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Die vorliegende Arbeit stellt ein organisches Taskverarbeitungssystem vor, das die zuverlässige Verwaltung und Verarbeitung von Tasks auf Multi-Core basierten SoC-Architekturen umsetzt. Aufgrund der zunehmenden Integrationsdichte treten bei der planaren Halbleiter-Fertigung vermehrt Nebeneffekte auf, die im Systembetrieb zu Fehler und Ausfällen von Komponenten führen, was die Zuverlässigkeit der SoCs zunehmend beeinträchtigt. Bereits ab einer Fertigungsgröße von weniger als 100 nm ist eine drastische Zunahme von Elektromigration und der Strahlungssensitivität zu beobachten. Gleichzeitig nimmt die Komplexität (Applikations-Anforderungen) weiter zu, wobei der aktuelle Trend auf eine immer stärkere Vernetzung von Geräten abzielt (Ubiquitäre Systeme). Um diese Herausforderungen autonom bewältigen zu können, wird in dieser Arbeit ein biologisch inspiriertes Systemkonzept vorgestellt. Dieses bedient sich der Eigenschaften und Techniken des menschlichen endokrinen Hormonsystems und setzt ein vollständig dezentrales Funktionsprinzip mit Selbst-X Eigenschaften aus dem Organic Computing Bereich um. Die Durchführung dieses organischen Funktionsprinzips erfolgt in zwei getrennten Regelkreisen, die gemeinsam die dezentrale Verwaltung und Verarbeitung von Tasks übernehmen. Der erste Regelkreis wird durch das künstliche Hormonsystem (KHS) abgebildet und führt die Verteilung aller Tasks auf die verfügbaren Kerne durch. Die Verteilung erfolgt durch das Mitwirken aller Kerne und berücksichtigt deren lokale Eignung und aktueller Zustand. Anschließend erfolgt die Synchronisation mit dem zweiten Regelkreis, der durch die hormongeregelte Taskverarbeitung (HTV) abgebildet wird und einen dynamischen Task-Transfer gemäß der aktuellen Verteilung vollzieht. Dabei werden auch die im Netz verfügbaren Zustände von Tasks berücksichtigt und es entsteht ein vollständiger Verarbeitungspfad, ausgehend von der initialen Taskzuordnung, hinweg über den Transfer der Taskkomponenten, gefolgt von der Erzeugung der lokalen Taskinstanz bis zum Start des zugehörigen Taskprozesses auf dem jeweiligen Kern. Die System-Implementierung setzt sich aus modularen Hardware- und Software-Komponenten zusammen. Dadurch kann das System entweder vollständig in Hardware, Software oder in hybrider Form betrieben und genutzt werden. Mittels eines FPGA-basierten Prototyps konnten die formal bewiesenen Zeitschranken durch Messungen in realer Systemumgebung bestätigt werden. Die Messergebnisse zeigen herausragende Zeitschranken bezüglich der Selbst-X Eigenschaften. Des Weiteren zeigt der quantitative Vergleich gegenüber anderen Systemen, dass der hier gewählte dezentrale Regelungsansatz bezüglich Ausfallsicherheit, Flächen- und Rechenaufwand deutlich überlegen ist.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zum Vergleich die Strukturen der ATP-Synthasen von Arabidopsis thaliana, Asparagus officinalis, Allium cepa, Helianthus annus, Solanum tuberosum, Bos taurus und Saccharomyces cerevisiae gelöst. Die ATP-Synthase von S. cerevisiae konnte mit einer Auflösung von 19 Å gelöst werden. Der Winkel zwischen den zwei ATP-Synthase-Monomeren in dem ATP-Synthase-Dimer hatte für jede Spezies einen bestimmten Wert. Dieser Winkel änderte sich innerhalb einer Spezies nur wenig im Gegensatz zu Untersuchungen mit Einzelpartikelanalyse.
Die ATP-Synthase-Dimere aus den untersuchten Spezies besitzen unterschiedliche Winkel zwischen 78˚ und 122˚. Der Winkel des ATP-Synthase-Dimers aus S. tuberosum (122˚) viel größer als der in anderen Pflanzen (~98˚), B. taurus (105˚) und S. cerevisiae (78˚). Die Proben von S. tuberosum und B. taurus waren jedoch dünner, was den Winkel eventuell beeinflussen könnte. Um dies auszuschließen müssen in Zukunft weitere Untersuchungen durchgeführt werden.
Des Weiteren wurde im peripheren Stiel der ATP-Synthasen von allen Pflanzenspezies eine Dichte entdeckt, die in B. taurus und S. cerevisiae nicht vorhanden ist. Die Dichte könnte durch eine zusätzliche Untereinheit oder veränderte Untereinheit im Vergleich zu B. taurus und S. cerevisiae kommen.
Weiterhin wurde die Bildung von Reihen aus ATP-Synthase-Dimeren untersucht. Es wurden ATP-Synthase-Dimere von Polytomella sp. gereinigt und in Lipid rekonstituiert. Es wurde das ATP-Synthase-Dimer von Polytomella sp. verwendet, da dieses besonders stabil ist und während der Reinigung nicht zum ATP-Synthase-Monomer zerfällt. Zur Rekonstitution wurde die milde GRecon-Methode verwendet. Hierbei werden Membranproteine in einem Zuckergradienten gleichzeitig in Lipid rekonstituiert und nach ihrer Dichte getrennt. Abhängig von der Dichte der Proteoliposomen ist die Konzentration an Membranproteinen unterschiedlich. In Proteoliposomen mit einer hohen Konzentration bilden sich dünne Schichten in denen die ATP-Synthase-Dimeren Zickzack-Muster formen. Dies deutet darauf hin, dass das ATP-Synthase-Dimer die Membran verformt. In Proteoliposomen mit einer niedrigeren Konzentration an ATP-Synthase-Dimeren wurden runde Vesikel detektiert, in denen die ATP-Synthase-Dimere lange Reihen bilden und die Membran innerhalb jedes ATP-Synthase-Dimer ebenfalls verformt ist. Molekulare Simulationen bestätigen dieses Ergebnis.
Zudem wurde das ATP-Synthase-Dimer in zwei verschiedene Lipide ohne Cardiolipin rekonstituiert, da Cardiolipin ein Lipid ist welches in der bakteriellen und mitochondrialen Membran gefunden wurde und in hohen Konzentrationen in Membrankrümmungen lokalisiert ist (Huang et al., 2006), wie auch die ATP-Synthase-Dimere. Ohne Cardiolipin ist die Rekonstitution nicht geglückt beziehungsweise sind die ATP-Synthase-Dimere weniger gut zueinander angeordnet. Das deutet auf die Wichtigkeit von Cardiolipin in der Stabilisierung der Reihen von ATP-Synthase-Dimeren hin. Weitere Experimente mit verschiedenen ATP-Synthase-Dimeren in verschiedenen Lipiden sind nötig um dies zu untermauern.
Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es ein klonierbares Label zu etablieren, um ein bestimmtes Protein in Kryo-Elektronentomogramme zu identifizieren. Das Label sollte klein sein, um das zu identifizierbare Protein nicht zu beeinflussen und groß genug um in Kryo-Elektronentomogramme identifizierbar zu sein. In Einzelbildern wurde das 6 kDa große Metallothionein gebunden mit Gold identifiziert, wenn zwei Metallothioneine an dem gewünschten Protein kloniert wurden. Metallothionein besteht zu 33 % aus Cysteinen, welche Schwermetalle binden.
In meinen Studien habe ich bewiesen, dass drei Metallothioneine, gebunden mit Gold, in Kryo-Elektronentomogramme detektiert werden können. Jedoch tritt bei der Verwendung von Metallothionein durch die hohe Anzahl an Cysteinen vermehrt Aggregation auf. Bei meinen Untersuchungen fand ich heraus, dass auch das Maltose-Binde-Protein (MBP) ein Signal gleicher Intensität erzeugt. Durch Verwendung von MBP tritt aber keine Aggregation auf und man kann MBP auch zum Reinigen des Proteins verwenden.
Die Untersuchung befasst sich am Beispiel der fotografischen Arbeiten von Barbara Klemm mit einer aktuellen Entwicklung in der Fotografie. Der Lebens- und Berufsweg der Fotografin steht dabei stellvertretend für eine Generation von Reportage- und Dokumentarfotografen, die in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts nicht nur erfolgreich in ihrem Beruf gearbeitet, sondern darüber hinaus auch im musealen Kontext Beachtung erfahren haben. Durch die wachsende öffentliche Aufmerksamkeit und das damit verbundene Ansehen entwickelten sich die Arbeiten von Barbara Klemm von dokumentarischen Zeitungsbildern zu künstlerischen Fotografien. Wie dieser Prozess vom Zeitungsbild zum Museumsbild im Einzelnen abgelaufen ist, wird in der vorliegenden Arbeit untersucht.
Zu Beginn wird der gegenwärtige Umgang mit Fotografie in der Gesellschaft und in der Kunst thematisiert. Es wird die Entwicklung des fotografischen Mediums seit 1960 parallel zu den Wirkjahren von Barbara Klemm untersucht und gezeigt, welchen Einfluss diese Veränderungen auf ihr Werk und dessen Wahrnehmung hatten.
Dies ist im Allgemeinen die Frage nach der Wahrnehmung von Fotografie und im Speziellen nach der Veränderung von Wahrnehmung oder besser nach der Veränderung der Umwelt, die dem Betrachter eine andere Sicht auf die Fotografie ermöglicht. Das Thema ist aus der Sicht der Kunstwissenschaft und Kunstpädagogik bedeutsam, denn es zeigt, wie sich gesellschaftliche Kategorisierungen nicht unmittelbar, sondern im Laufe eines jahrzehntelangen Prozesses verändern. Eine Veränderung, deren Ursachen in einer engen Vernetzung von Wahrnehmung, Kommunikation, gesellschaftlicher Faktoren und ganz unterschiedlicher Entwicklungen innerhalb verschiedener einflussnehmender Systeme in einer gemeinsamen Umwelt zu suchen sind. Die analoge Schwarzweißfotografie ist die Technik in der Barbara Klemm arbeitet. Dies stellt heutzutage eine Besonderheit dar, denn die Sehgewohnheiten der Betrachter sind durch sehr verschiedene Bildarten geprägt. Diese reichen von Schnappschüssen und Amateuraufnahmen mit Kleinbild- oder handykameras bis hin zu professionellen Fotografien in der Werbung oder in Hochglanzmagazinen. Aufgrund der digitalen Technik, bei der mehr Aufnahmen in kurzer Zeit gemacht werden können, treten Komposition, Bildaufbau und Beleuchtung oft in den Hintergrund. Die Unterschiede zwischen analoger und digitaler Fotografie werden zudem in einer geschichtlichen Entwicklung der Reportagefotografie der vergangenen Jahrzehnte vertieft. Barbara Klemm arbeitete den größten Teil ihres Berufslebens als Bildjournalistin bei der Frankfurter Allgemeinen Zeitung. Von 1970 bis 2004 war sie zuständig für die Bereiche Politik und Feuilleton. In diesen Jahren entstanden Bilder, die heute zum kollektiven Gedächtnis vieler Deutscher zählen. Ausgehend von ihrer Arbeit wird dargestellt, wie die Fotografien einem Publikum zugänglich gemacht wurden und im Laufe der Zeit über das Medium der Zeitung hinaus in andere Bereiche der Öffentlichkeit gelangten, vor allem in die Kunst, aber auch in die Bereiche der Geschichte und Erinnerungsarbeit. Unter Verwendung der theoretischen Grundlage und Kategorisierung von Niklas Luhmann werden Arbeiten der Fotografin im System Journalismus und im System Kunst untersucht. An dieser Stelle waren Operatoren notwendig, die ihre Bilder aus dem System des Zeitungswesens in das System der Kunst transferierten. Diese Aufgabe konnten nur bestimmte Schlüsselfiguren (Schlüsselpersonen) erfüllen, denn Barbara Klemm hatte zu keiner Zeit intendiert, künstlerisch zu arbeiten. Das bedeutet, nur ein anerkannter Museumsdirektor oder ein erfahrener Ausstellungskurator konnte ihre Position in das „System Kunst“ einführen.
Nach einer kurzen biografischen Vorstellung der Arbeits- und Lebensstationen werden der Stil, die Technik und die Komposition Barbara Klemms Fotografien analysiert, um anschließend einen Versuch zu unternehmen, die besondere Ästhetisierung der Bilder zu erklären. So besitzt eine gelungene Fotografie von Barbara Klemm einen Mehrwert gegenüber den reinen Reportagebildern. Was der Betrachter vor Barbara Klemms Bildern empfindet und assoziiert, ist zum Teil individuell, zum Teil aber auch sozial, gesellschaftlich und kulturell – also intersubjektiv bestimmt. All seine Erfahrungen prägen die Beziehung zu jedem einzelnen Bild. Dass die Fotografien von Barbara Klemm heute eine breite Akzeptanz erfahren, hängt auch mit gesellschaftlichen Abläufen zusammen. Wissen und Meinungen festigen sich durch Wiederholung, die zur Gewohnheit werden. Vertrautem begegnet man folglich eher mit Sympathie und Wohlwollen, nicht zuletzt vermittelt es eine gewisse Sicherheit. Die langjährige Präsenz als Fotografin bei der Frankfurter Allgemeinen Zeitung stellt demnach eine fruchtbare Basis dar. Symbolisch gesprochen ist ihre Anstellung bei der Tageszeitung das stabile Fundament, auf dem ihr späterer Erfolg als künstlerische Fotografin aufbaut.
Klinische Frühergebnisse nach endoskopischer Lobektomie (VATS-Lobektomie versus daVinci-Lobektomie)
(2016)
In der vorliegenden Untersuchung wurden zwei operative Techniken zur endoskopischen Lobektomie miteinander hinsichtlich der Frühergebnisse verglichen. In die Untersuchung wurden alle Patienten einbezogen, die an der Abteilung für Thoraxchirurgie der Goethe Universität Frankfurt am Main zwischen April 2010 und Dezember 2012 wegen pulmonaler Karzinome minimal-invasiv lobektomiert wurden. Dabei wurden 34 Patienten einer Roboter-unterstützten Lobektomie sowie 25 Patienten einer VATS-Lobektomie unterzogen.
Es fanden sich keine signifikanten Differenzen in den präoperativen Daten und dem Risikoprofil der Patienten. Auch die intraoperativen Ergebnisse zeigten keine statistisch signifikanten Unterschiede. Postoperativ fand sich eine Tendenz zu höheren Tumorstadien sowie eine geringere Schmerzintensität bei den RATS-Patienten. Die Nachblutungsmenge war bei beiden Verfahren gering. Das klinische Outcome war vergleichbar, ebenso die geringe Morbidität und Komplikationsrate bei den beiden Verfahren.
Weitere Untersuchungen mit höheren Patientenzahlen sind erforderlich, um die Unterschiede zwischen den Verfahren zu untersuchen. Prinzipiell sind beide Verfahren geeignet um Patienten mit nicht-kleinzelligen Lungenkarzinomen in niedrigen Tumorstadien zu operieren.
Zur weiteren Verbesserung der Ergebnisse müssten für die RATS-Lobektomien spezielle Instrumente angefertigt werden. Die derzeit verwendeten Instrumente wurden ursprünglich für Koronargefäße oder urologische Operationen entwickelt, die sich in der Thoraxchirurgie oft als unzureichend erweisen. Zudem ist das Robotersystem stets in Entwicklung. Es sind kürzlich neue Instrumente eingeführt worden wie z.B. Klammernahtgeräte oder Instrumente, die für die automatische Durchtrennung kleinerer Gefäße zuständig sind. Manche Autoren beschreiben den Stapler, der eingesetzt wurde, noch als „mangelhaft“. Aus technischer Sicht fehlt immer noch das taktile Feedback, was jedoch teils durch die Erfahrung des Operateurs und mit Hilfe des 3-Dimensionalen Sehens kompensiert wird.
Diese Arbeit soll den ersten Grundbaustein bezüglich des postoperativen Schmerzmittelverbrauches nach einer videoassistierten- und roboterassoziierten Lobektomie legen. Wir sind uns sicher, dass dieses Thema in Zukunft weiter und noch detaillierter ausgearbeitet wird.
Nach den Studien von Flores und Alam wurden am Ende die Fragen gestellt:
➢ „Kann der Eingriff rein robotisch durchgeführt werden?
➢ Sind Op-Zeiten und Krankenhausaufenthalt kürzer?
➢ Sind die Inzisionen kleiner?
➢ Sind die postoperativen Schmerzen geringer?
➢ Ist das Verfahren billiger?“
Mit dieser vorliegenden Arbeit können die ersten vier Punkte aus der oben erwähnten Studie positiv bestätigt werden. Die Zugangswege sind kleiner bzw. gleich groß. In der Studie Kumar et al. wird ausdrücklich erwähnt, dass jedes Verfahren, welches durch die VATS geführt wird, mit dem Roboter noch besser auszuführen sei. Ein Problem stellen die Kosten dar. Wenn diese ebenfalls gesenkt werden können, würde einer flächendeckenden Verbreitung des Roboterverfahren nichts im Wege stehen. Die daVinci-Lobektomie ist zumindest eine geeignete Alternative im Vergleich zu der VATS-Lobektomie.
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.
Anankastic relatives
(2016)
This dissertation investigates a semantic puzzle in German concerning certain sentences with an intensional transitive verb and a modalized relative clause modifying its indefinite object. In their unspecific reading, the modal inside the relative clause seems to lack a semantic contribution and the construal of the relative clause appears spuriously ambiguous between a restrictive and an appositive reading. However, as a thorough discussion of a wide range of data reveals, the embedded modal is actually anaphoric to the matrix attitude and does contribute to the sentence meaning. But then, precisely due to its anaphoricity, this semantic contribution is restricted and in some cases very subtle; in particular, the semantic phenomenon under scrutiny cannot be analyzed as an instance of modal concord. Rather, previous observations on related data involving epistmic anaphoric modals and anankastic conditionals turn out to indicate the direction for an adequate analysis of the relevant semantic observations. For the restrictive construal, a conservative account is developed containing a fine-grained Lewis-Kratzer-style modal semantics, but with a twist: the anaphoricity of the modal is taken care of by restricting the anaphoricity of the modal to the ordering source of the matrix verb; moreover, the embedded modal receives a historical modal base. In this way compositionality issues and problems of cross-identification are avoided. Finally, the non-restrictive construal is analyzed as an instance of modal subordination, exploiting the well-studied parallel between appositive relatives and discourse anaphora.
Saccharomyces cerevisiae is a natural producer of isobutanol, which has more advantages as biofuel than ethanol, i.e. superior combustion energy, weaker corrosive action and reduced aqueous miscibility. Isobutanol is produced by the combination of the valine biosynthesis and the Ehrlich pathway. In this work, an industrial strain was employed for isobutanol production, in which the valine pathway was relocated into the cytosol. The valine pathway in yeast has a cofactor imbalance, since the glycolysis produces NADH, while Ilv5 employs NADPH for the reaction. Therefore, the cofactor specificity of the pathway was rebalanced with exchange of Ilv5 by an NADH-consuming mutant, IlvC6E6. Furthermore, Ilv6, which regulates the feed-back inhibition of the valine biosynthesis, was tested to boost isobutanol production; however, none of these Ilv6 alternatives could greatly enhance isobutanol production. Therefore, due to a still low production yield, the bottlenecks of the isobutanol pathway were deeper studied.
The major observed bottleneck concerned the conversion of DIV into KIV, since high concentrations of acetoin, 2,3-butandiol and, specially, DIV were observed in the fermentation supernatant, while neither KIV nor isobutyraldehyde were detected. This step is performed by the dihydroxy-acid dehydratase, Ilv3, which needs iron-sulfur clusters for its activity. Therefore, the first approach to circumvent this limitation was to increase the FeS assembly and its transference into the cytoplasm; however, Ilv3Δ19 activity was not improvement. Afterwards, Ilv3 alternatives were screened for substitution of Ilv3Δ19. Heterologous ILV3 orthologous with possible advantages were investigated, but Ilv3Δ19 was still the most promising alternative. Furthermore, sugar-acid enolases were tested as Ilv3Δ19 substitutes. These enolases also catalyze the dehydration of the substrate in the same way as Ilv3, but uses Mg2+ as cofactor. One of the employed enolases could complement valine auxotrophy; however, it allowed just a very slow growth of the Δilv3 strain and its activity could not be enhanced by mutagenesis studies.
Interestingly, we observed that once DIV is secreted out of the cell, it cannot be re-uptaken from the medium and this possibly further aggravates the pathway flux and Ilv3Δ19 activity. In order to suppress DIV waste, two strategies were formulated: the deletion of the possible DIV transporter, and the substrate channeling of DIV from IlvC6E6 to Ilv3Δ19. In order to find possible DIV export proteins, a transcriptome analysis of a strain producing high amounts of DIV against a strain producing no detected DIV were compared. Several transporters were found upregulated in the DIV producing strain, but, alone, none of these were responsible for the DIV efflux. For the substrate channeling, an artificial enzymatic net was constructed by the fusion of IlvC6E6 and Ilv319 with synthetic zippers, which have high affinity to each other, and as both enzymes are alone organized as oligomers. The use of this enzymatic net enhanced not only the isobutanol production in about 17%, but also 3-methyl-butanol production yield was 25% increased.
Nevertheless, together with bottlenecks arising from Ilv3 activity, the isobutanol production is limited by the ethanol production, which is the main product of S. cerevisiae. Therefore, in order to abolish ethanol production, PDC1 and PDC5 were deleted. Moreover, BDH1 and BDH2 were also deleted to create an NADH-driving force towards isobutanol production. However, the isobutanol yield of this mutant was even lower than that of the strain without the mentioned deletions. As a high production of isobutyric acid was observed, and it could be produced directly from KIV, different KIV decarboxylases and isobutanol dehydrogenases were investigated; but without improvement. Then, alternative pathways were abolished in other to favor isobutanol production, e.g. valine, leucine, isoleucine and panthotenate biosyntheses. Nevertheless, isobutanol yields were still low and the main byproducts were glycerol, acetoin, DIV and isobutyric acid. Despite the outcomes were not enough to enhance isobutanol production up to commercially required yields, these results help in the comprehension of the bottlenecks surrounding the isobutanol production pathway and serve as basis for further studies within the branched-chain amino acids biosynthesis and Ehrlich pathway.
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.
This thesis reports on the results obtained by expression photoactivatable adenylyl cyclase from Beggiatoa spp. (bPAC) in cholinergic neurons from Caenorhabditis elegans (C. elegans) and the characterization of the role of a single neuron, RIS, during locomotion in the adult animal.
Pharmacological activation of adenylyl cyclases through Forskolin is known to induce increased neuronal output in diverse model organisms through a protein kinase A (PKA) dependent mechanism. Nevertheless, pharmacological assays are not spatially restricted, do not allow for precise and acute activation nor to cessation of the signal. Thus, an optogenetic approach for was selected trough the expression of photoactivatable adenylyl cyclase from Beggiatoa spp. (bPAC) in cholinergic neurons of Caenorhabditis elegans (C. elegans). This model organism was chosen due to its transparency, ease of maintenance, fast generation cycles as well as for being an eutelic animal. Further, its genome has been fully sequenced and the connectome of the neuronal network is known, thus allowing for precise analysis of neuronal function. Furthermore, the molecular mechanisms governing neuronal functions are well conserved up to primates. Mainly two optogenetical tools were applied, bPAC and the light gated cation channel channelrhodopsin 2 (ChR2).
Behavioral assays of bPAC photostimulation in cholinergic neurons recapitulated previous work performed with the photoactivatable adenylyl cyclase from Euglena gracilis (EuPACa), in which swimming frequency and speed on solid substrate were increased. Electrophysiological recordings of body wall muscle (BWM) cells by Dr. Jana F. Liewald showed that bPAC photoactivation led to an increase in miniature postsynaptic current (mPSC) rate and, in contrast to ChR2 invoked depolarization, also amplitude. Analysis of mutants deficient in neuropeptidergic signaling (UNC- 31) via electrophysiology performed by Dr. Jana F. Liewald showed that the increase in mPSC amplitude due to bPAC photoactivation requires neuropeptide release. This was confirmed by co-expression of bPAC with the neuropeptide marker NLP-21::Venus and subsequent fluorescence analysis of release, exploiting the fact that released neuropeptides are ultimately degraded by scavenger cells (coelomocytes). These were enriched with NLP-21::Venus after bPAC photostimulation, but no fluorescence could be observed in the UNC-31 mutants.
Additional analysis of the electrophysiological data performed by myself showed no modulation of mPSC kinetics dues to neuropeptidergic release induced by bPAC. Hence, neuropeptide release and action sites were in the cholinergic neurons, the latter including cholinergic motoneurons.
Dr. Szi-chieh Yu provided electron microscopy images of high pressure frozen, bPAC or ChR2 expressing animals. These were tagged by myself for automatic analysis of ultrastructural properties of the cholinergic presynapse, also during photoactivation of both optogenetic tools. Photoactivation of both induced a reduction of synaptic vesicles, with ChR2 showing a more severe effect. In contrast to ChR2, though, bPAC also reduced the amount of dense core vesicles (DCV), the neuropeptide transporters. Additionally, long bPAC photoactivation as well as ChR2 photoactivation led to the appearance of large vesicles (LV), presumably in response to the increased SV fusion rate. bPAC photostimulation also induced an increase in SV size, not observed after ChR2 photostimulation. In UNC-31 mutants, bPAC photostimulation could not lead to the SV size increase, a further argument for the presynaptic effect of the released neuropeptide. Additional analysis of electrophysiology paired with pharmacology, performed by Dr. Jana F. Liewald, showed that mPSC amplitude increase requires the function of the vesicular acetylcholine transporter.
A further effect observed in the ultrastructure of bPAC photostimulated cholinergic presynapses was a shift in the distribution of SV regarding the dense projection. An analysis of cAMP pathway mutants showed that synapsin is required for bPAC induced behavior effects. Synapsin is known to mediate SV tethering to the cytoskeleton. Here, I show evidence for a new role of synapsin in controlling the availability of DCVs for fusion and thus, in neuropeptidergic signaling.
In the second part of my thesis I characterized the function of the GABAergic interneuron RIS in the neuronal network of C. elegans. RIS was shown to induce lethargus, a sleep-like state, during all larval molts, but its function in the adult animal was not yet described. Specific RIS expression of ChR2 achieved by a recombinase based system allowed to acutely depolarize the neuron during locomotion, which led to an acute behavioral stop. Diverse signal transduction pathway mutants were analyzed showing that the phenotype was induced by neuropeptidergic signaling. Through mutagenesis followed by whole genome sequencing data analysis as well as analysis of RIS specific RNA sequencing data further narrowed the signal transduction pathway to mediate the locomotion stop behavior. Since the neuropeptide and, to some extent, the neuron are conserved across nematodes, an argument is outlined in favor of the conservation of this sleep-like state.
In addition, since ChR2 could induce neuropeptidergic signaling from RIS, secretion of vesicles is regulated by variable pathways depending on the neuronal identity. Nevertheless, expression of bPAC in RIS allowed to optogenetically increase the probability of short stops, as observed by expression of a calcium sensor (GCaMP) in RIS and analysis of its intrinsic activity in the adult animal.
Tulasnella species (Tulasnellaceae, Cantharellales, Basidiomycota) form inconspicuous basidiomata on rotten branches or trunks of trees, difficult to find and recognize in nature. However, according to ultrastrucural and molecular data, species of Tulasnellaceae are the most frequent mycorrhriza forming fungi (mycobionts) of green, photosynthetic orchids worldwide. Species of Tulasnellaceae were also found as prominent mycobionts of the extraordinary diverse orchids in tropical montane rainforest of Southern Ecuador. Orchids obligately depend on mycobionts during the juvenile stage when the fungi have to deliver carbon to the non-photosynthetic protocorm and thus the fungi substantially influence the establishment of orchids in the wild. Species of Tulasnellaceae can acquire carbon from decaying bark or wood by specific saprotrophic capabilities as was recently proven through comparative genomics that included data on decay enzymes from Tulasnella cf. calospora isolated from orchid mycorrhizae (Anacamptis laxiflora, Italy). Thus, species of Tulasnellaceae can be saprotrophs and symbionts simultaneously.
It is currently under discussion, whether specific species of Tulasnella are required for seed germination and establishment of distinct terrestrial and epiphytic orchids in nature or if species of Tulasnella are generalists concerning their association with orchids. The inconsistences in species concepts and taxonomy of Tulasnella spp., however, strongly impede progress in this field of research. The aim of the present study was, therefore, to revise the species concepts by combining, for the first time, morphological and molecular data from basidiomata.
Specimens were collected in tropical Andean forest in Southern Ecuador and in temperate forests in Germany. Additional specimens were loaned from fungaria. In total, 205 specimens, corresponding to 16 own samples and 189 specimens from fungaria were analyzed. The mycobiont relationships of Tulasnella spp. with orchids from the sampling area in Ecuador were studied in populations of Epidendrum rhopalostele. The basis for molecular-phylogenetic analysis was completed by data obtained from own previous investigations on mycobionts from the investigation area and Tulasnella isolates from Australia.
30 morphospecies are illustrated and delimited by a morphological key based on traditional species concepts. Tulasnella andina from Ecuador and Tulasnella kirschneri from China are presented as species new to science. Tulasnella cruciata is described from herbarium material for the first time. Tulasnella aff. eichleriana and T. violea are reported for the first time from Ecuador. Molecular sequences of two Tulasnella spp. isolated from mycobionts of Epidendrum rhopalostele cannot be related to any morphological species concept. Statistical analyses suggest that conventional diagnostic using morphological characteristics is ambiguous for delimiting morphologically similar species.
For the first time sequences of the ITS-5.8S rDNA region were obtained after cloning from fresh basidiomata. Extraction of DNA from herbarium specimens was, however, unsuccessful. Sequences from 16 fresh basidiomata, six pure cultures, and sequences of orchids mycorrhizae (e.g. from Epidendrum rhopalostele) available in the database GenBank were analyzed. Proportional
variability of ITS-5.8S rDNA sequences within and among cultures and within and among specimens were used to designate morphospecies. Results suggest an intragenomic variation of less than 2 %, an intraspecific variation of up to 4 % and an interspecific divergence of more than 9 % for Tulasnella spp.
Four percent of intraspecific divergence was defined as a minimum threshold for delimiting phylogenetic species. This threshold corroborates the so far used 3 % to 5 % divergence in delimitation of operational taxonomic units of Tulasnella mycobionts.
Quite a number of sequences of Tulasnella are available in GenBank, mostly obtained from direct PCR amplification from orchid mycorrhizae. By including closely related sequences in the phylogenetic analysis, several morphological cryptic species of Tulasnella, mostly from Ecuador, were found. Arguments are given for molecular support of the new species Tulasnella andina and the established species Tulasnella albida, T. asymmetrica, T. eichleriana, T. tomaculum, and T. violea. Thus, by combining molecular and morphological data species concepts in Tulasnella are improved. The definitions of Tulasnella calospora and T. deliquescens, however, remain phylogenetically inconsistent.
The present investigation is a first step to expand our knowledge on the intraand interspecific morphological and molecular variability of Tulasnella spp. and to delimit species relevant for studies on ecology and communities of orchids and Tulasnellaceae.