden Gene PKD1 oder PKD2, welche für die Proteine Polycystin‑1 und ‑2 kodieren. In dieser Arbeit wurden verschiedene Deletionsmutanten von PC‑2 hergestellt und in das Genom menschlicher HEK293 GnTI‑ Zellen inseriert. Die Zellen, die PC‑2 bzw. die Deletionskonstrukte am stärksten synthetisierten, wurden isoliert und für die rekombinante Proteinherstellung verwendet. Die Expression von PC‑2 führte zu der Entstehung von kristalloidem endoplasmatischem Retikulum. Mutationsstudien in dieser Arbeit zeigen, dass diese morphologische Veränderung durch die Akkumulation von Membranproteinen, die mit sich selbst interagieren, begünstigt wird. Weiter ist es in dieser Arbeit gelungen, PC‑2 zu reinigen und die Struktur des Proteins mit Hilfe von Einzelpartikel Kryo-EM mit einer Auflösung von 4.6 Å zu bestimmen. Die Membrandomäne von PC‑2 ist sehr ähnlich zu den bekannten TRP Kanal Strukturen. Ein Vergleich der PC‑2 Struktur mit dem offenen und geschlossenen TRPV1 Kanal legt nahe, dass PC‑2 in seiner offenen Konformation gelöst wurde.
Der sekundär aktive Transporter BetP von C. glutamicum gehört zu der Familie der BCC- (betaine-carnitine-choline) Transporter und wird durch osmotischen Schock aktiviert. Nach seiner Aktivierung importiert BetP zwei Natriumionen und ein Glycinbetain Molekül. Durch die Akkumulierung von Glycinbetain in der Zelle steigt das osmotische Potential des Zytoplasmas, was den Wasserausstrom aus der Zelle stoppt. Viele Strukturen, die BetP in unterschiedlichen Stadien des Transportprozesses zeigen, konnten bereits mittels Röntgenkristallographie gelöst werden. Allerdings ist die N‑terminale Domäne für die Kristallisation entfernt worden und die C‑terminale Domäne, die komplett aufgelöst ist, ist an einem wichtigen Kristallkontakt beteiligt. Um strukturelle Informationen über die N‑ und C‑terminale Domäne ohne Kristallisationsartefakte zu erhalten, wurde in dieser Arbeit die Struktur von BetP mittels Einzelpartikel Kryo‑EM bestimmt. Die Struktur mit einer Auflösung von 6.8 Å zeigt BetP in einem zum Zytoplasma geöffneten Zustand. Der größte Unterschied zu allen Kristallstrukturen ist die Position der C‑terminalen α‑Helix, die um ~30° rotiert ist und dadurch deutlich enger am Protein zu liegen kommt. Da BetP in Abwesenheit von aktivierenden Stoffen analysiert wurde, wird vermutet, dass es sich bei der gelösten Struktur um den inaktiven Zustand von BetP handelt.
Rotierende ATPasen sind membrangebunden Enzymkomplexe, die bei der zellulären Energieumwandlung eine entscheidende Rolle einnehmen. Sie bestehen aus einem löslichen und einem membrangebundenen Teil. Während in dem löslichen Teil der zelluläre Energieträger Adenosintriphosphat (ATP) entweder synthetisiert oder hydrolysiert wird, baut der membrangebundene Teil entweder einen Ionengradienten auf oder nutzt die Energie eines existierenden Gradienten für die ATP Synthese. Ein wesentlicher Bestandteil des membrangebundenen Teils einer rotierenden ATPase ist der Rotor-Ring. Dieser transportiert Ionen über die Membran und rotiert dabei um seine eigene Achse. In dieser Arbeit wurde eine Studie fortgesetzt, die den Rotor-Ring der N‑Typ ATPase von B. pseudomallei mittels Kryo‑EM untersuchte und zeigte, dass der Rotor-Ring aus 17 identischen Untereinheiten aufgebaut ist. Damit hat die N‑Typ ATPase das größte Ionen-zu-ATP-Verhältnis aller bisher charakterisierten ATPasen. In dieser Arbeit wurde die c17 Stöchiometrie des N‑Typ ATPase Rotor-Rings bestätigt und die Struktur mittels Kryo‑EM bestimmt. Im besonderen Fokus lag dabei der Einfluss von Detergenzien auf die Strukturbestimmung. Es konnte gezeigt werden, dass die beiden Parameter Dichte und Mizellengröße der verwendeten Detergenzien ausschlaggebend für den Erfolg der Strukturbestimmung dieses sehr kleinen Membranproteins sind.
Die hämatopoetische Stammzelltransplantation (HSZT) stellt für zahlreiche Erkrankungen die einzige Chance auf Heilung dar. Gleichzeitig ist dieses Therapieverfahren mit einer hohen Morbidität und Mortalität verbunden, welche auf diverse akute Nebenwirkungen aber auch langfristige Komplikationen zurückzuführen ist. Unter anderem wurden vielfältige Funktionsbeeinträchtigungen erfasst, welche in einer gravierenden körperlichen Dekonditionierung sowie einem erhöhtem Risiko für kardiovaskuläre Folgeerkrankungen münden können. Sport- und Bewegungstherapie konnte sich in diesem Rahmen als Supportivmaßnahme vor allem bei erwachsenen Krebspatienten etablieren. Die Studienlage für Kinder und Adoleszenten mit Krebs ist nicht gleichsam evident. In der pädiatrischen SZT gibt es bis dato lediglich vier international publizierte Studien. Aufgrund des skizzierten Forschungsdefizits, sollten im Rahmen der vorliegenden randomisiert-kontrollierten Untersuchung, die physischen und psychischen Effekte einer strukturierten Sporttherapie während und nach der HSZT evaluiert werden.
Die erste Studienphase bezieht sich auf die stationäre Behandlung der Patienten und wurde in einem randomisiert-kontrollierten Design durchgeführt. Mit stationärer Aufnahme wurden teilnehmende Probanden in eine von zwei Studiengruppen randomisiert (Interventionsgruppe (IG) oder Kontrollgruppe (KG)). Während die IG ein Ausdauer-, Kraft- und Beweglichkeitstraining erhielt, führte die KG Konzentrations- und Entspannungsübungen durch. Beiden Gruppen wurde das altersentsprechende sowie individualisierte Training täglich zwischen 30–60min angeboten. Mit stationärer Entlassung gingen die Patienten in Phase II, die ambulante Nachbehandlung über. In dieser Pilotstudie sollten neben der Machbarkeit von Sporttherapie, die physischen Effekte bis 6 Monate nach HSZT analysiert werden. Aufgrund der wohnortgestützten ambulanten Weiterbehandlung wurde eine Neu-Stratifizierung der Patienten durchgeführt, wodurch vier Gruppen entstanden: IG–IG, IG–KG, KG–IG und KG–KG. Als MZP dienten die stationäre Aufnahme (T0) und Entlassung (T1) sowie für die Phase II Tag+100 (T2) und Tag+200 (T3). Die Testungen inkludierten motorische Testverfahren (6-Minuten-Walking-Test (6MWT), Spiroergometrie, Handkraft (Hk), Beinkraft (Bk)), psychometrische Testverfahren (Lebensqualität (LQ)) sowie klinische Parameter (z.B. Blutwerte) und die Körperzusammensetzung.
In vier Studienjahren (2011-2014) wurden 70 Patienten mit einem mittleren Alter von 11,0 Jahren (5–18Jahre) eingeschlossen. Stationär kam es zu einer Drop out Rate von 18,6% sowie zu Tag+200 von 54,3%. Die Patientencharakteristika zeigten abgesehen vom BMI bei Aufnahme (p<.05) keine Gruppenunterschiede.
Das stationäre Training wurde von beiden Gruppen mit 3,1 (2–4; IG) bzw. 2,9 (0,3–4; KG) Trainingseinheiten pro Woche ähnlich gut angenommen (je ~51min/Trainingseinheit). Für drei von den vier motorischen Testverfahren zeigte sich anhand der relativen Veränderungen für die IG ein Erhalt der Leistungsfähigkeit (6MWT: 2,4 (-66,1–25,7)%; Hk: -3,6±16,3%; Bk: -1,6 (-52,6–144,4)%). Gleichzeitig reduzierte die KG diese Daten jeweils signifikant (6MWT: -14,6 (-73,2–18,0)%; Hk: -10,9±20,0%; Bk: -13,0 (-57,9–131,7)%; p<.05). Die VO2peak ml/kg/min der Spiroergometrie zeigte innerhalb beider Gruppen eine signifikante Verschlechterung (IG: 15,0±16,7%; KG: -18,7±22,7%; p<.05). Die LQ präsentierte dagegen ein uneinheitliches Bild für beide Studiengruppen. Für die Körperzusammensetzung und klinischen Parameter konnten keine signifikanten Unterschiede berechnet werden.
Im ambulanten Setting demonstrierte die Aufbereitung des Trainings eine generelle Machbarkeit. Das Training wurde in 53,6±10,2% der Ambulanztermine integriert. Die hohe Ausfallrate war primär auf Kontraindikationen (63,3±22,1%) und Sondertermine (14,6±7,0%) zurückzuführen. Die Trainingshäufigkeit belief sich insgesamt auf 0,7 Trainingseinheiten/Woche bei 42,5min pro Trainingseinheit. Die Betrachtung der physischen Effekte zeigte eine generelle Verbesserung der Daten innerhalb aller Gruppen. Gruppen mit sportlicher Intervention (stationär oder ambulant) wiesen partiell (6MWT, Bk) höhere Messwerte und Verbesserungen auf. Signifikanzen lagen keine vor.
Gesamt betrachtet konnte in Studienphase 1 dem therapieassoziiertem körperlichen Abbau durch Bewegungstherapie entgegengewirkt werden. Gleichzeitig zeigte das Assessment, ausgenommen LQ, Körperzusammensetzung sowie die Spiroergometrie eine gute Anwendbarkeit in dem Setting. Für die ambulante Studienphase kann eine generelle Machbarkeit von Sporttherapie nach HSZT postuliert werden. Weitere Erhebungen wären in diesem Setting hinsichtlich der Trainingseffekte noch erforderlich. Zukünftige Studien sollten multizentrisch durchgeführt werden, um mit Hilfe größerer Fallzahlen umfassendere Erkenntnisse zu erlangen.
Erkrankungs- und transplantationsassoziierte Nebenwirkungen (z.B. Mukositis, Neutropenie) und Komplikationen (z.B. Infektionen, Abstoßung) führen zu einem radikalen Rückgang der körperlichen Leistungsfähigkeit während der Hämatopoetischen Stammzelltransplantation (HSZT). Ein Großteil der Patienten leidet vor Beginn der Transplantation bereits an ausgeprägten muskulären sowie kardiopulmonalen Defiziten. Randomisiert-kontrollierte Interventionsstudien mit Erwachsenen weisen auf positive multidimensionale Effekte einer Bewegungstherapie vor, während und nach der Transplantation hin. Wiskemann et al. [2013] identifizierten zudem das Fitnesslevel zu Transplantationsbeginn als relevanten Prädiktor für trainingsinduzierte Adaptionen. Im klinischen Sektor der pädiatrischen HSZT wird der wissenschaftliche Forschungsstand im als unzureichend eingestuft. Neben der Evaluation der Wirksamkeit pädiatrischer Bewegungsprogramme besteht dringender Bedarf zur Identifikation geeigneter Trainingsmethoden. Auf Basis dessen evaluierte die vorliegende Arbeit als Primärziel den Einfluss der körperlichen Leistungsfähigkeit zu Transplantationsbeginn auf die Effekte einer Sporttherapie während pädiatrischer HSZT. Darüber hinaus erfolgte eine Überprüfung der Machbarkeit des Interventionskonzeptes und eine explorative Analyse der sportlichen Belastbarkeit während der stationären Behandlung.
In dieser Subanalyse der BISON-Studie (RCT, n=70) wurden 53 hämato-onkologisch erkrankte Kinder und Jugendliche (35 m 18 w, 10.9±3.5 Jahre) mit Indikation zur HSZT computergestützt in eine Interventions- (IG) oder bewegungsarme Kontrollgruppe (KG) randomisiert. Im Rahmen der Transplantation führte die IG eine Sporttherapie, bestehend aus einem täglichen Ausdauer-, Kraft- und Beweglichkeitstraining (täglich, 30–60min), die KG ein Konzentrations- und Entspannungstraining von gleichem Umfang durch. Die individualisierten Trainingseinheiten fanden supervidiert statt und wurden von den behandelnden Sporttherapeuten dokumentiert. Zur Evaluation der Therapieeffekte erfasste ein 6-Minuten Gehtest (6MWT) die Ausdauerleistungsfähigkeit im Eingangs- und Retest (T1 Aufnahme, T2 Entlassung). Im Sinne der primären Zielsetzung erfolgte für die Auswertung eine retrospektive Dichotomisierung beider Studiengruppen anhand der referenzwertbezogenen Baslinewerte (cut off: 80 % 6MWDREFT1). Gruppenunterschiede (IGUNFIT n=14, IGFIT n=12, KGUNFIT n=16, KGFIT n=11) der relativen Veränderung im pre-post Design wurden mittels Kruskal-Wallis mit post-hoc-Test analysiert. Die Machbarkeit des sporttherapeutischen Interventionskonzeptes wurde anhand von neun Outcomeparametern (Bedarf, Akzeptanz, Durchführbarkeit, Adhärenz, Toleranz, Verträglichkeit, Sicherheit, Medizinische Barrieren, Non-Compliance) bewertet.
Vor Transplantation legten die Kinder und Jugendlichen im 6MWT ohne Auftreten unerwünschter Ereignisse durchschnittlich 470.9±79.1 m bzw. referenzwertbezogen 76±12% zurück. Die nichtparametrische Testung ergab für das Gesamtkollektiv bereits vor Beginn der Behandlung signifikante Einbußen der Gehstrecke im Vergleich zu den Normwerten gesunder Gleichaltriger (p<.001).
Insgesamt 25 Kinder und Jugendliche der IG (74%) trainierten über den stationären Verlauf kontinuierlich 2–4x pro Woche (50.3±6.3 min/TE) mit einem subjektiven Anstrengungsempfinden (RPE) von 11 bis 16. Die Adhärenzrate lag in der Untersuchung bei 94 (64–100)%. Das Training beinhaltete ein Ausdauertraining auf dem Fahrradergometer, als Aerobic-Einheit oder in spielerischer Form (2.5±0.9x/wk, 20.9±5.1 min/TE, 70.7±6.5% der HFmax), ein kleingerätegestütztes Krafttraining (2.4±0.6x/wk, 3.7±0.7 Übungen, 1.9±0.3 Serien, 10.4±1.1 Wiederholungen) und Stretchingübungen (2.3 ±0.7x/wk, 75% aktiv, 25% passiv). In insgesamt 13 von 410 Therapieeinheiten musste aufgrund von Gegenanzeigen abgebrochen werden.
Beim Vergleich der Trainingseffekte zeigte sich, dass die IGFIT ihre Ausdauerleistung im Rahmen der Transplantation um +0.7% steigerte, während die IGUNFIT eine Verbesserung um +7.7% aufwies (p>.05). In Bezug auf die relative Veränderung konnten ausschließlich signifikante Unterschiede zwischen der IGUNFIT und der KGUNFIT (-13.7%, p<.05) bzw. KGFIT (-15.9%, p>.05) erhoben werden. Bei Entlassung absolvierte die Gruppe IGFIT weiterhin 85.5±10.3% der referenzwertbezogenen Gehstrecke und differierte diesbezüglich bei Entlassung signifikant zu den beiden initial leistungsreduzierten Gruppen (KGUNFIT p<.001, IGUNFIT p<.01).
Negative Auswirkungen der Grunderkrankung und hämato-onkologischer Vorbehandlungen führen auch bei der Mehrheit betroffener Kinder und Jugendlicher bereits vor der Transplantation zu einer defizitären Leistungsfähigkeit im Vergleich zu Gesunden. Vor dem Hintergrund einer progressiven transplantationsinduzierten Dekonditionierung zeigt sich eine supportive Sporttherapie während pädiatrischer HSZT von moderater und hoher Intensität als sicher, machbar sowie effizient. Das konstante Training sowie die hohe Compliance erfordern ein tägliches, flexibles und kreatives Angebot unter fachtherapeutischer Anleitung und Betreuung. Alle Patienten können über den gesamten Verlauf der Transplantation ca. 3x pro Woche zwischen 40–60 min trainieren. Wie bei Gesunden könnten insbesondere initial leistungslimitierte Kinder und Jugendliche sowie Patienten mit schweren Nebenwirkungen von einer supportiven Bewegungsförderung profitieren. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse lässt sich außerdem ableiten, dass ein optimaler Versorgungsansatz für die pädiatrische HSZT zusätzlich ein bewegungstherapeutisches Aufbautraining vor Transplantation vorsieht.
Die Populationsgenetik beschäftigt sich mit dem Einfluss von zufälliger Reproduktion, Rekombination, Migration, Mutation und Selektion auf die genetische Struktur einer Population.
In dieser Arbeit mit dem englischen Titel "Ancestral lines under mutation and selection" wird das Zusammenspiel von zufälliger Reproduktion, gerichteter Selektion und Zweiwegmutation untersucht.
Dazu betrachten wir eine haploide Population in der jedes Individuum zu jedem Zeitpunkt genau einen von zwei Typen aus S:={0,1} trägt. Dabei sei 1 der neutrale und 0 der selektiv bevorzugte Typ. Im Diffusionslimes sehr großer Populationen modellieren wir den Prozess der Frequenz der Typ-0-Individuen durch eine Wright-Fisher-Diffusion X:=(X_t) mit Mutation und gerichteter Selektion.
Zu jedem Zeitpunkt s gibt es genau ein Individuum, dessen Nachkommen ab einem bestimmten zukünftigen Zeitpunkt t>s die gesamte Population ausmachen werden. Wir nennen dieses Individuum den gemeinsamen Vorfahren zum Zeitpunkt s, da alle Individuen zu allen Zeitpunkten r>t von ihm abstammen. Sei R_{s} dessen Typ zum Zeitpunkt s. Wir nehmen an, dass der Prozess X zum Zeitpunkt 0 im Gleichgewicht ist und definieren die Wahrscheinlichkeit, dass der gemeinsame Vorfahre zum Zeitpunkt 0 Typ 0 hat, durch h(x):= P(R_{0}=0|X_{0}=x). Eine Darstellung von h(x) wurde bereits von Fearnhead (2002) und Taylor (2007) gefunden und dort mit vorwiegend analytischen Methoden bewiesen. In dieser Arbeit entwickeln wir in Kapitel 3 ein neues Teilchenbild, den pruned lookdown ancestral selection graph (pruned LD-ASG), der für sich selbst genommen interessant ist und eine neue probabilistische Interpretation der Darstellung von h(x) liefert.
Durch Erweiterung des Teilchenbildes auf Nachkommenverteilungen mit schweren Tails und mit Hilfe einer Siegmund Dualität gelingt es uns in Kapitel 4 das Resultat für h(x) von klassischen Wright-Fisher-Diffusionen auf Lambda-Wright-Fisher-Diffuison zu erweitern.
Eine Verbindung zwischen Ideen von Taylor (2007), der den gemeinsamen Prozess (X,R) untersucht hat, und einem von Fearnhead (2002) betrachteten Prozess (R,V), der die Entwicklung des Typs R des gemeinsamen Vorfahren in einer Umgebung von V sogenannten virtuellen Linien beschreibt, stellen wir in Kapitel 6 her. Wir bestimmen die gemeinsame Dynamik des Tripels (X,R,V). In Kapitel 7 betrachten wir ein diskretes Bild mit endlicher Populationsgröße N und schlagen dort eine Brücke zu Resultaten von Kluth, Hustedt und Baake (2013).
Des Weiteren entwickeln wir in Kapitel 5 dieser Arbeit einen Algorithmus zur Simulation der Typen einer Stichprobe von m Individuen, die aus einer Wright-Fisher-Population mit Mutation und Selektion im Gleichgewicht gezogen wird. Mittels dieses Algorithmus illustrieren wir die Typenverteilung für verschiedene Parameterwerte und Stichprobengrößen.
Fungi are an important component of every ecosystem but hardly considered in biodiversity monitoring projects. This thesis aims at characterizing fungal diversity, with an emphasis on epigeous fungi, encompassing different biogeographic zones and points in time. A main sampling area was established in the Taunus mountain range in Germany, which was sampled monthly over three years.
For testing species richness on spatial scale, the Taunus transect was compared with four other areas, which were assessed with lower sampling effort. One of these areas was Bulau in Germany, in which four excursions were made. Furthermore, two sampling events were performed in Somiedo in Spain and one sampling event in Kleinwalsertal in Austria. Already existing data of a two-year monitoring project in Panama next to the river Majagua were additionally used for comparison.
All these areas were investigated with a standardized sampling protocol focusing on macroscopically evident fungi and vascular plants using a time-restricted transect design. The transects consisted of strips, which were 500 m long and about 20 m broad, and were sampled for 2 hours at each single sampling event....
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die humane Leukotrien A4-Hydrolase untersucht.
Die hLTA4H ist ein bifunktionelles Enzym, welches neben der Hydrolaseaktivität, welche für die Umwandlung des instabilen LTA4 zu LTB4 verantwortlich ist, auch eine Peptidaseaktivität aufweist. Beide Enzymaktivitäten spielen bei Entzündungsprozessen eine wichtige Rolle, weshalb die LTA4H ein interessantes pharmakologisches Target darstellt. Aufgrund der gegensätzlichen Eigenschaften der beiden Aktivitäten der LTA4H (Produktion des proinflammatorischen LTB4 durch die Hydrolase-Aktivität, sowie der Abbau des PGP-Tripeptids durch die Peptidase-Aktivität) wird deutlich, dass die Entwicklung selektiver Hydrolase-Inhibitoren von Vorteil ist.
Das Protein der humanen LTA4H konnte erfolgreich kloniert werden und in E. coli-Zellen exprimiert werden. Zur Gewinnung des reinen rekombinanten Proteins konnte ein Aufreinigungsprotokoll mittels Nickel-Affinitätschromatographie sowie anschließender Größenausschlusschromatographie etabliert werden. Durch die Testung unterschiedlicher Lysemethoden konnte die Ausbeute deutlich erhöht werden.
Um herauszufinden, ob es durch den potentiellen Inhibitor zu einer Hemmung der Enzymaktivität kommt, muss diese detektiert werden können. Hierfür wurde ein geeignetes fluoreszenzbasiertes Testsystem zur Detektion der Enzymaktivität der hLTA4H entwickelt. Dies lässt auch die Quantifizierung der Wirksamkeit der möglichen Inhibitoren zu. Mit Hilfe eines pharmakophorbasierten Ansatzes wurden 22 Testsubstanzen für die in vitro Testung ausgewählt. Nach der Evaluierung dieser Substanzen wurden weitere 14 Derivate der besten Verbindung ausgewählt und ihre inhibitorischen Eigenschaften an rekombinanter LTA4H getestet. Die Ergebnisse wurden mittels Differential Scanning Fluorimetrie validiert, wofür ein einfaches Protokoll etabliert werden konnte.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden weiterhin 5 bereits bekannte Inhibitoren der LTA4H ausgewählt, um sie hinsichtlich ihres thermodynamischen Profils zu untersuchen. Hierzu wurden die ausgewählten Inhibitoren mittels Isothermer Titrationskalorimetrie vermessen. Die Dissoziationskonstanten der untersuchten Inhibitoren wurden ebenfalls mittels Differential Scanning Fluorimetrie bestimmt, wobei sich zeigte, dass diese Methode nicht zur präzisen Messung von Protein/Ligand Interaktionen herangezogen werden kann. Mittels eines in silico Ansatzes zur Vorhersage von stabilisierten und destabilisierten Wassermolekülen in der Bindetasche konnten die thermodynamischen Daten im strukturellen Kontext interpretiert werden. Durch diese Kombination konnten neue Erkenntnisse zum Design neuer Inhibitoren der LTA4H gewonnen werden.
Many natural minerals exist in the form of a solid solution. The systematic changes in structural and physical properties of oxide solid solutions are of geological importance and allow for wide applications. In order to understand the composition-structureproperty relations, substitutional solid solutions of CuxZn2−xTiO4, ZnxMg1−xTi2O5 and CuxMg1−xTi2O5 have been synthesised by mechanochemical activation assisted solid state synthesis. Self-propagating high-temperature synthesis has been employed to achieve the interstitial solid solutions of Ti5Si3Zx (Z refers to the element boron or oxygen).
The changes in the crystal structure and physical properties due to the formation of solid solutions are investigated by employing X-ray diffraction, neutron diffraction, Raman spectroscopy, low-temperature heat capacity, thermal expansion, scanning electron microscopy, UV-vis spectroscopy, plane-wave ultrasound spectroscopy and density functional theory calculations.
The ability of endothelial cells to properly adapt to changes in a dynamic blood perfused environment is essential to maintain the physiological function of the vascular system and of the organs. Epigenetic control of gene expression is believed to be the mechanism controlling cell-fate determination and cell-phenotype maintenance. In the thesis, two JmjC demethylases were screened for their function in endothelial biology. Both of them were proved to play a central role in angiogenesis.
The histone 3 lysine 4 demethylase JARID1B was identified as the most highly expressed demethylase in endothelial cell. Knockdown of JARID1B in human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) attenuated cell migration, angiogenic sprouting and tube formation. Jarid1b null mice exhibited attenuated retinal angiogenesis and reduced endothelial sprout outgrowth from aortic segments. Microarray data identified that the antiangiogenic transcription factor HOXA5 was suppressed by JARID1B. Consistently, chromatin immunoprecipitation experiment revealed that JARID1B occupies and reduces the histone 3 lysine 4 methylation levels at the HOXA5 promoter, demonstrating a direct function of JARID1B in endothelial HOXA5 gene regulation. Hence, as a highly expressed JmjC protein in endothelial cells, JARID1B fundamentally maintains endothelial angiogenic phenotypes perhaps through suppression of HOXA5.
As second enzyme it was identified that the histone plant homeodomain finger protein 8 (PHF8) plays a role in endothelial angiogenic sprouting as well as tube formation and cell migration. Overexpression of PHF8 catalyzed the removal of methyl-groups from histone 3 lysine 9 (H3K9) and H4K20, whereas knockdown of the enzyme increased H3K9 methylation. Knockdown of PHF8 by RNAi also attenuated endothelial proliferation and survival. To characterize the underlying mechanism, E2F transcription factors were screened, which led to the identification of the gene repressor E2F4 to be controlled by PHF8. Importantly, PHF8 maintains E2F4, but not E2F1, expression in endothelial cells. Likewise, chromatin immunoprecipitation revealed that PHF8 reduces the H3K9me2 level at the E2F4 transcriptional start site, demonstrating a direct function of PHF8 in endothelial E2F4 gene regulation. Thus, it is proposed that PHF8 maintains endothelial function by controlling E2F4 expression. On the other hand, microarray and subsequent qPCR validation revealed that the expressions of small nuclear RNAs (snRNAs) were regulated by PHF8. Co-immunoprecipitation experiment demonstrated that PHF8 interacts with spliceosome related proteins SNRP70 and SRPK1 as well as snRNA. Indeed, PHF8 contributed to splicing: GLS and VEGF-A displayed alternative splicing in PHF8 depleted cells. In addition, c-FOS introns were showed to be retained after knockdown of PHF8 in endothelial cells. These results demonstrated that, by controlling angiogenic mRNA splicing, PHF8 could affect endothelial properties.
Collectively, the results uncover the important roles of JARID1B and PHF8 in endothelial cells in the control of angiogenesis. Changing histone modifiers appears as an attractive concept for pro- and antiangiogenic therapy. The present work adds JARID1B and PHF8 as novel potential targets to this emerging field.
Die NADPH-Oxidasen stellen eine wichtige Quelle für reaktive Sauerstoffspezies (Reactive oxygen species; ROS) im Organismus dar. Hierbei dienen die NADPH-Oxidasen nicht nur der Pathogenabwehr, sondern haben einen Einfluss auf eine Vielzahl an oxidativen, physiologischen Prozessen. Unter den NADPH-Oxidasen ist NOX4 einzigartig, da es hauptsächlich im endoplasmatischen Retikulum (ER) lokalisiert ist, konstitutiv aktiv ist und Wasserstoffperoxid (H2O2) produziert. Wir vermuten, dass diese besonderen Eigenschaften eine Konsequenz aus der Interaktion mit bislang unentdeckten NOX4-interagiereden Proteinen ist.
Zweidimensionale blau-native Polyacrylamid-Gelelektrophorese (BN-PAGE) kombiniert mit SDS-PAGE zeigte NOX4 in makromolekularen Komplexen. Interagierende Proteine wurden durch eine quantitative SILAC (stable isotope labeling of amino acids in cell culture)-Co-immunopräzipitation (Co-IP) in NOX4-überexprimierenden HEK293-Zellen gescreent. Hierdurch konnten verschiedene interagierende Proteine identifiziert werden, wobei Calnexin die robusteste Interaktion aufwies. Calnexin konnte zudem in NOX4-haltigen Komplexen durch Complexome Profiling der BN-PAGE oder gleichzeitiger Antikörperfärbung nachgewiesen werden. Die Calnexin-NOX4-Interaktion konnte mittels reverser Co-IP und Proximity ligation assay bestätigt werden, während NOX1, NOX2 und NOX5 nicht mit Calnexin interagierten. Calnexin-Defizienz, untersucht in embryonalen Mausfibroblasten oder durch shRNA gegen Calnexin, reduzierte die NOX4-Proteinexpression und ROS-Bildung, wobei die mRNA-Expression unverändert blieb. Des Weiteren wurde untersucht, ob der bekannte Interaktionspartner von NADPH-Oxidasen, p22phox, wirklich essentiell für die Expression oder Aktivität von NOX4 ist, da es nur in manchen der NOX4-Co-IPs nachgewiesen wurde. Um den Einfluss von p22phox für NOX4 aufzuklären wurde ein CRISPR/Cas9 Knockdown in NOX4-überexprimierenden HEK293 Zellen etabliert. p22phox zeigte keinen Einfluss auf die NOX4-Expression, jedoch war die NOX4-abhängige ROS-Produktion in p22phox-Knockout Zellen verschwunden.
Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass endogenes NOX4 makromolekulare Komplexe mit Calnexin ausbildet, welches für die korrekte Reifung, Prozessierung und Funktion von NOX4 im ER nötig ist. Darüber hinaus ist p22phox nicht für die Reifung von NOX4, aber für dessen Aktivität nötig. Diese Ergebnisse zeigen eine vielfältige Regulation von NOX4 auf Proteinebene.
Phenology is the study of periodic life cycle events of living organisms and how these are influenced by environmental factors. Late phenological phases such as the timing of seed release and subsequent seed dispersal considerably affect ecology and evolution in plants. Since plants are mostly sessile organisms, seed dispersal is a crucial life cycle event for the ecology and evolution of plants. In fact, long-distance seed dispersal (LDD) is a very complex process in plant biology and significantly shapes the spatial and temporal dynamics of plant populations. For example, wind dispersal in plants is influenced by a variety of factors such as plant traits, habitat type and environmental conditions (e.g. wind speed). Considering the variability of wind conditions throughout the year, the timing of seed release and dispersal is known to have considerable effects on LDD. Even though late phenologies such as ripening duration and timing of seed release and subsequent dispersal are vital in estimating ecologically highly relevant LDD, these phenologies are not appropriately addressed in ecological research. The aim of this thesis is to gain insights into the factors that shape late plant phenologies. In particular, we address the following questions: which ecologically or evolutionary parameters drive the ripening process of plant species? How does the seasonal variability of wind affect the seed release phenology of plant species? How do these factors interact for plant species in different habitat types?
In order to address these questions, we applied different methodological approaches, ranging from fieldwork and monitoring phenology to computational simulation studies and statistical modeling. To study the ripening process of species, we monitored the flowering, ripening and seed release phenology of more than 100 Central European plant species. We conducted computational simulation studies for estimating LDD by wind to study the phenology of seed release and the parameters determining LDD by wind. In conjunction with phenological data from literature, we used the obtained simulation results to investigate evidence for the existence of phenological adaptations towards LDD in 165 plant species. Further, we used the results from simulation studies of LDD by wind to disentangle the effects of species, habitat types and meteorological conditions and their interactions on the spatial spread of plant species.
The results of the relationship between plant traits, phylogeny, the ripening process and climatic factors provide insights into the basic understanding of the ripening process of plants. We identified ecological factors that shape species’ ripening phenology and seed release timing. In particular, we suggest that the species’ seed weight, life form and phylogeny shapes ripening and seed release phenology. With the statistical models on species’ temperature demands for reproduction, we introduce data that that are well suitable for parametrization and further development of plant dispersal models. The results from the simulation study based on a seasonal perspective showed that heavier seeded tree species with medium wind dispersal potential (including genera Abies, Acer, Fraxinus and Larix) have a clear synchronisation of seed abscission with periods favouring LDD. These species, which are both ecologically and economically important, showed significant synchronisation of the highest rate of seed release with high wind-speed that promoted LDD by wind in wintertime. For the tree species mentioned, we suggest strong seasonal synchronisation as evidence for phenological adaptations in order to match favourable conditions during seed release. With a closer look at the wind conditions that promote LDD by wind, our results showed considerable differences in how specific wind conditions affect LDD in different species and habitat types. We suggest that LDD by wind in species from open habitats with high wind dispersal potential is likely to be driven by thermal updrafts that are mainly driven by the sun providing energy to the ground. By contrast, LDD of heavier-seeded species from open and forested habitats is more likely to be driven by storms that produce shear-driven turbulence. The results from this thesis contribute to an increased understanding of the complete dispersal process of plants and to making more realistic projections of (future) plant distribution.
The results obtained on factors driving ripening and release phenology provide valuable insights into their ecological and phylogenetic factor constraints. The implementation of more realistic assumptions in assessing species’ dispersal potential throughout the year could help considerably in improving landscape management (e.g. timing of mowing) and in the conservation of plant populations. The evidence found for phenological adaptations towards LDD in plants is an important step in understanding the evolutionary basis of LDD in these species.
Melt segregation inside the earth consists of two different processes: 1) Generation of partially molten rock and 2) separation of melt, produced from partially molten rock, from the solid residual matrix. This thesis focuses on the later process. The 2 phase flow dynamics combines the study of flow dynamics of melt and matrix. Several studies have given the background theoretical frameworks for the flow dynamics of melt inside the earth. [McKenzie, 1984] summarizes the studies of [Ahern and Turcotte, 1979; Frank, 1968; Sleep, 1975] and gives a complete set of governing equations for the 2-phase flow problem.
[Bercovici et al., 2001] gives a general formulation considering the univariate system of equations related to matrix and melt flow which includes the interfacial surface force. The assumption of melt having negligible viscosity compare to the matrix has been abandoned. Therefore, based on these formulations, we have constructed our numerical model and thereafter a fortran code PERCOL2D to get an insight of melt percolation process through porous media. Additionally, we have used the Helmhotz decomposition, which splits a smooth and rapidly decaying vector field into an irrotational vector field and an incompressible vector field [Srámek, 2007], for matrix and fluid viscosity in order to lower the number of linearly independent variables to minimize the computational complications. The melt residing at inter-granular areas of lithosphere, forms an interconnected network even at low porosity. Therefore, being less dense than the matrix, melt moves up through porous media due to its buoyancy. Compaction of matrix, which occurs to compensate the melt separation, is considered in this thesis, where the effective bulk and shear viscosity of matrix are function of melt fraction. We have effective bulk viscosity of matrix as inversely proportional to melt fraction. Porosity dependence of effective bulk and shear viscosity leads to stronger melt focusing in highly porous region like mid ocean ridges [Katz, 2008] since the ratio of bulk and shear viscosity is smaller (< 10) than the constant viscosity case for the porous waves having non dimensional amplitude 5% or higher. Moreover, it is observed in [Richard et al., 2012] that the solitary wave formed in porosity dependent viscous matrix settings are steeper than the one formed in the constant matrix viscosity setting.
Firstly some 1D numerical experiments with PERCOL2D have been carried out using fixed and periodic boundary conditions for zero source term (i.e. no melting or no freezing) and negligible surface tension.
3 series of model setups with different initial conditions have been carried out varying the width, non-dimensional amplitude and the background porosity value of the initial input of porous wave.
A mathematical derivation for 1D solitary wave solution for the two phase flow through porosity dependent compacting media, is obtained in this thesis which is different than the study of [Barcilon and Lovera, 1989; Barcilon and Richter, 1986; Scott and Stevenson, 1984; Spiegelman, 1993a,b] as the effective viscosity of matrix is constant there.
Although [Simpson and Spiegelman, 2011] gives the solitary wave solutions in 1D, 2D and 3D considering the porosity dependent effective viscosity of the matrix, but using the small background porosity approximation, they neglect the background porosity (i.e φ0) and therefore the effect of variation of compaction lengths, which causes variation in the shape and dynamics of the solitary wave. Therefore, the study [This thesis, Richard et al., 2012] can be used for more general purpose. Solitary waves in varying viscous medium, are steeper (cf fig.5.1) compared to the one in constant viscous medium and their speed decreases as an inverse function of the background porosity. Additionally, this analytical solution is used in our code PERCOL2D and also in FDCON for numerical benchmarking (1D) of PERCOL2D.
The role of melt grain contiguity is considered in the revised viscosity formulation [Schmeling et al., 2012] based on elastic moduli theory of a fluid filled poro-elastic medium. This formulation is used in this thesis to produce a comparative dispersion relationship between speed of the wave and the non dimensional amplitude of porous wave, based on both the viscosity formulations (fig. 6.20) where one can see that the model based on [Bercovici et al., 2001] formulation, converges to the same dispersion relationship obtained from [Simpson and Spiegelman, 2011]. Whereas, the dispersion relationship using [Schmeling et al., 2012] formulations, shows time-dependent decrease of phase velocity with increasing amplitude and it is not yet clear that whether these solutions converge to steady state porosity waves before the porosity becomes 1.